1、活性粉末混凝土的制備、結(jié)構(gòu)及性能摘要:活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete簡稱RPC）是一種超高強(qiáng)水泥基材料，本文通過調(diào)整粉煤灰、硅灰等摻合料和水膠比等，研究了其對(duì)RPC性能的影響，并且確定了其最佳的摻量。同時(shí)借助XRD和SEM等測試手段對(duì)RPC的水化產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)RPC是一個(gè)未完全水化但非常密實(shí)的結(jié)構(gòu)體。關(guān)鍵詞：活性粉末混凝土；RPC；最佳摻量；微觀分析1 引言活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete簡稱RPC）是法國Bouygues公司1993年研制成功的一種超高強(qiáng)度、高耐久性及高韌性的新型水泥基復(fù)合材料1，其抗壓強(qiáng)度可以達(dá)

2、到200MPa-800MPa級(jí)，抗折強(qiáng)度20MPa-150MPa級(jí)。由于RPC具有很高的抗壓、抗折強(qiáng)度以及較強(qiáng)的耐久性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中能夠有效減少自重，提高結(jié)構(gòu)的抗震和抗沖擊性能。另外，RPC特殊的結(jié)構(gòu)決定了其耐高溫性、耐火性和耐腐蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于鋼材。國內(nèi)RPC材料的運(yùn)用不僅能有效利用粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢料，而且其強(qiáng)度很高，一定程度上能夠減少對(duì)鋼材的需求。同時(shí)采用RPC材料與同類混凝土材料相比可以延長結(jié)構(gòu)壽命，大幅減少維修費(fèi)用，降低工程建設(shè)和使用的綜合造價(jià)。因此，RPC目前開始廣泛應(yīng)用于房屋、橋梁道路、高鐵以及軍事設(shè)施，前景十分廣闊。本實(shí)驗(yàn)的的主要內(nèi)容是研究原材料、水膠比等對(duì)RPC的性能的影響，同時(shí)

3、借助XRD、SEM等測試手段對(duì)RPC的水化產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的分析，以了解水化產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀性質(zhì)的影響。2 實(shí)驗(yàn)部分2.1 原材料及性能檢測（1）水泥采用華新堡壘P.O 42.5水泥，水泥細(xì)度3200cm²/g，初凝時(shí)間大于90min，終凝時(shí)間小于360min，燒失量為0.5%。（2）硅灰云南某鐵合金廠生產(chǎn)的微硅粉，硅粉的特征狀態(tài)為灰白色細(xì)粉，SiO2含量大于90%，密度2.21g/cm²，粒徑2m以下，平均粒徑0.3m左右，比表面積143100cm²/g。（3）粉煤灰關(guān)山電廠未篩粉煤灰，經(jīng)過篩分后屬于級(jí)灰。 （4）石英砂本次實(shí)驗(yàn)用砂為市售石英砂，最大

4、粒徑小于0.45mm。 (5)石英粉石英粉為市售，經(jīng)篩分粒徑分布見表3。表3 石英粉粒徑分布篩孔尺寸0.125mm0.1250.1mm0.10.088mm0.0880.063mm0.063mm篩分百分比0.61%4.2%21.53%1.28%72.38%(6)減水劑實(shí)驗(yàn)用減水劑有兩種，具體規(guī)格和產(chǎn)地如表4.表4 減水劑名稱產(chǎn)地規(guī)格粉體高效減水劑四川/愛輝工程液體減水劑長沙聚羧酸系-含固量40%(7)鋼纖維鋼纖維為武漢新途工程纖維制造有限公司制造，長徑比52，密度7.7g/cm³。2.2. RPC配合比設(shè)計(jì)對(duì)影響RPC性能的主要材料做了組分研究，具體實(shí)驗(yàn)方案如表5所示。表5 RPC實(shí)驗(yàn)

5、配比水膠比W/B膠凝材料(B)石英砂S/C鋼纖維%石英粉QU/C減水劑%水泥C硅灰SF/C粉煤灰FA/C0.16，0.170.18，0.190.2010.250.300.8800.220.1610.250.20，0.250.30，0.400.8800.220.1610.250.300.80，0.901.00，1.1000.220.1710.10，0.200.30，0.400.300.9000.220.1610.300.300.900，0.931.81，2.260.22注：膠凝材料為水泥、硅灰、粉煤灰三組分之和；鋼纖維摻量是體積百分比，減水劑為膠凝材料的質(zhì)量百分比；硅灰、粉煤灰、石英砂、石英粉摻

6、量均為與水泥的質(zhì)量比；考慮到拌和效果，在討論硅灰摻量影響時(shí)將水膠比增大到0.17。2.2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論(1) 水膠比對(duì)RPC性能的影響水膠比是拌和RPC時(shí)用水量的表征。RPC制品主要由水泥以及火山灰質(zhì)材料等多種細(xì)顆粒組成，其用水量的多少直接決定著水泥的水化作用和材料火山灰效應(yīng)的發(fā)揮，最終影響到混凝土的整體性能。因此，水膠比對(duì)RPC起著至關(guān)重要的作用。水膠比低，拌和效果差成型困難；水膠比過大，水化反應(yīng)后未反應(yīng)的水，被困在混凝土結(jié)構(gòu)中留下大量的孔隙，嚴(yán)重影響RPC的強(qiáng)度。圖2是強(qiáng)度與水膠比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖看到，隨著水膠比的降低，抗壓強(qiáng)度逐次明顯增大，抗折強(qiáng)度亦呈小幅增長趨勢(shì)，但增長幅度較小。

7、從抗壓強(qiáng)度隨水膠比的變化趨勢(shì)看，二者大致呈線性關(guān)系，經(jīng)擬合得到擬合直線如下：(1)式中：抗壓強(qiáng)度，MPa；w/b水膠比；擬合相關(guān)度R2=0.9452。據(jù)此可以大致預(yù)測水膠比與抗壓強(qiáng)度間的關(guān)系，但是水膠比越低流動(dòng)性越差，成型越困難。本文還嘗試了在更低水膠比0.15下的試驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)拌和效果較差，振動(dòng)成型的效果不甚良好，隨之放棄進(jìn)行更低水膠比的嘗試。因此，選取0.16作為本次實(shí)驗(yàn)的最佳水膠比。圖中還標(biāo)出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，最大相對(duì)偏差5.45%，說明測試數(shù)據(jù)離散度不大，數(shù)據(jù)可信度高。圖2 水膠比對(duì)強(qiáng)度的影響(2) 粉煤灰對(duì)RPC性能的影響國內(nèi)外學(xué)者對(duì)粉煤灰在水泥基復(fù)合膠凝材料中的作用2已有了一些比

8、較系統(tǒng)的研究。80年代初，沈旦申3等通過粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)研究，提出了“粉煤灰效應(yīng)”假說，將粉煤灰在水泥混凝土中的效應(yīng)歸納為三大效應(yīng)，即形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)(又稱火山灰效應(yīng))和微集料效應(yīng)，三效應(yīng)體現(xiàn)在水泥-粉煤灰膠凝材料結(jié)構(gòu)形成與發(fā)展的全過程中。圖3是粉煤灰摻量與強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)關(guān)系曲線，并標(biāo)出了每一均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖3中，粉煤灰：水泥(FA/C)的起始值定為0.2是由于當(dāng)粉煤灰摻量為0時(shí)，RPC膠砂的拌和效果十分不好，因此未能得到該取值的強(qiáng)度數(shù)據(jù)，其原因與粉煤灰的減水形態(tài)效應(yīng)有關(guān)。圖3表明，強(qiáng)度隨FA/C增大先增大再減小，存在一個(gè)最佳的比值：FA/C=0.25時(shí)抗折強(qiáng)度最高，為21.56MP

9、a；FA/C=0.3時(shí)抗壓強(qiáng)度最大，為98.21MPa。綜合考慮，粉煤灰的最佳摻量應(yīng)為FA/C=0.25-0.3。粉煤灰摻量對(duì)強(qiáng)度的影響不是單調(diào)關(guān)系的原因可能如下：一方面，粉煤灰的形態(tài)減水效應(yīng)使得粉煤灰摻量增大流動(dòng)度增大，成型容易，成型缺陷減少；另一方面，粉煤灰的活性不高，高摻量時(shí)導(dǎo)致強(qiáng)度降低。二者相互制約，從而在某一比值形成了極值。從圖3還可以看到，測試數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，這也說明了樣品均勻性不好，受到了多重因素的綜合影響。圖3 粉煤灰摻量對(duì)強(qiáng)度的影響(3) 硅灰對(duì)RPC性能的影響硅灰是生產(chǎn)硅或硅合金的副產(chǎn)品，由非晶質(zhì)二氧化硅組成的細(xì)小粉末材料，其顆粒呈圓球形，顆粒平均粒徑為0.15m。由于

10、顆粒細(xì)小，硅灰會(huì)填充在水泥顆粒之間的空隙中。硅灰的圓球形顆?？善鸬綕L珠軸承的作用，即會(huì)改善漿體的流變性。另外，硅灰的摻入會(huì)增加固體與液體的接觸面積，進(jìn)而增加內(nèi)聚力由于內(nèi)聚力的增加，混合料會(huì)變得更穩(wěn)定，各組分的離析傾向減小。由于硅灰的比表面積很大需要增加更高的用水量，才能維護(hù)較高的工作度，這就不利于混凝土強(qiáng)度的提高，所以高效減水劑是制備RPC必不可少的材料。硅灰摻入對(duì)RPC的作用主要有填充效應(yīng)、火山灰效應(yīng)、孔隙溶液化學(xué)反應(yīng)4等。圖4給出了硅灰摻量對(duì)RPC抗折、抗壓性能影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖6 硅灰摻量對(duì)強(qiáng)度的影響通過圖4可以很明顯的看到硅灰摻量（SF/C）在0.1至.0.4之間時(shí)抗壓強(qiáng)度一直呈增長趨

11、勢(shì)，且增長明顯，只是在0.3-0.4時(shí)開始放緩。通過硅灰的摻入就可發(fā)現(xiàn)密實(shí)程度對(duì)于RPC的強(qiáng)度影響很大?？拐蹚?qiáng)度隨硅灰摻量的增加呈下降趨勢(shì)，可能是由于硅灰顆粒填充于孔隙之間使材料密實(shí)度大大提高，在受到力的剪切作用時(shí)微孔對(duì)于力的緩沖作用減弱導(dǎo)致抗折強(qiáng)度隨著硅灰的摻入而緩慢降低，但是降低幅度不是很大。綜合兩方面考慮，硅灰摻量為水泥摻量20%-30%之間是最佳摻量。(4) 石英砂對(duì)RPC性能的影響砂膠比(骨料與膠凝材料的質(zhì)量之比)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響涉及到混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的勻質(zhì)性問題?；炷潦且环N非均勻的多孔體，混凝土內(nèi)的砂膠比例的差別及兩者力學(xué)性能上的差異是造成混凝土結(jié)構(gòu)勻質(zhì)性差的主要原因之一，因此確

12、定RPC中合適的砂膠比，有利于提高RPC的性能。RPC中的砂子作為混凝土的骨料，是各組分中粒徑最大的。按照RPC的配制原理，本實(shí)驗(yàn)選用的砂子是市售的100目石英砂，粒徑小于450m。圖5為石英砂摻量對(duì)RPC抗折、抗壓性能的影響。圖5石英砂摻量對(duì)強(qiáng)度的影響從圖5可以看出，砂膠比（S/B）為1.0時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大的99.53MPa。砂膠比在1.0之前抗壓強(qiáng)度呈增長趨勢(shì)，但是增長不是很明顯，1.0以后開始下降。在摻量為0.8時(shí)抗折強(qiáng)度達(dá)到最大的22.16MPa，之后一直降低到摻量為1.0時(shí)又有上升趨勢(shì)。在砂膠比為0.8至1.1之間時(shí)抗折強(qiáng)度有少量變化，但不是很明顯?？梢娛⑸皳搅吭谶@一范圍內(nèi)不是影

13、響混凝土強(qiáng)度的主要因素。但是石英砂的摻入并沒有改變水膠比，因此在低水膠比狀態(tài)下石英砂摻量受限于材料的拌和狀態(tài)。石英砂的增多會(huì)使拌和物越來越干燥并且石英砂的增加使材料的粘黏性降低，對(duì)于一些特殊的構(gòu)件在成型過程中有一些影響。因此，石英砂的摻量要根據(jù)制備材料的用途合理調(diào)整。但綜合考慮，砂膠比（S/B）在0.9-1.0時(shí)為最佳摻量。(5) 鋼纖維對(duì)RPC性能的影響RPC材料的力學(xué)性能極其優(yōu)越，可與鋼材媲美，但制約其大面積運(yùn)用的一大劣勢(shì)就是脆性較大。為了克服脆性大這一弱勢(shì)，提出了纖維增韌的方法。在配制RPC材料中加入鋼纖維能夠有效增強(qiáng)材料的韌性和體積穩(wěn)定性。在試驗(yàn)測試過程中未加鋼纖維的試件都會(huì)爆發(fā)出爆炸

14、聲響，并且碎片四濺。而加入鋼纖維的試件雖然有巨大的響聲，但是碎片被纖維很好的束縛在一起并沒有四濺。在做抗折實(shí)驗(yàn)時(shí)，加了鋼纖維的試件只是表面出現(xiàn)了裂縫，并沒有完全折斷并且還可以承受很強(qiáng)的力作用。顯而易見，鋼纖維對(duì)RPC的脆性有了很好的改善。圖6給出了鋼纖維摻量對(duì)RPC抗壓、抗折性能的影響。圖6鋼纖維摻量對(duì)強(qiáng)度的影響從圖6可以看出，鋼纖維對(duì)試塊的抗折、抗壓都有所提高。在鋼纖維摻量較小時(shí)效果不明顯，如試驗(yàn)中鋼纖維摻量為0.93%時(shí)的抗壓強(qiáng)度只比未摻時(shí)提高了6%，而抗折強(qiáng)度提高了10%。但當(dāng)鋼纖維摻量達(dá)到1.81%的時(shí)候可以看到相比于0.93%的時(shí)候抗壓和抗折強(qiáng)度都有較大幅度的提高，抗壓提高了27%，

15、抗折提高了35%。當(dāng)摻量從1.81%增加到2.26%的時(shí)候，抗壓強(qiáng)度的增長幅度有所放緩只增加了5%，此時(shí)抗折強(qiáng)度增長仍然很高達(dá)到了12%，但不及之前的35%，說明在鋼纖維摻量為2.26%的時(shí)候?qū)?qiáng)度的貢獻(xiàn)已經(jīng)開始放緩。雖然本次實(shí)驗(yàn)摻量未達(dá)到3%或者更高，但是可以想像，考慮到經(jīng)濟(jì)效益此后再增加鋼纖維的摻量已經(jīng)對(duì)強(qiáng)度影響不大。所以鋼纖維的最佳貢獻(xiàn)應(yīng)該在體積摻量為2%左右的時(shí)候。在本次試驗(yàn)中，摻量為2.26%時(shí)抗壓強(qiáng)度比不摻時(shí)提高了41%，此時(shí)抗折強(qiáng)度更是提高了65%。2.2.2 RPC微觀結(jié)構(gòu)分析RPC的水化產(chǎn)物和水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)是決定其強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性的內(nèi)在因素，而XRD是分析水化產(chǎn)物的重要手

16、段，同時(shí)借助SEM可以非常直觀地觀察和分析這些水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)，進(jìn)而深入地了解RPC各項(xiàng)性質(zhì)的形成和影響因素。圖7是典型的RPC試樣的XRD衍射圖譜，圖8是典型RPC試樣的SEM圖。水泥的主要成份是C3S，C2S，從圖7的衍射圖中可以看出C3S和C2S的衍射峰的強(qiáng)度仍然很強(qiáng)，說明RPC體系由于低的水膠比導(dǎo)致水泥不能完圖7 典型RPC樣品的X-射線衍射圖譜圖8 典型RPC樣品的掃描電鏡（SEM）照片全的水化。在圖8的SEM圖中可以清晰的看到未水化的粉煤灰顆粒，可能是粉煤灰的活性低和水泥不能完全水化不能提供充足的氫氧化鈣導(dǎo)致，但是顆粒的界面和水化產(chǎn)物的連接比較緊密，整個(gè)體系中比較密實(shí)，沒有較大的空隙，這也是形成RPC優(yōu)異性能的主要原因。3結(jié)論本文通過以上的實(shí)驗(yàn)研究，主要得到以下的實(shí)驗(yàn)結(jié)論：1 水膠比在一定的范圍內(nèi)降低，對(duì)RPC的抗壓和抗折強(qiáng)度