基于正交试验的活性粉末混凝土力学性能及耐久性研究

宁致远，刘 辉，马 斌，王 璇，安学旭

(1.西京学院，西安 710123；2.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，西安 710075)



基于正交试验的活性粉末混凝土力学性能及耐久性研究

宁致远1，刘 辉2，马 斌1，王 璇1，安学旭1

(1.西京学院，西安 710123；2.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，西安 710075)

通过正交试验设计了18组不同配合比的活性粉末混凝土(RPC)，在常温养护制度下对其进行抗压强度和抗折强度试验研究，分析了砂胶比、水胶比、钢纤维掺量等因素对RPC力学性能的影响，考察了RPC破坏过程及形态。基于力学性能最优试验组，对该配合比进行优化，然后进行了抗冻融循环试验和抗硫酸盐侵蚀试验研究。试验结果表明：水胶比和钢纤维含量对RPC抗折和抗压强度影响显著，钢纤维含量过高导致RPC拌合物流动性较差，亦不经济，建议钢纤维体积含量控制在1.5%左右。RPC经冻融循环次数达150次时，其相对动弹模量为95.2%，质量损失忽略不计；经硫酸盐溶液侵泡的RPC试块强度相比在清水侵泡中提高了16.2%，RPC的抗硫酸盐侵蚀系数为116.5%。

活性粉末混凝土； 正交试验； 力学性能； 水胶比；

1 引 言

20世纪90年代，P.Richard等[1]通过密实堆积原理，成功研制出一种强度高、韧性好、耐久性高、良好体积稳定性的水泥基复合型材料，称为活性粉末混凝土(Reactive Power Concrete简称RPC)。根据组成和热处理方式的不同，RPC的抗压强度可达到200～800 MPa；抗拉强度可达到20～50 MPa；弹性模量可达到40～60 GPa；断裂能为40 kJ/m2，是普通混凝土的250倍。目前，RPC已在法国、加拿大等国家应用于工程实践，我国青藏铁路冻土区桥梁上也采用了RPC材料[2]。

国内外对RPC的研究结果表明[3-6]，由于RPC剔除了粗骨料，基体缺陷减少，匀质性大大提高，加入适量微细的钢纤维后，具有比普通高强混凝土更好的韧性。目前，RPC是由超低水胶比而使它的自身收缩明显加大、采用热养护的影响较显著等，适宜于预制生产，而不能现浇，在结构工程中的应用受到限制。因此为推广RPC在实际工程中得到广泛应用，有必要对RPC在常规养护条件下进行力学性能和耐久性试验研究。

本文拟通过常规养护工艺，通过正交试验设计了18组不同配合比的活性粉末混凝土，对其进行基本力学性能试验研究，分析了水胶比、钢纤维含量、硅粉等因素对其力学性能的影响，从而获得一种力学性能最优的配合比方案，然后基于该配合比方案制作试件进行抗冻融和抗硫酸盐侵蚀性能试验研究。考察了RPC耐久性能。研究结果将为我国RPC在常规养护制度下的实际工程推广及应用提供技术参考。

2 试 验

2.1 试验材料与配合比

水泥：采用标号为52.5R普通硫酸盐水泥。粉煤灰：Ⅰ级粉煤灰，细度为5.8，强度活性指数为81%。硅灰：所采用的硅灰密度为2.223 kg/m3，平均粒径0.30 μm左右，比表面积为14.59 m2/kg。矿渣粉：采用S95级矿渣粉，密度为2850 kg/m3，比表面积为438 m2/kg。钢纤维：采用72A-82B高强钢丝切断型细圆形表面镀铜钢纤维，抗拉强度为2880 MPa，长度为13～ 15 mm，直径为0.2～ 0.25 mm。减水剂：聚羟酸减水剂，减水率为29%。砂子：采用灞河河砂，用筛子剔除5 mm以上颗粒，细度模数为2.8，属于二区中砂，级配良好。水：采用西安自来水。

影响活性粉末混凝土力学性能、抗冻融性能以及抗硫酸盐侵蚀的因素很多，为了获得关于水胶比、钢纤维、硅灰掺和料等因素对活性粉末混凝土力学性能、抗冻融性能及抗硫酸盐侵蚀的影响状况，本文通过正交试验设计了18组配合比。试验分析因子如表1所示。本次试验将水泥掺量控制在715 g，调节其他参量的变化。假定拌合物的表观密度为2600 kg/m3。RPC配合比如表2所示。

表1 材料的配合比范围

注：1.W表示水、FA表示粉煤灰、S表示硅粉、GS表示矿渣粉、C表示水泥用量；2.B表示胶体，包含FA、S、GS、C；3.钢纤维为体积比，减水剂掺量为质量比。

2.2 试验方法

RPC作为一种新型超高性能混凝土材料，目前国内外还没有专门为其制定相应的试验规范。由于RPC不含粗骨料，材质均匀性好，各组分能够均匀混合。依据现行规范《建筑砂浆基本性能试验方法标准》[9](JGJ/T70-2009)进行抗压强度测试，采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试块；依据现行规范《水泥胶砂强度检测方法标准》[10](GB/T17671-1999)进行抗折强度测试，采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体试块。依据现行规范《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[11](GBJ82-85)进行抗冻融循环试验和抗硫酸盐侵蚀试验，试块大小分别采用100 mm×100 mm 400 mm的棱柱体和边长为100 mm的立方体。

抗压强度试验和抗折强度试验均采用Yes-3000型数显式压力试验机，最大试验力为3000 kN，试验力准确度为±1%。试验加载方法参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》[12](GB/T50081-2002)。抗冻融循环试验及抗硫酸盐侵蚀试验均参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[11](GBJ82-85)中要求进行试验。抗冻融循环试验采用由北京耐恒检测设备科技发展有限公司生产的NJW-HDK-9型全自动快速冻融机和DT-2型数字式动弹性测定仪。抗硫酸盐侵蚀试验采用电控砼硫酸盐干湿循环试验设备。

表2 活性粉末混凝土配合比

注：1.固定水泥掺量715 g；2.每组试验制作3个试块；3.钢纤维为体积含量。

2.3 试件成型与养护

本次试验在西安理工大学建筑材料实验室(甲级)进行。将按配合比称量好的石英砂、水泥、硅粉倒入搅拌机，搅拌3 min。使胶凝材料和石英砂全面混合，达到均匀分布，将一半质量的水和高性能减水剂均匀混合加入搅拌机，快速搅拌5 min，再将剩余的水加入，快速搅拌至拌合物成为浆体，此时加入钢纤维搅拌2～3 min。将混凝土拌合物装入试模，放在高频振动台上振动5～6 min，直至试件振动成型。

抗压、抗折试块养护：试件成型后送入标准养护室(20±2) ℃养护，24 h后拆模，拆模后将试块放置在(20±2) ℃水溶液中养护至28 d或规定的龄期。

抗冻融循环试块养护：在温度为(20±2) ℃，湿度为96%的养护箱中养护24 d，然后取出试件在温度为(20±2) ℃的水中浸泡4 d，让试件充分饱水。

抗硫酸盐侵蚀试块养护：RPC试块在温度为(20±2) ℃，湿度为96%的养护箱中养护26 d，取出试件后将试件放在(20±2) ℃的清水中浸泡2 d，完成上述过程后将试件取出擦干表面水分，放入在温度为(80±5) ℃的烘箱中48 h，烘干后在烘箱中冷却至常温，待放入干湿循环试验机中进行试验。

3 结果与讨论

3.1 试验结果及分析

本试验活性粉末混凝土抗压强度最高达120.7 MPa，抗折强度最高为61.8 MPa。活性粉末混凝土抗压强度、抗折强度分别见图1、图2。

通过极差和方差分析可知：RPC抗压、抗折强度受水胶比以及钢纤维的影响最为显著。随着水胶比的提高，RPC抗压强度呈现下降趋势，这一性质与普通混凝土相似。硅灰掺量的增加有利于提高强度，原因是硅灰的活性对水泥的水化起了作用，硅灰掺量越大，水泥水化越完全，因而强度越高。在试验中，随着钢纤维掺量增加，RPC试块的抗压、抗折强度得到了很大改善。

图1 RPC试块抗压强度Fig.1 Compressive strength of RPC specimen

图2 RPC试块抗折强度Fig.2 Flexural strength of RPC specimen

通过上述分析可知，试验中第三组配合比RPC具有良好的力学性能，抗折强度为120.7 MPa，抗压强度为61.8 MPa，该组各组分比例为：水泥∶硅灰∶砂子∶减水剂=1∶0.22∶1.93∶0.024，水胶比为0.20。

鉴于试验观察中该组配合比下钢纤维含量高，导致RPC拌合物流动性差，难于搅拌，故对钢纤维掺量以及次要影响因素做出相应调整。调整后的配合比为水泥：硅灰∶砂子∶减水剂=1∶0.22∶1.48∶0.024，水胶比为0.20。

3.2 试件破坏过程及形态

如图3所示，没有添加钢纤维的RPC试块，当试块受荷在330 kN左右时出现裂纹，而后裂缝慢慢增大，当达到峰值荷载时试块瞬间碎裂，分散成小块并伴随着很大的迸裂声，破坏前无明显征兆，表现为脆性破坏。

不同纲纤维掺量的RPC试块破坏特征大体一致，以钢纤维体积掺量为1.5%为例说明。如图4所示，当试块受荷在510 kN左右时，试块出现细微裂缝，并伴随着钢纤维拉扯的声音，可见钢纤维的作用限制了裂缝的扩展；当试块达到峰值荷载后，荷载缓慢下降，而后趋于平衡，表明加入钢纤维后RPC试块延性得到了很大改善；卸载时，试块的变形开始快速回弹，钢纤维逐渐脱离于拔出，在试验过程中可听见纤维拔出时的“噼啪”声。

图3 不含钢纤维RPC试块的受压破坏形态Fig.3 Compression failure pattern of RPC specimen without steel fiber

图4 钢纤维RPC试块受压破坏形态Fig.4 Compression failure pattern of RPC specimen with steel fiber

在抗折试验过程中，没有掺入钢纤维的RPC试块当加载至极限荷载前，试块没有出现明显的裂纹，而当试块出现裂纹时试块突然断裂，伴随迸裂的声音，试块破坏。如图5所示，试块断裂面整齐完整。

不同钢纤维掺量的RPC试块破坏特征大体一致，以钢纤维体积掺量为1.5%为例说明。当荷载达到206 kN左右时，裂缝首先出现在受拉区，随着荷载的增大，裂缝随之不断的扩展。达到极限荷载后，试块裂缝明显，并不断有钢纤维被拔出，直至试块完全破坏，当试验机缓慢卸载时，可听见钢纤维拔出时的“噼啪”声，试块破坏形态如图6所示。

综合分析抗压、抗折试验可知，钢纤维的加入，极大地改善了RPC的变形和破坏特征，使得试件的延性和韧性有了提高明显。

图5 不掺钢纤维RPC试块受折破坏形态Fig.5 Flexural failure pattern of RPC specimen without steel fiber

图6 掺钢纤维RPC受折破坏形态Fig.6 Flexural failure pattern of RPC specimen with steel fiber

3.3 RPC耐久性能试验

基于RPC试块的抗压强度和抗折强度试验，选出最佳配合比，然后对各组分掺量进行微调，选择配合比为水泥∶硅灰∶砂子∶减水剂=1∶0.22∶1.48∶0.024，水胶比为0.20。将该RPC养护成型，养护条件如2.3所述，进行抗冻融试验和硫酸盐侵蚀试验。

3.4 RPC抗冻融循环试验

将浸泡后的RPC试块取出，测量其初始质量W01，初始横向基频f01。RPC试块在饱水状态下进行冻融试验，试件中心温度分别控制在(-17±2) ℃和(8±2) ℃，3 h左右完成一次冻融循环，共持续200次冻融循环，每25次做一次记录，观察其外部损伤，记录其质量Wni，同时测量其横向基频fni。

图7 RPC试块冻融循环剖面Fig.7 Section of RPC specimen by freezing-thawing cycle

结果及分析：RPC经过200次冻融循环后，试件剖面如图7所示。结合图7和表3、表4可知，经过200次冻融循环后，所有试块均没有出现剥落现象。RPC试块的质量变化较小，平均值为0.12%。当冻融次数达150时，其相对动弹模量为95.2%，冻融200次后其相对动弹模降低到44%，表明RPC在冻融次数超过150次后，其力学性能便受到了很大的折损。对该组RPC试块进行劈裂，发现其内部有明显的孔隙。

由此可见，处于饱和状态的混凝土受冻时，其毛细孔壁承受膨胀压力和渗透压力，当这两种压力超过混凝土的抗拉强度时混凝土就会开裂。反复冻融循环后，混凝土中的裂缝就会相互贯通，强度随之降低，直至完全丧失承载力，使得混凝土由表及里遭受破坏。而RPC中掺入钢纤维，钢纤维起到了桥接裂缝的作用，高弹性模量的钢纤维与混凝土之间的粘结力具有一定的阻裂作用，使得RPC有良好的抗冻融性能。

表3 RPC试块质量损失计算结果

表4 RPC试块动弹模计算值

3.5 RPC抗硫酸盐侵蚀试验

混凝土材料经过硫酸根离子的长期侵蚀，会引起本体性能损失，宏观表现为砂浆严重剥落、石子外露；微观表现为钙矾石、C-S-H胶凝分解或溶出，导致水泥基材料失去粘接性能从而丧失承载力。RPC硫酸盐侵蚀试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性性能试验方法》[12](GB/T 50082-2009)抗硫酸盐侵蚀试验部分进行。配制浓度为10%的硫酸钠溶液，放入RPC试块，试块间距不小于20 cm。浸泡时间为(15±0.5) h，浸泡结束后，溶液在30 min内排净，用30 min将试块烘干。然后将烘箱升温到80 ℃，在30 min内烘干，将温度(80±0.5) ℃保持6 h，接着进行冷却，将试块冷却到25～30 ℃的时间为2 h。整个循环过程持续(24±2) h，然后进入下一个循环，进行15次循环。完成以后对其外观进行描述，同时对其进行抗压强度测定，计算其抗压强度侵蚀系数。对照组则放入清水中，在同等养护条件下进行，进行对比试验。

试验结果及分析：抗硫酸盐侵蚀试验中，具体反应的化学方程式如下：

3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O+6OH-(钙矾石)

Ca(OH)2+Na2SO4+2H2O=CaSO4·2H2O+2Na++2OH-(石膏)

试验结果如表5所示，经过10%浓度的Na2SO4溶液侵蚀循环15次后，RPC的抗硫酸盐侵蚀系数为116.5%。经硫酸盐溶液侵泡的RPC试块强度有一定程度提高，相比清水侵泡的强度提高了16.2%。原因是由于钙矾石或石膏的生成，产生体积膨胀，在一定程度上增大了混凝土的密实性。此外，粉煤灰和硅灰的掺入，如 SiO2，使得RPC中Ca(OH)2反应比较充分，在某种程度上稀释了Ca(OH)2，减少了石膏和钙矾石的生成，使得RPC更加密实，同时试验机中的的高温环境促进了RPC的内部进一步水化反应，使得生成更多的C-S-H凝胶填充内部孔隙，强度会有一定的增加。综合上述原因分析，RPC更有利于抗硫酸盐的侵蚀。

表5 RPC试块硫酸盐侵蚀结果

注：1.Q1、Q2分别表示硫酸盐侵泡、清水侵泡是试验组；2.每组所测强度值为3次试验平均值。

4 结 论

本文通过正交试验，在常规养护制度下，研究了水胶比、钢纤维含量等因素对RPC力学性能的影响以及对RPC的抗冻融性能和抗硫酸盐侵蚀性能做了初步探究，得出以下结论：

(1)通过正交试验分析可知，水胶比和钢纤维含量是影响RPC强度的主要因素。配合比为：水泥∶硅灰∶砂子∶减水剂=1∶0.22∶1.48∶0.024，水胶比为0.20；

(2)RPC抗压、抗折强度随钢纤维含量的增大而增大，但钢纤维含量的增加导致拌合物流动性差，亦不经济，故建议钢纤维体积含量控制在1.5%左右；

(3)RPC冻融次数达150次时，其相对动弹模量为95.2%，质量变化忽略不计，表明RPC抗冻融循环性能良好；

(4)经硫酸盐溶液侵泡的RPC试块强度相比在清水侵泡中提高了16.2%，RPC的抗硫酸盐侵蚀系数为116.5%，表明RPC相比普通混凝土更耐硫酸盐溶液的侵蚀。

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[2] 张倩倩,魏 亚,张景硕,等.钢纤维掺量对活性粉末混凝土断裂性能的影响[J].建筑材料学报,2014,17(1):24-29.

[3] 邓宗才,肖 锐,申臣良.超细水泥活性粉末混凝土的配比设计[J].建筑材料学报,2014,17(4):659-665.

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[10] 水泥胶砂强度检测方法标准(GB/T17671-1999)[S].北京:中国建筑工业出版社,2000.

[11] 普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T50081-2002)[S].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[12] 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GBJ82-85)[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

Mechanical Properties and Durability of Reactive Power Concrete Based on Orthogonal Experimental

NINGZhi-yuan1,LIUHui2,MABin1,WANGXuan1,ANXue-xu1

(1.Xijing University,Xi'an 710123,China;2.Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group,Xi'an 710075,China)

According to the orthogonal design method, 18 mix proportions of RPC were designed. The mechanical properties such as compressive strength and flexural strength were tested at the room temperature curing. The failure process and pattern were observed. The influence of the water-binder ratio,the steel fiber content on mechanical properties of RPC was analyzed.Based on the mix proportion of the optimal mechanical properties in the orthogonal test,the durability such as the resistance of freezing-thawing cycle and sulfate were conducted. Tests show that the compressive strength and flexural strength were significantly effected by the water-binder ratio and the steel fiber content. The steel fiber content is too high to economic, resulting the fluidity of the mixture was poor and suggesting that the steel fiber volume content was controlled at about 1.5%. When the number of freezing-thawing cycles was 150 times, the relative dynamic modulus of RPC was 95.2% and the mass loss was very little. The strength of RPC immersed in the sulfate solution was increased by 16.2%, compared with specimen immersed in the water. The RPC resistance coefficient of sulfate attack was 116.5%.

reactive power concrete;orthogonal test;mechanical property;water-binder ratio

西京学院科研启动基金项目(XJ160126)

宁致远(1989-)，男，硕士，工程师.主要从事活性粉末混凝土的研究.

马 斌，博士，教授.

TQ11

A

1001-1625(2016)12-4097-07