养护制度对活性粉末混凝土承载力的影响研究

*吴欣珂，金凌志

（1.南昌铁路勘测设计院有限责任公司，江西，南昌 330000；2.桂林理工大学广西建筑新能源与节能重点实验室，广西，桂林 541004）

0 前言

活性粉末混凝土（reactive powder concrete ,RPC）是一种新型超高强度、高韧性、耐久性优异的新型混凝土，具有广泛的应用前景[1]。目前，国内外对RPC 材料常温下的力学性能、耐久性、抗裂性和微观结构等进行了大量的试验研究[2-3]。

我国关于养护温度对RPC 承载力影响的研究主要集中在高校和科研机构[4-8]，如中国建筑材料科学研究院、东南大学、哈尔滨工业大学、燕山大学、海南大学等。这些研究机构对RPC 的制备工艺、性能表征、结构应用等方面进行了广泛研究，并致力于通过优化养护温度等工艺参数来提高RPC 的承载力和耐久性。还有一些学者和工程师也对养护温度对RPC 承载力的影响进行了研究。例如，有学者通过实验研究了高温养护对RPC 力学性能的影响，发现高温养护可以显著提高RPC的抗压强度，但一定程度上降低了抗折强度。也有学者通过微观结构和机理分析，探讨了高温养护过程中水泥基体中硅酸盐聚合度提高、部分水化硅酸钙转变成了硬硅钙石等微观结构变化对RPC 承载力的影响。本实验通过研究不同养护制度下活性粉末混凝土试块和构件的性能变化，探索养护制度对活性粉末混凝土承载力的影响机制，为优化养护制度提供理论依据。

目前，高温养护后RPC 材料的力学性能与微观结构的研究结论较少[9-12]。不同养护制度对RPC强度有一定影响，热养护可降低混凝土的孔隙率和优化性能。

有关养护条件对RPC 影响的研究基本聚焦在强度及水化产物上，而养护龄期对RPC 强度及微观结构变化的研究仍有待完善。本试验研究分析了RPC 经历不同高温养护后，观测其外貌特征、立方体抗压强度、棱柱体抗折强度和试验梁承载力大小，通过扫描电镜分析，得出RPC 内部微观结构会随着温度变化而变化，并分析了RPC 宏观力学性能与微观结构变化之间的关系。

1 试验方案

1.1 试件配合比[13]

表1 RPC 试验配合比Table 1 Mix of RPC

1.2 试件设计

试验制作15 个立方体试块（100 mm×100 mm×100 mm）用于测定抗压强度，15 个棱柱体试块（100 mm×100 mm×400 mm）用于测定抗折强度等基本力学性能参数，3 个为一组，取其平均值。同时还制作了2 根RPC 梁长均为2000 mm，计算跨度为1800 mm，截面尺寸为150 mm×250 mm。梁几何尺寸及配筋参数，详见图1 和表2。

图1 钢筋RPC 配筋图Fig.1 Reinforcement of reinforced RPC beams

表2 试件配筋参数Table 2 Specimen reinforcement parameter

1.3 搅拌及养护

首先按照各种材料的配合比依次称量，将水泥、石英砂、硅粉、硅微粉、石英粉、小组分倒入强制式搅拌机，干拌3 min；然后缓慢倒入称量好的水，湿拌6 min；再均匀撒入钢纤维继续搅拌直至钢纤维完全均匀；将拌合物浇入试模内，振捣密实，使浆体充分填充模具。

养护方法分为5 种：常温养护；45℃热水养护；90℃热水养护；180℃热水养护；180℃非恒温养护。养护方案见表3。

表3 试件的养护方案Table 3 Curing systems of test specimens

2 试验结果

2.1 RPC 试块表面特征和质量损失

经过高温养护的试块和试验梁与常温养护的试块和试验梁的颜色略有不同，养护温度越高，颜色越深，但差别不大，基本为青灰色。图2 为不同温度养护条件下的RPC 质量平均损失率β。

图2 不同温度养护条件下RPC 质量平均损失率Fig.2 The average loss rate of the different temperature curing conditions RPC quality

如图2 所示，当试件养护温度在[常温～180℃]区间内，RPC 材料质量损失随着温度升高而逐渐变大，最大质量损失率为1.89%，质量平均损失曲线图基本呈线性。非恒温养护的试件比恒温养护试件的质量损失略小，RPC 材料质量损失主要源于RPC 内部孔隙毛细水的“蒸发”，非恒温养护的试件二次水化反应时间不充分，“蒸发”时间短于恒温养护试件。

2.2 不同养护制度下试块强度对比

图3 为不同养护条件下RPC 立方体抗压强度随温度的变化规律和RPC 棱柱体抗折强度随温度的变化规律，RPC 抗压、抗折强度均随温度的升高而逐渐增大。

图3 不同养护制度下RPC 强度对比Fig.3 RPC intensity contrast different conservation regimes

根据图3 可知，当试件养护温度在[常温～180℃]区间内，RPC 立方体抗压强度和RPC 棱柱体抗折强度随温度升高而逐渐增大。常温养护的RPC 抗压、抗折强度相对于高温养护RPC 抗压、抗折强度较小，主要是常温养护的RPC 表面失水较快，RPC 内部没有足够的水参与水化反应，从而导致水化反应不充分。

高温养护环境下，RPC 的水化产物在短期内迅速增加至峰值并逐渐趋于稳定，RPC 的长期强度几乎不会再明显增长，因而会产生倒缩。因此，高温养护对RPC 力学性能的影响是至关重要的，养护不好会使RPC 的力学性能劣化，甚至使混凝土的外表面产生疏松、裂纹等缺陷和损伤，从而影响实际工程应用的质量和美观。

2.3 不同养护制度下试验梁承载力对比

2.3.1 试验现象

（1）L-1

试验梁加载至87.3 kN 时，梁正截面纯弯段出现第一条裂缝，裂缝宽度较小，同时背面也出现一条裂缝，裂缝高50 mm。随着荷载加大，梁纯弯段裂缝逐渐增多，跨中主裂缝发展缓慢，此时裂缝发展还处于稳定期。加载至220 kN 时，主裂缝变宽、变高。加载至345 kN 时，可以清晰地听到钢纤维从RPC 中拔出发出的“啪啪”响声。当加载至401 kN 时，裂缝最大宽度2.4 mm，受压区RPC 被压碎，此时试验梁宣告破坏。

（1）L-2

试验梁加载至93.8 kN 时，梁正截面纯弯段出现第一条裂缝，裂缝宽度较小，同时背面也出现一条裂缝，裂缝高48 mm。随着荷载加大，梁纯弯段裂缝逐渐增多，跨中主裂缝发展缓慢，此时裂缝发展还处于稳定期。加载至230 kN 时，主裂缝变宽、变高。加载至365 kN 时，可以清晰地听到钢纤维从RPC 中拔出发出的“啪啪”响声。当加载至411.6 kN 时，裂缝最大宽度2.3 mm，受压区RPC 被压碎，此时试验梁宣告破坏。

从图4 可知，在相同荷载作用下，L-2 比L-1的裂缝宽度稍微窄一些，但整体裂缝发展及走势都与L1 相近，可见高温养护对承载力影响较为明显，对裂缝走势影响较小。

图4 试验梁裂缝分布图Fig.4 Test beam cracks maps

2.3.2 开裂弯矩与极限弯矩

L-1 与L-2 均采用三分点加载，通过荷载传感器测得其开裂弯矩和极限弯矩，结果详见表4。

表4 开裂弯矩和极限弯矩实测值Table 4 Cracking moment and ultimate moment measured

L-1 与L-2 在相同参量下改变养护条件，从表4可以看出L-2 的抗弯承载力比L-1 略高，因为L-2在高温养护条件下，促进了RPC 二次水化反应，生成了更多C-S-H 凝胶填充了RPC 内部孔洞，使得强度得到增长。根据观测图5 可知，L-1 和L-2 弯矩与钢筋平均应力关系图走势基本接近，但L-1 较L-2 受拉区钢筋平均应力稍大，进步一佐证了当温度介于常温至180℃范围内，温度越高，RPC 强度越高，从而提高试验梁的抗弯承载力，结果见图5。

图5 弯矩与钢筋平均应力关系Fig.5 The moment reinforced average stress relationship

3 微观结构分析

通过对RPC 试样采用扫描电镜进行微观结构分析，得到RPC 在不同养护制度下宏观行为的微观解释。所有扫描电镜试验样品均在养护制度试验的破坏试件中用锤子敲碎，用镊子夹取浸入无水酒精中，对试样“喷金”后进行电镜扫描观察。

3.1 不同养护制度下RPC 基体微观结构形态

图6 为常温、45、90、180℃恒温和180℃非恒温养护后的RPC 基体的扫描电镜照片结果。

图6 不同养护制度作用后RPC 基体扫描电镜结果Fig.6 The role of different conservation regimes the RPC matrix scanning electron micrograph

由图6 可知，养护温度越高，RPC 抗压、抗折强度越高，主要是由于在高温条件下，硅灰中的活性二氧化硅与水泥化合物Ca(OH)2发生火山灰反应，而且温度越高，反应越剧烈，促进了二次水化反应，相当于消耗了更多对强度不利的水泥化合物Ca(OH)2，并生成了更多的硅酸钙水化物C-S-H 凝胶，使得内部结构孔隙被C-S-H 凝胶填充，提高了基体的密实度，优化了RPC 内部微结构，宏观上表现为RPC 抗压、抗折强度较常温养护下的有所提高。非恒温条件下养护的试件较恒温养护的试件无论抗压、抗折强度均略小，主要由于试件二次水化反应时间不充分导致。从图6（e）中可以看出，RPC 基体中仍存在未水化颗粒，由此假定养护温度仍可以提高，使得未水化颗粒和Ca(OH)2进一步充分反应，RPC 强度将进一步加大，最佳养护温度并没有测出，所以有待于今后进一步研究。

3.2 RPC 基体与钢纤维粘结界面分析

RPC 基体中掺入钢纤维可以大大提高RPC 的抗拉强度，但RPC 基体与钢纤维粘结界面处的Ca(OH)2使得RPC 基体内部存在微孔隙，通常引发微裂缝产生，从而形成了薄弱区域。图7 为常温、45、90、180℃恒温和180℃非恒温养护后的RPC 基体与钢纤维粘结界面扫描电镜照片结果。

图7 不同养护制度作用后RPC 基体与钢纤维粘结界面扫描电镜结果Fig.7 RPC matrix and steel fiber bonding interface after different curing system scanning electron micrograph

由图7（e）可以看出，RPC 基体与钢纤维粘结界面开始出现少许裂纹，高温养护会对RPC 基体产生一定损伤，此作用会导致RPC 基体内部产生孔粗化效应，从而导致RPC 基体产生微裂缝。从试验数据可以得出，当温度在[常温～180 ℃]范围内，RPC 强度随温度升高而加大，高温养护作用大于高温损伤作用。图7（a）常温养护作用下可知，RPC 基体与钢纤维粘结界面过渡区密实、平滑，受力时钢纤维逐渐被拔出RPC 基体，此过程中将消耗大量能量，因此RPC 有着极强的抗拉强度和抗裂性能。

4 小结

（1）当试件养护温度在[常温～180℃]区间内，温度升高会加速RPC 内部孔隙毛细水蒸发，因此温度越高，RPC 试件质量损失率越大；RPC 试件表面颜色基本不变，仍为青灰色；（2）当试件养护温度在[常温～180℃]区间内，随着养护温度升高，水泥水化反应加剧，Ca(OH)2逐渐被消耗，产生了更多C-S-H 凝胶，优化了RPC 内部微结构，使得RPC 强度随温度升高而增大，恒温养护比非恒温养护强度略高；（3）相同掺量的试验梁，改变其养护条件，高温养护后的L-2 RPC 基体中Ca(OH)2含量较少，C-S-H 凝胶填充了RPC 基体内部孔隙，使L-2 承载力高于L-1；高温养护对裂缝走势影响较小；（4）高温养护会对RPC 基体产生一定损伤，使得RPC 基体与钢纤维粘结界面开始出现少许裂纹，但随着养护温度增高，RPC 力学性能增强，高温养护作用大于高温损伤作用。