活性粉末混凝土耐碱性能的试验研究

陶仁成（广州华隧威预制件有限公司）

活性粉末混凝土耐碱性能的试验研究

陶仁成
（广州华隧威预制件有限公司）

本文对活性粉末混凝土耐碱性能进行了试验研究，通过对力学性能和微观测试，发现随着龄期的增长，RPC材料的强度不断降低，聚合物改性的RPC材料的强度则是先升高后降低，但降低的幅度要小于未改性的RPC材料，聚合物可以改善RPC材料的耐碱性能。

活性粉末；混凝土；耐碱性能

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，以下简称RPC）是由世界最大的营造公司之一法国布伊格（Bouygues）公司以Pierre Richard为首的研究小组在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［1-2］。RPC的抗压强度高达200～800MPa，抗折强度为25～150 MPa，断裂能可以达到40000J/m2，是普通混凝土的300倍，具有广泛的应用前景［3-4］。

由于RPC具有优良的力学性能和耐久性能，因此经常被应用于一些极端的恶劣环境中，包括酸性环境和碱性环境，为此对RPC材料的耐酸碱性能进行研究是非常必要的。本文主要对RPC材料的耐碱性能进行了试验研究。

1　原材料及试验方法

1.1原材料

水泥采用华润水泥公司广西平南厂生产的P042.5水泥，其化学成分及物理性能见表1。硅灰选用挪威埃肯硅灰，Si02含量大于95%，比表面积介于18000～22000m2/kg（采用氮吸附法即BET法测定）。石英砂粒径范围为0.25～0.65mm，密度2.59g/cm3。高效减水剂为BASF公司生产的聚羧酸减水剂母液，减水率 30%以上。钢纤维为山东三利牌钢纤维，直径0.2mm，长度13mm。聚合物为德国瓦克公司的7016F可再分散乳胶粉。

表1　水泥化学组成及物理性质

表2　抗侵蚀试件配合比

1.2试验方法

1.2.1试件制作

本试验按照表2的配合比，成型3种水泥基复合材料进行耐碱性试验。普通水泥砂浆试件成型参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检测方法》的规定进行。RPC材料与聚合物改性RPC材料的具体成型步骤如下：先将称量好的硅灰、水泥和石英砂干拌3min；再将称好高效减水剂和聚合物溶入水中加入，同时均匀加入钢纤维，搅拌3min；搅拌完毕后，装模。本试验采用40mm× 40mm×160mm试模，装模时分两层装，装完第一层后在水泥胶砂振动台上振动120次后装第二层，全部装完后再在水泥胶砂振动台上振动120次刮平成型。

每种配合比试件都成型足够的试件。普通水泥砂浆（C系列）试件成型后都放入标准养护箱中进行标准养护，28天后取出一组，在表干状态下测定抗压、抗折强度值作为基准值，其余试件放在0.1mol/L Na0H溶液中浸泡，浸泡龄期分别为28d、60d以及90d，到龄期后在表干状态下测得此时的抗压、抗折强度值；RPC材料（R系列）与聚合物改性RPC材料（P系列）试件成型后，带模放入标准养护箱中标准养护1天，拆模后，RPC材料放入养护箱中80℃蒸汽养护2天，然后各取一组在表干状态下测得此时的抗压、抗折强度值作为基准值，之后其余试件放在0.1mol/L Na0H溶液中浸泡，浸泡龄期分别为28d、60d以及90d，到龄期后取出在表干状态下测定抗压、抗折强度值。然后用式（1）计算其在不同龄期时的抗蚀系数。

式中：

k——抗蚀系数；

R浸泡——试体在腐蚀溶液中浸泡一定龄期后的抗折强度，MPa；

R基准——试体在放入腐蚀溶液前的抗折强度，MPa。

1.2.2力学性能试验

对到达龄期的试件，取出试件表干之后进行强度测试。强度测试按照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检测方法》的规定进行。

1.2.3微观测试

采用荷兰FEI公司的Quanta 200型环境扫描电子显微镜对RPC试样的微观结构进行分析。用于微观测试的试样均为在RPC强度试验的破坏试件上制取，烘干后浸没在无水酒精中，以终止水化反应。

2　试验结果与讨论

图1为不同试件浸泡在0.1mol/L Na0H溶液中各龄期的抗蚀系数（抗折强度）。通过图1，可以看出长期浸泡在0.1mol/L Na0H溶液中的普通水泥砂浆，其抗折强度随着龄期的增加不但没有降低，反而有了不同程度的增加。其原因是，水泥基复合材料中的Si02等活性物质在养护过程中并没有完全发挥出其活性，在碱性环境下0H-通过孔隙渗透到基表层，因为接触面积的不断增大而进一步的激发了其活性，因此强度增长［5］。

而对于RPC水泥基材料，在0.1mol/L Na0H溶液浸泡下，其抗折强度随着龄期的增加降低，其28d抗蚀系数为90.3%，60d抗蚀系数为93.9%，90d时的抗蚀系数为79.4%。而对于聚合物改性RPC，在0.1mol/L Na0H溶液浸泡下，其抗折强度随着龄期的增加，出现先升高后降低的规律，但降低的幅度要小于RPC水泥基材料，这表明聚合物改性RPC较之RPC材料，具备更优异的抗碱性侵蚀能力。

图1不同试件浸0.1mol/L NaOH在不同龄期时的抗蚀系数

图2、图3和图4分别是普通水泥试件、RPC试件和聚合物改性RPC试件浸0.1mol/L Na0H溶液90d的SEM图。从图2可见，普通水泥试件浸0.1mol/L Na0H溶液90d后的水化产物主要还是团簇状的水化硅酸钙，只是在数量上显得更多，但结构仍较为疏松。由图3可见，浸0.1mol/L Na0H溶液90d的RPC试件，出现了较大的沟豁，应该是在碱溶液侵蚀下，硬化水泥浆的水化产物被溶析之后形成的。图4显示，浸0.1mol/L Na0H溶液90d的RPC试件，在碱的作用下，增加了水化速度，生成了大量的水化产物，使得结构更为致密，同时出现了多处从集料的界面向集料内部延伸的裂缝，是由碱硅反应产生的。

含碱溶液的侵蚀主要包括化学反应和物理析晶两方面的作用。化学侵蚀是碱溶液与硬化水泥浆组份之间产生的化学反应，生成胶结能力弱、易为碱液溶析的产物，例如：

而结晶侵蚀则是因碱液渗入浆体孔隙，然后蒸发呈结晶析出，产生结晶压力所引起的涨裂现象。如Na0H渗入后，再在空气中二氧化碳作用下形成含大量结晶水的碳酸钠Na2C03·10H20，在结晶时也会造成混凝土结构的涨裂［6］。

另外，还可以用碱硅酸反应（ASR）来解释水泥基材料处于强碱性环境下的劣化机理。早在80年代文梓芸就利用无定形硅胶模拟碱硅酸反应（ASR）过程，提出了著名的“最劣点”化学规律，即0H-离子腐蚀造成Si02溶解，在液相中硅酸根再缩聚成聚合态的溶胶，这些溶胶的组成随系统原始组成不同而变化，从而产生最劣点，这些硅酸碱凝胶才是ASR膨胀破坏的主体［7］。

对于普通水泥砂浆，因为水灰比较大，形成的结构较为疏松，孔隙较多，有足够的空间容纳更多的水化产物，当发生碱硅酸反应时，不会因为材料的内应膨胀而产生微裂纹，相反，硅酸碱凝胶膨胀反而会使材料更加密实，强度更高。而对于RPC而言，由于水灰比很低，RPC的结构非常密实，无法容纳因碱硅酸反应而引起的膨胀量，从而导致结构的开裂破坏。由图1可以看出，在碱环境下聚合物改性RPC的抗折强度发展与未改性的RPC不同，开始时随浸水时间的延长抗折强度增加，到达一个峰值后，其抗折强度就随浸水时间的延长而有所下降。出现这种情况的原因，主要是因为聚合物在水泥基材料中的成膜作用［8］。聚合物所形成的聚合物膜是一种柔性物质，为硅酸碱凝胶膨胀提供了一定的缓冲空间，在吸收了硅酸碱凝胶膨胀的内应力的同时，还使水泥基材料的密实度得到了提高。但是，聚合物膜提供的缓冲空间毕竟是有限的，当碱硅酸反应产生的膨胀超过一定限度后，仍然会造成水泥基材料结构损伤，导致强度下降。

图2　普通水泥试件浸0.1mol/L NaOH 90d的SEM图

图3　RPC试件浸0.1mol/L NaOH 90d的SEM图

图4　聚合物改性RPC试件浸0.1mol/L NaOH 90d的SEM图

3　结论

RPC材料耐碱试验研究表明，随着龄期的增长，RPC材料的强度不断降低，聚合物改性的RPC材料的强度则是先升高后降低，但降低的幅度要小于未改性的RPC材料。因此，掺入聚合物可以改善RPC材料的耐碱性能。●

［1］Richard P.Reactive powder concrete：a new ultra-high-strength cementitious materials［A］.The 4th InternationalSymposiumonUtilizationofHigh Strength/HighPerformanceConcrete［C］，Paris，1996. 1343-1349.

［2］Richard P，Cheyrezy M.Composition of reactive powder concrete［J］.Cement Concrete Research，1995，25（7）：1501-1511.

［3］Bonneau 0，Lachemi M，Dallaire E.Mechanical properties and durability of two industrial reactive powder concretes［J］.ACI Mater J，1997，94（4）：286-290.

［4］Dugat J，Roux N，Bernier G.Mechanical properties of reactive powder concrete［J］.Mater Structure，1996，29（4）：233-240.

［5］Taylor H F W.Cement Chemistry［M］.New York：Academic Press，1990：351-354.

［6］段瑜芳.碱激发煤矸石胶凝材料及水化机理的研究 ［D］.上海：同济大学材料科学与工程学院，2007.

［7］文梓芸，钱春香，等.混凝土工程与技术［M］.武汉：武汉理工大学出版社，2004.

［8］钟世云，袁华.聚合物在混凝土中的应用［M］.北京：化学工业出版社，2003.