钢纤维对活性粉末混凝土性能的影响

陈浩宇，王杰，李俊毅，王娜，苏忠纯，张鹏

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.山海关船舶重工有限责任公司，河北 山海关 066206）

0 引言

1993年法国布伊格（Bouygues）公司的 P.Richard[1]工程师仿效高致密水泥基均匀体系DSP（Densified System Containing Homogenously Arranged Ultra-fine Particle）材料[2]研制出一种新型超高性能混凝土，称为活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete简称RPC），该材料选取的是传统的原材料和传统的混凝土成型工艺，其原材料为石英砂、水泥、硅粉、细钢纤维、高效减水剂等，取消了粗骨料，并且根据最大密实度理论，使各种颗粒达到最大密实化。活性粉末混凝土与常规混凝土相比，具有超高强度、高韧性、高耐久性及高温适应性等特点[3-5]。当前，RPC材料已成为国际工程材料领域中的一个新的研究热点。

目前，在我国活性粉末混凝土技术也在客运专线桥梁整体式人行道挡板、盖板中得到了较好的应用。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》的规定，同条件养护RPC材料性能要求见表1。

纵观国内外的研究现状，RPC作为一种新型混凝土材料，尽管比常规混凝土更均质，缺陷更少，但仍然缺少完整的活性粉末混凝土最佳配合比设计依据，基本性能的研究相对缺乏系统性。活性粉末混凝土的高强度还来源于条件比较苛刻的养护制度，如达到200 MPa，需要90℃热水养护3 d，要达到800 MPa，需在400℃下干养护。而这种苛刻的养护制度不利于在工程中推广应用。因此，本文拟采用标准养护制度对不同钢纤维及掺量、不同掺合料的活性粉末混凝土性能进行研究。

表1 同条件养护RPC材料性能要求

1 原材料与配合比

试验用RPC混凝土原材料选用水泥、石英砂、粉煤灰、矿渣粉、硅灰、高效减水剂、钢纤维。

1）水泥（C）

本文采用河南省新乡同力水泥厂42.5型普通硅酸盐水泥(P.O42.5)。水泥性能见表2。

2）粉煤灰（FA）

本文采用河南省平顶山姚孟电力粉煤灰开发有限公司生产的I级粉煤灰。粉煤灰性能见表3。

3）矿粉（SG）

本文采用信阳明港豫钢冶金加工有限责任公司微粉厂生产的S95级矿粉，其性能见表4。

4）硅粉（SF）

本文中RPC采用安阳硅粉厂生产的硅粉，其特征状态为灰白色细粉，其性能见表5。

5）细骨料（S）

本文RPC均采用河南登封某砂厂定做的石英砂，粒径范围为0～1.25 mm，按粗细程度分为粗砂（S1）、中砂（S2）、细砂（S3）、特细砂（S4）等。不同粗细程度石英砂的实测级配范围见表6。表观密度与堆积密度见表7。

表2 水泥性能

表3 粉煤灰性能

表4 矿粉性能

表5 硅粉性能

表6 不同粗细程度石英砂的实测通过率%

表7 石英砂的表观密度及堆积密度kg·m-3

各级砂子用量按集料最大密实度模型[6]计算。设粗砂、中砂、细砂和特细砂的表观密度分别为ρ1、ρ2、ρ3和 ρ4，堆积密度分别为 ρ1′、ρ2′、ρ3′、ρ4′，则单位体积粗砂的质量为：

粗砂的空隙率为：

则单位体积粗砂内的空隙体积为V1，可掺入中砂的质量为：

中砂的空隙率为：

V1体积中砂内的空隙体积为V2，可掺入细砂的质量为：

细砂的空隙率为：

V2体积中砂内的空隙体积为V3，可掺入特细砂的质量为：

所以试验中各配合比所需各粒级石英砂的质量比为：

6）钢纤维（SFR）

本文采用两种钢纤维。一种是国内某钢纤维有限公司产，细圆形表面镀铜钢纤维，直径0.22 mm，长度12～15 mm。另一种是某钢纤维有限公司生产的螺纹型碳素钢纤维，长径比为32.24，100根平均长度为30.327 mm。

7）水（W）

普通自来水。

8）高效减水剂（A）

采用南京某混凝土外加剂厂生产的新型聚羧酸系高性能减水剂，其特征状态为淡黄色透明液体，减水率为29%，1 h无坍落度损失。

9）配合比及性能

根据集料最大密实度模型，选择了粗、中、细三种石英砂组合，采用不同矿物掺合料，振捣成型，制备了17组配合比，尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，配合比详细情况见表8。

表8 活性粉末混凝土的配合比

2 结果与讨论

2.1 普通钢纤维对活性粉末混凝土性能的影响

普通钢纤维的掺量对活性粉末混凝土性能的影响见图1。由图1可见，当钢纤维体积掺量为0.5%时，混凝土流动度增大，掺量继续增大时，流动度下降。混凝土抗压强度随钢纤维掺量的增大而提高，初始强度增加幅度不大，28 d抗压强度增加比较明显，体积掺量为0.5%和2%的钢纤维活性粉末混凝土的抗压强度比基准混凝土抗压强度分别增加了34.5%和47.6%。由图1还可以看出，掺加2%钢纤维的混凝土抗压强度比1%钢纤维的混凝土抗压强度提高不明显，但是流动度降低较多。对于普通钢纤维，综合考虑流动度和抗压强度，本文认为体积掺量为1%时最佳。

图1 普通钢纤维对活性粉末混凝土性能的影响

2.2 镀铜钢纤维对活性粉末混凝土性能的影响

镀铜钢纤维对活性粉末混凝土性能的影响见图2。由图2可见，当镀铜钢纤维体积掺量为0.5%时，混凝土流动度增大，掺量继续增大时，流动度下降。混凝土抗压强度随钢纤维掺量的增大而增加，强度增加幅度较大，如体积掺量为0.5%和2%的钢纤维活性粉末混凝土28 d的抗压强度比基准混凝土抗压强度分别增加了48.8%和66.9%。由图2还可以看出，掺加2%镀铜钢纤维的混凝土强度和1%钢纤维的混凝土强度相差不大，但是流动度降低较多。对于镀铜钢纤维，从流动度和抗压强度的角度考虑，当体积掺量为1%时制备出的活性粉末混凝土综合性能最佳。

图2 镀铜钢纤维对活性粉末混凝土性能影响

综合图1和图2可知，相同掺量的钢纤维，镀铜钢纤维混凝土的流动度和普通钢纤维混凝土的流动度相差不大；但是镀铜钢纤维混凝土抗压强度比普通钢纤维抗压强度高。因此研究掺合料对钢纤维活性粉末混凝土抗压强度的影响采用体积掺量为1%的镀铜钢纤维。

2.3 镀铜钢纤维对不同掺合料的活性粉末混凝土性能的影响

镀铜钢纤维对不同掺合料的活性粉末混凝土性能的影响见图3。由图3可见，钢纤维对不同矿物掺合料的活性粉末混凝土流动度影响不大。掺加矿物掺合料的钢纤维活性粉末混凝土的早期抗压强度比基准钢纤维活性粉末混凝土降低，但后期抗压强度均高于基准钢纤维活性粉末混凝土的抗压强度，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》的要求。单掺硅灰的钢纤维活性粉末混凝土28 d抗压强度比基准钢纤维活性粉末混凝土28 d抗压强度增加的幅度最大，提高了45.0%，双掺矿粉和硅灰的钢纤维活性粉末混凝土28 d抗压强度增加其次，提高了23.7%。综上，对于制备钢纤维活性粉末混凝土，单掺硅灰或复合掺加硅灰和矿粉的效果较佳。

图3 镀铜钢纤维对不同掺合料的活性粉末混凝土性能的影响

2.4 最佳配合比力学性能和耐久性能试验结果

根据图3的结果分别得出了单掺矿物掺合料和复合掺加矿物掺合料的最佳配合比，由表9和表10可以看出，单掺硅灰、复合掺加矿粉和硅灰的钢纤维活性粉末混凝土的力学性能和耐久性能均能满足《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》的规定。

表9 最佳配合比RPC力学性能试验结果

表10 最佳配合比RPC耐久性能试验结果

3 结语

1）随着钢纤维掺量的增加，活性粉末混凝土流动度下降。混凝土强度随钢纤维掺量增大而增加，后期强度增加幅度较大。从流动度和抗压强度的角度考虑，当钢纤维体积掺量为1%时制备出的活性粉末混凝土效果最佳。

相同掺量时，镀铜钢纤维混凝土的流动度和普通钢纤维混凝土的流动度相差不大，但是镀铜钢纤维混凝土强度比普通钢纤维强度高。

2）掺加矿物掺合料的钢纤维活性粉末混凝土的早期抗压强度比基准钢纤维活性粉末混凝土降低，但后期抗压强度均高于基准钢纤维活性粉末混凝土的抗压强度，能满足《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》的要求。

3）单掺硅灰的钢纤维活性粉末混凝土28 d抗压强度比基准钢纤维活性粉末混凝土28 d抗压强度增加的幅度最大，双掺矿粉和硅灰的钢纤维活性粉末混凝土28 d抗压强度增加其次。制备钢纤维活性粉末混凝土时，单掺硅灰或复合掺加硅灰和矿粉的效果较佳。单掺硅灰、复合掺加矿粉和硅灰的钢纤维活性粉末混凝土的力学性能和耐久性能均能满足《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》的规定。

[1]RICHARD P.Reactive Powder Concrete，a New Ultra-highstrength Cementitious Material[C]//Proceedings of the 4th International Symposium on Utilization of High-strength/high-performance Conerete.Paris，1996：1 343-1 349.

[2]RICHARD P，CHEYREZY M.Composition of Reactive Powder Concrete Research[J].Cement and Concrete Research，1995，125（7）：1 501-1 511.

[3]ROY D M.Advanced Cement Systems，Including CBC，DSP，MDF[C]//Proceedings of the 9th International Congress on the Chemistry of Cement.1992：357-380.

[4]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（4）：16-18.

[5]RICHARD P，CHEYREZY M H.Reactive Powder Coneretes with High Ductility and 200-800 MPa Compressive Strength[C]//Conerete Technology：Past，Present and Future Proceedings of the V Mohan Malhotra Symposium.S Franciscro，1994：507-518.

[6]DUGAT J，ROUX N，BERNIER G.Mechanical Properties of Reactive Powder Concretes[J].Materials and Construction，1996，29：233-240.