活性粉末混凝土（RPC）配合比试验研究

摘要：通过活性粉末、石英砂、钢纤维、聚羧酸系高性能减水剂等材料的配制试验，分析并研究了石英砂在多级配骨料下不同水胶比、不同钢纤维掺量对RPC抗折、抗压强度的影响。各项性能指标试验结果表明普通硅灰、粉煤灰、矿粉、聚羧酸减水剂代替特殊专用掺和料和专用外加剂配制RPC混凝土能达到客运专线RPC混凝土的验标要求。

关键词：活性粉末混凝土；配合比；试验研究

1前言

客运专线桥梁采用整体式人行道挡板时，由于振动荷载、风力及列车风载较大，使得挡板尺寸较大，自重较重；人行道盖板作为客运专线桥梁检查车的移动通道要承担相应的荷载，需增加其截面高度，自重也将加大。采用活性粉末混凝土，可大大减轻桥面二期恒载，提高桥面设施的耐久性，减轻安装难度。同时，由于活性粉末混凝土具有较高的抗拉强度，并且在设计时留有足够的富余量，可保证在使用过程中构件不开裂，整体性较好，能够很好地满足构件的使用性能和耐久性需求。根据建设单位要求，全线附属工程构件在全路首次实现工厂化生产、自动化流水线作业，就是为了确保RPC混凝土超高强、低脆性、耐久性优异的前提下，混凝土制品的外观要达到内实外美。在此，笔者对选用聚羧酸系高效减水剂、多级配骨料（石英砂）、钢纤维、硅灰、矿粉和粉煤灰复合多掺技术配置RPC混凝土进行了试验研究。

2 技术攻关

（1）活性粉末混凝土（RPC）是继高强度、高性能混凝土之后的又一种超高强度、低脆性、耐久性优异并有广阔应用前景的新型混凝土。但由于RPC混凝土一般需掺入特殊掺合料和专用外加剂（掺量大，占7%左右），导致RPC混凝土成本偏高。

（2）由于RPC混凝土水泥用量大，每m3RPC混凝土碱含量大于6kg/m³，所以，在水泥水化过程中，C₃S和C₂S水化生成C－S－H凝胶的同时，形成了大量的Ca（OH）₂。Ca（OH）₂是一种极易溶解的物质，在水化初期往往存在于混凝土的游离水中，在混凝土凝结硬化早期，随着混凝土的干燥，结构内部含Ca（OH）2浓度较高的游离水会逐渐沿着内部毛细孔向外迁移，以补偿表面被蒸发掉的水分，将溶于其中的Ca（OH）₂带出，到达混凝土表面后，Ca（OH）2与空气中的CO₂和H₂O发生化学反应，生成不溶于水的白色沉淀物CaCO₃附着在混凝土表面上，这种现象俗称泛碱，使得RPC预制板外观质量受到极大影响。

3 技术路线

（1）采用硅灰、矿粉、粉煤灰多掺技术替代特殊掺合料。

（2）采用非引气型聚羧酸高性能减水剂，消除有害气泡。

（3）采用以下技术措施优化混凝土配合比：①选用最大粒径为1.0mm的石英砂为多级配骨料，提高了混凝土的匀质性；②通过提高组分的细度使RPC内部达到最大填充密实度，将材料初始缺陷降至最低；③在成型过程中振动频率应达到50Hz以上，减少空隙，并通过雾室加温（30℃～70℃）养护来加速活性粉末的水化反应，强化水化物的结合力，同时避免蒸汽养护产生冷积水附着于RPC板引起泛碱现象；④掺入细而短的钢纤维，提高混凝土的抗弯折强度，从而有效地克服了普通高性能混凝土的高脆性；⑤采用低水胶比（0.13～0.16）控制最小用水量，显著提高混凝土强度及耐久性，同时避免水泥水化过程中产生的Ca（OH）₂由于混凝土表面缺水被混凝土内部多余的游离水带到混凝土表面，与空气中的CO₂和H₂O发生化学反应生成不溶于水的白色沉淀，附着在混凝土表面，造成泛白，因此还要在养护过程中相应采取保水措施；⑥采用低碱水泥和含碱量低的聚羧酸高性能外加剂，尽可能减少每立方RPC的总碱含量。

4 试验方法

通过活性粉末混凝土（RPC）的配制试验，采用单因素优化方法，研究水胶比、高性能减水剂、钢纤维和硅灰的掺量对RPC抗折、抗压强度的影响规律。在考虑强度指标、造价及施工方便的基础上，提出了活性粉末混凝土最优配合比，从试验工艺上解决产品外观质量通病。

5 原材料的选择及技术指标 

配制活性粉末混凝土用原材料及混凝土技术指标如表1～表3所示。

6 RPC配合比设计

6．1配合比设计需考虑的几个问题

根据RPC混凝土配合比设计技术路线，进行配合比设计应考虑以下几个方面的问题：

（1）采用合理粒径多级配石英砂替代粗骨料，尽可能消除集料与浆体间的微裂缝、孔隙等缺陷；

（2）采用最大密实理论模型原理，选择不同直径多种材料填充球体间的孔隙，从而达到最大密实状态；

（3）掺入钢纤维增大RPC的韧性和延性。

6．2 配合比设计参数的优选

综合配合比设计需考虑的3个问题并结合相关资料，以及对外实地考察学习后，反复试验成型大量试件，优选出了进行配合比设计的相关参数。

（1）确定RPC的表观密度。随着石英砂、钢纤维的掺量不同其密度在2400～2450kg/m³范围波动；

（2）水胶比。随着外加剂的性能、搅拌机的转速和各材料的配比不同，水胶比确定在0.13～0.16之间均可；

（3）依据RPC的抗折强度＞18MPa，同时考虑施工工艺以及搅拌机的性能，能否将钢纤维搅拌均匀分布于拌和物中，钢纤维的掺量在100～140kg/m³为宜；

（4）基于出机后拌和物的工作性能和制品要达到外观光滑，每1m3混凝土的水泥用量＞700kg/m³；

（5）硅灰、粉煤灰因需水比较大，在水胶比不变时需加大外加剂的掺量。有文献证明硅灰掺量对RPC的抗折强度影响不明显，但抗压强度明显提高；粉煤灰掺量过大，会降低RPC抗压强度，但后期能提高其抗折强度。

6．3优选RPC混凝土配合比

针对RPC盖板设计抗压强度＞130MPa，抗折强度＞18MPa的要求，将硅灰、粉煤灰、矿粉、石英砂确定一个合理的固定掺量。通过变化水胶比（提高抗压强度）和钢纤维掺量（提高抗折强度），同时拌合物的工作性满足施工要求（坍落度150～200mm），拟定了3个试拌配合比（如表4所示），并制作了大量试件和样品，采用不同的养护工艺（高温蒸养、雾室加温养护），最终制出了高品质的RPC盖板成品。

6．4配合比设计试验结果分析

通过固定硅灰、粉煤灰、矿粉、石英砂和外加剂掺量，变化水胶比、钢纤维掺量的对比试验结果，得出以下结论：

（1）RPC的抗压强度是随着水胶比的减小而增大，在一定范围内降低水胶比有利于RPC抗压、抗折强度显著增长。但水胶比过低时，会导致拌合物流动性较差，施工困难且拌合物易风干，RPC板成型后会带来外观质量缺陷；

（2）钢纤维掺量依据设计抗折强度大小在1.0%～2.0%体积比时RPC的强度得到明显提高，试件破坏时裂而不散，延性性能好。但随着掺量的加大，钢纤维对RPC抗压强度影响不大。在试验过程中观察到掺量3．0%的钢纤维搅拌成型较为困难，易抱团，给施工带来麻烦；

（3）有文献资料证明在一定范围内硅灰、外加剂掺量增加可以提高RPC的强度，但超过一定范围时强度反而下降。这里要说明表中3个编号的RPC配合比成型后其试件的性能指标都满足设计要求的抗压、抗折强度、弹性模量、氯离子渗透系数、抗冻性能等参数，均可用于生产RPC盖板。

7 结论

通过严格控制材料质量，大量配合比对比试验，重视试验工艺，控制好每道施工工序，可以在不用特殊掺合料的情况下试制出了高品质的RPC盖板制品。经过检验，各项性能满足（科技基［2006］129号）《客运专线活性粉末混凝土（RPC）材料人行道挡板、盖板暂行技术条件》要求。

参考文献：

[1]科技基[2006]129号，客运专线活性粉末混凝土(RPC)材料人行道挡板、盖板暂行技术条件[S]．

[2]覃维祖，曹峰．一种超高性能混凝土－活性粉末混凝土[J]．工业建筑，1999，29(4)：6－18．