活性粉末混凝土的聚合物改性及其机理分析

林东，詹国良，沈云泽，刘冠升，陶仁成，叶门康，文梓芸，殷素红

（1.华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州 510640；2.广东华隧建设股份有限公司，广东 广州 510620）

活性粉末混凝土的聚合物改性及其机理分析

林东1，詹国良2，沈云泽2，刘冠升2，陶仁成2，叶门康2，文梓芸1，殷素红1

（1.华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州 510640；2.广东华隧建设股份有限公司，广东 广州 510620）

对活性粉末混凝土（RPC）进行了聚合物改性研究。结果表明，聚合物改性RPC的强度随着聚合物掺量的增加先提高后降低，存在一个最佳掺量范围。选择适宜的聚合物，采用合适的掺量，可提高RPC的强度。掺入聚合物可降低压折比，改善RPC的韧性。SEM分析表明，聚合物在水泥石中形成了一个连续的三维空间网状结构，水泥石也在聚合物空间网孔中穿插形成了连续的网状结构，2个空间网状结构互相穿插，形成了一个特有的整体。

活性粉末混凝土；聚合物；改性；微观结构；机理

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）是由法国布伊格（Bouygues）公司在1993年率先研发成功的一种超高强、高韧性、高耐久性、体积稳定性良好的水泥基复合材料。RPC原料一般为水泥、细石英砂、磨细石英粉、硅粉、细钢纤维和高效减水剂等，它取消了传统混凝土中的粗骨料，各级粒径尺寸范围小，而相邻级的平均粒径相差却较大。这种新型的材料根据最大密实度理论，使各种颗粒达到最大密实化，选取的却是传统的原材料和传统的混凝土成型工艺，国内外的研究表明，RPC具有优越的力学性能和耐久性能。目前，国际上的RPC有两大系列，一是RPC200，二是RPC800。RPC200的抗压强度高达230 MPa，抗折强度可达60 MPa；RPC800的抗压强度更是高达800 MPa，其性能已能与金属材料媲美，但其生产工艺复杂，能耗高，难以向工程化和产业化转换，相比之下RPC200则显示出更好的发展前景[1-4]。

然而，RPC作为一种水泥基材料，依然存在刚性过大而韧性不足的问题，从而使其应用受到很多限制。随着科学技术的发展和现代化建设的逐步深入，人们一直在寻找对水泥混凝土进行改良的途径，其中最为有效的一种方式就是采用高分子聚合物对水泥混凝土进行改性，这一举措极大地提升了水泥混凝土的各项性能。掺入聚合物后可以在混凝土内部形成空间网状结构，并使其微观结构发生变化，从而提高水泥混凝土的柔韧性，增强水泥混凝土的抗裂性及抵抗裂纹扩展的能力[5]。但对水灰比极低并经加热养护的RPC这类特殊水泥混凝土材料进行聚合物改性的研究还较少。为了进一步改善RPC材料的性能，拓宽其应用范围，本文对RPC材料的聚合物改性展开了研究。

1 试验

1.1 原材料

水泥：珠江水泥厂P·Ⅱ42.5水泥，密度3.13 g/cm3，比表面积350 m2/kg，主要化学成分见表1；石英砂：粒径0.25～0.65 mm，密度2.59 g/cm3；硅灰：挪威埃肯硅灰，SiO2含量大于90%，平均粒径0.15 μm，比表面积18 000～22 000 m2/kg（采用氮吸附法即BET法测定）；石英粉：佛山鸿辉陶瓷材料有限公司，表观密度2.64 g/cm3，比表面积4000 m2/kg；减水剂：BASF公司生产的聚羧酸系高效减水剂，减水率30%以上；聚合物：德国威凯公司提供的7016F、LL512、LL7200以及LL7250可再分散乳胶粉，4种可再分散乳胶粉的物理性能见表2。

表1 水泥的主要化学成分 %

表2 4种可再分散乳胶粉的物理性能

1.2 试验方法

1.2.1 成型

本试验RPC材料的配合比为：m（水泥）∶m（硅灰）∶m（石英粉）∶m（石英砂）∶m（水）∶m（减水剂）＝1∶0.22∶0.38∶1.1∶0.18∶0.05。试验时先将称量好的硅灰、水泥和石英砂干拌3 min；再将称好的减水剂溶入水中加入，搅拌3 min；搅拌完毕后，装模及振动成型，然后在（20±2）℃、相对湿度95%的标准养护条件下养护24 h拆模，放入80℃整箱中蒸养4 d，取出空气中冷却至室温，进行测试。本试验采用40 mm×40 mm×160 mm试模。

1.2.2 强度试验

RPC的强度参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO）法》进行测试，试验仪器为济南试金集团有限公司济南试验机厂的WEW-600B微机屏显液压万能试验机和美国Instron公司的Instron5567型万能试验机。

1.2.3 扫描电镜（SEM）分析

采用荷兰FEI公司的Quanta 200型环境扫描电子显微镜对样品形貌进行观察与分析。

2 试验结果与讨论

2.1 聚合物种类及掺量对RPC强度的影响

在养护制度和其它条件均相同的条件下，研究聚合物种类及掺量（按占水泥质量计）对RPC强度的影响，结果如图1、图2所示。

图1 聚合物种类及掺量对RPC抗折强度的影响

图2 聚合物种类及掺量对RPC抗压强度的影响

从图1、图2可以看出，随聚合物LL512掺量从0～10%增大，RPC的强度基本呈逐渐降低的趋势，抗折和抗压强度均低于未掺聚合物的RPC；随聚合物7016F、LL7200、LL7250掺量从0～10%增大，RPC的强度先提高后降低，在聚合物掺量较低时，掺聚合物7016F、LL7200、LL7250的RPC强度基本上均高于未掺聚合物的RPC，其中以聚合物7016F对RPC抗折和抗压强度的改善效果最明显。综合考虑抗折强度和抗压强度，在本试验条件下，聚合物7016F、LL512、LL7200最佳掺量均为2%，聚合物LL7250最佳掺量为5%。在此最佳掺量附近，聚合物改性RPC有较好的力学性能。

2.2 聚合物种类及掺量对RPC韧性的影响

通过压折比表征RPC材料的韧性[6]，压折比越小，说明材料韧性越好。聚合物种类及掺量对RPC压折比的影响见图3。

图3 聚合物种类及掺量对RPC压折比的影响

由图3可以看出，掺聚合物的RPC压折比均小于未掺聚合物的RPC；对于聚合物7016F、LL7200、LL7250，其掺量对压折比的影响规律大致相似，都是随着聚合物掺量的增大，压折比趋于降低，RPC的韧性越来越好，其中以聚合物7016F改善RPC材料韧性的效果相对较好；对于聚合物LL512，随着其掺量的增大，压折比先降低后有所增大。

3 机理分析

为了研究RPC聚合物增韧机理，本文采用扫描电子显微镜（SEM）对聚合物改性RPC材料的微观结构进行分析。据有关文献报道[7-9]，用稀盐酸对试样进行短暂的腐蚀，可以更好地观察硬化的聚合物改性水泥基材料中聚合物的形态结构。因为酸可以将一部分水化产物溶解，但不能溶解聚合物，经过稀酸腐蚀的试样能够更好地显露聚合物的形态结构。本试验用1%的稀盐酸腐蚀试样30 s，然后用SEM进行观察，未掺聚合物、掺2%聚合物7016F、掺10%聚合物7016F的RPC扫描电镜照片分别见图4～图6。

图4 未掺聚合物的RPC扫描电镜照片

由图4可见，未经酸处理时，未掺聚合物的RPC表面较粗糙，经酸处理后，产物比较分散，呈颗粒状堆积。

图5 掺2%聚合物7016F的RPC扫描电镜照片

图6 掺10%聚合物7016F的RPC扫描电镜照片

由图5可见，未经酸处理时，掺2%聚合物7016F的RPC表面可以见到许多凝胶状物质，结构非常致密；经酸处理后，聚合物形成了一定厚度的连续膜，而水泥浆体也形成了一定的连续结构。这说明当聚合物的掺量适中时，聚合物在水泥石中形成了1个连续的三维空间网状结构，水泥石也在聚合物空间网孔中形成了连续的网状结构，2个空间网状结构互相穿插，形成了一个特有的整体。正是这样密实的结构，大大提高了RPC的抗折强度。

由图6可见，未经酸处理时，掺10%聚合物7016F的RPC表面也可以见到许多凝胶状物质，但还可看到白色聚合物的渗出；经酸处理后，聚合物在水泥石中形成了一个厚度较厚的连续网状结构，某些区域甚至形成聚合物的膜片和团块，基本上见不到水泥浆体。这说明，当7016F掺量达到10%时，水泥石结构被聚合物网状膜片所分割，形成孤岛状结构，这样的结构对试件的整体承受荷载能力是不利的。

4 结论

（1）随聚合物LL512掺量从0～10%增大，RPC的强度基本呈逐渐降低趋势；随聚合物7016F、LL7200、LL7250掺量从0～10%增大，RPC的强度先提高后降低。综合考虑抗折和抗压强度，在本试验条件下，聚合物7016F、LL512、LL7200最佳掺量均为2%，聚合物LL7250最佳掺量为5%。在此最佳掺量附近，聚合物改性RPC有较好的力学性能。

（2）掺入适宜的聚合物可提高RPC材料的抗折强度、降低压折比、改善材料的韧性。对于聚合物7016F、LL7200、LL7250，其掺量对压折比的影响规律大致相似，在10%掺量范围内，随着聚合物掺量的增加，压折比趋于降低，RPC的韧性越来越好。

（3）SEM分析表明，聚合物在水泥石中形成了1个连续的三维空间网状结构，水泥石也在聚合物空间网孔中形成了连续的网状结构，2个空间网状结构互相穿插，形成了一个特有的整体，大大提高了RPC的抗折强度。

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Study on the modification of reactive powder concrete（RPC）with polymer and its mechanism

LIN Dong1，ZHAN Guoliang2，SHEN Yunze2，LIU Guansheng2，TAO Rencheng2，YE Menkang2，WEN Ziyun1，YIN Suhong1
（1.College of Materials Science and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；
2.China Tunnel Construction Company Limited，Guangzhou 510620，China）

This paper studied the modification of RPC with polymer.The results indicated that the strength of RPC first increased and then decreased with the increase of polymer dosage，existing an optimum dosage range.The results also showed that suitable polymers could improve the strength of RPC at proper dosages.The toughness test indicated that incorporating polymers raised the flexural strength/compressive strength ratio of materials，thus increasing toughness of materials.SEM examinations showed that the polymer formed a continuous three-dimensional network structure in the cement paste，the cement paste also interspersed in space mesh of the polymer and formed a continuous network structure，and the two spatial network structure interspersed with each other to form a unique whole.

reactive powder concrete，polymer，modification，microstructure，mechanism

TU528.31

A

1001-702X（2016）11-0020-03

中国博士后科学基金面上项目（20100480742）

2016-03-15；

2016-04-08

林东，男，1972年生，广东陆丰人，博士后。