矿物掺合料对活性粉末混凝土强度的影响.pdf

文章 编 号： 1 0 0 7 - 0 4 6 X( 2 0 l 4 ) 0 4 - 0 0 3 5 0 4 ：生 慈建材 矿物掺合料对活性粉末混凝土强度的影响 E f f e c t o f Mi n e r a l Ad mi x t u r e s o n t h e S t r e n g t h o f Co n c r e t e Mi x e d w i t h Ac t i v a t e d P o w d e r 项红梅 ， 刘数华z ， 高志扬z ( 1 随州市公路管理处，湖北随州 4 4 1 3 0 0 ；2 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉4 3 0 0 7 2 ) 摘要 ： 论 述 了活性粉 末混 凝土 的发展 、制 备机 理及性 能 。通过 试验分 析 了硅 灰 、粉 煤 灰 、石灰石粉 、碱 活性 石粉 及玻璃粉等矿物掺合料对活性粉末混凝土强度的影响。研究结果表 明：硅灰具有很 高的活性 ，是制备活性 粉 末混凝 土的 必备 组分 ；粉煤 灰和石 灰石粉 的掺入会 导致 一定 的强度损 失 ，但掺 量较低 时 ，强度 降幅 较 小 ； 碱活性石粉和玻璃粉 因为组分 中含有大量的无定形 S i O，而具有较强的水化活性，对活性粉末混凝土强度 的 贡献 更大 ，掺 量 为 2 0 时强度 最 高。 关键 词 ： 活 性粉 末混 凝 土 ；强度 ；矿物掺 合 料 中图分类号 ：T U4 2 + 3 文献标志码 ：A O 前 言 随着现代科技发展的日 新月异，人们对混凝土技术提 出了更高的要求，增加了组分的细度和反应活性的活性粉 末混凝土 ( R e a c t i v e P o w d e r C o n c r e t e ) 的研究和应用应运 而生。它是在继高强度、高性能混凝土之后，于1 9 9 3 年由 法 B o u y g u e s 公司研制成功的一种超高强、低脆性、耐久 性优异 ，并具有广阔应用前景的新型超高性能混凝土 。 由于活性粉末混凝土具有优异的力学性能及耐久性能， 很快在市政、海洋、国防、水电、桥梁等领域获得广泛应 用并大力推广。加拿大魁北克省谢尔布鲁克市于 1 9 9 7 年 建造了世界上第一座活性粉末混凝土人行桥。该桥跨度 6 0 m，桥面宽 4 2 m。桥面板厚 3 0 mil l ，每隔 1 7 m设置 高7 0 m m的加劲肋。桁架腹杆是直径为 1 5 0 m m、壁厚为 3 m m的不锈钢管、内灌 R P C 2 0 0 。下弦为活性粉末混凝土 双梁，梁高 3 8 0 m m；均按常规混凝土工艺预制。每个预 制段长1 0 m、高3 m，运到现场后用后张预应力拼装而成l 2 1 。 L a f a r g e 公司采用活性粉末混凝土材料在美国爱荷华州建造 了 M a r s H i l l 桥。该桥为单跨桥梁，长 3 0 4 8 m，由3 根梁 承载。由于完全采用活性粉末混凝土材料建造，该桥 2 0 0 6 年获得美国P C I 学会两年一届的 “ 第十届桥梁竞赛奖”， 并被誉为 “ 未来的桥梁”3 1 。 1 活性粉末混凝土的制备原理 活性粉末混凝土是一种超高强度、高韧性、高耐久性、 低孔隙率、体积稳定性良好的水泥基复合材料。其基本制 备原理是f 4 _ 5 1 ：尽量使组成材料均匀，且充分提高其细度和 活性，以极低的水胶比使得材料内部的缺陷 ( 孔隙和微裂 缝 ) 减到最少，从而获得超高强度和高耐久性。根据抗压 强度的不同，活性粉末混凝土可以分为 R P C 2 0 0和 R P C 8 0 0 两个级别 ，抗压强度分别可以达到 2 0 0 M P a 和 8 0 0 M P a 6 。 目前，R P C 2 0 0已在工程中应用，R P C S 0 0 则处在实验室研 制阶段。 相比普通混凝土，活性粉末混凝土所用原材料有所不 同，主要有以下几种：优质水泥；级配良好的石英砂； 硅灰；高效减水剂。对韧性要求较高时，还需要掺入 微细钢纤维。活性粉末混凝土的制备技术主要有： 提高 材料匀质性，减少内部缺陷；优化颗粒级配，提高拌合 物的密实度；凝固后进行热养护 ，改善其微观结构； 基金项 目：国家 自然科学基金项 目 ( 5 1 2 0 8 3 9 1 )：湖北省公路管理局 ( 公路行业)科技项 目 4 2 0 1 4 粉煤灰 3 5 掺加微细钢纤维，增加韧性。 1 1 提高匀质性 混凝土是一种由粗 、细集料及硬化水泥浆组成的多相 材料。从微观上看，混凝土是多相多孔的，集料中含有大 量微裂隙和微孔洞，是典型的非均匀材料。试验研究表明， 对于大多数固体材料，理论强度往往是实测值的千倍以上， 其原因很大程度上就是由于材料内部结构不完善，存在大 量缺陷，界面过渡区应力集中，不能使材料发挥其性能。 为消除由此带来的不利影响，主要通过：除去粒径 1 m m 的粗集料，将所用材料粒径控制在 0 1 1 m m之问来改善 内部结构的匀质性； 改善浆体力学性能，消除集料与砂 浆的界面过渡区。 1 2 增大拌合物堆积密度 经验表明，颗粒堆积过程中是粒径较大的颗粒达到最 密集状态，而后由较小颗粒充实其孑 L 隙而达到次一级的密 集状态，以此类推 ， 从而达到最大密实状态。由此可由以 下措施增大密实度：优化材料颗粒级配，选用相邻两级、 平均粒径差较大，而同级内级配连续的粉末材料，使得颗 粒混合料达到最大密实状态。选用相容性较好的高效减 水剂，改善搅拌条件，调整最佳水胶比， 使浆体在尽量低 的用水量的条件下保持良 好的工作性。在新拌混凝土凝 结前和凝结期间加压。凝结前加压可以有效减少气孑 L 数量 和体积，且模板有一定渗透性时，可使得多余水分从模板 问排出；凝结期间加压可以消除由于材料的化学收缩而引 起的微裂缝。 J 3 改善微观结构 对凝固后的活性粉末混凝土进行热养护可以加速掺合 料火山灰效应的发挥和水泥水化的进程。在养护时间内， 提供的热养护的温度不同，活性粉末混凝土的微观结构和 水化产物的结构形态有所不同。但随着温度的升高，火山 灰效应也相应增强，活性粉末混凝土的微观结构有所改善， 主要表现为孔径 1 0 0 n m的有害孔的体积降低，从而孔 隙得到细化。对于 R P C 2 0 0 ， 进行 2 O 9 O的常压蒸养就 可以了， 但此时形成的水化物仍是无定形的； 对于 R P C 8 0 0 ， 2 5 0 4 0 0 C温度下增压养护使得水化产物 C S H( 水化硅 酸钙) 凝胶大量脱水，形成硬硅钙石结晶。 1 4 增加韧性 未掺加微细钢纤维的活性粉末混凝土呈线弹性，断裂 能低，呈脆性破坏。掺加微细钢纤维后，使得它具有比普 通高强混凝土低得多的压折比，以及与钢材、铝材同一量 级的优异的韧性。 3 6 COAL AS H 4 2 01 4 2 活性粉末混凝土的性能 活性粉末混凝土具有超高的强度_7 _ 。R P C 2 0 0的抗压强 度可达 1 7 0 2 3 0 M P a ，抗折强度可达 3 O 6 0 M P a ；R P C 8 0 0 的抗压强度可达5 0 0 8 0 0 M P a ，抗折强度可达4 5 1 4 0 M P a 。 传统混凝土是准脆性材料，也是其作为结构材料的一 大缺陷。微细钢纤维的掺人大大改善了这一弊病，很大程 度上提高了活性粉末混凝土的韧性：高强混凝土的断裂能 约为 1 4 0 J m 2 ， 而 R P C 2 0 0的断裂能可达 2 0 0 0 0 4 0 0 0 0 J m ， 断裂能提高了两个数量级 。 活性粉末混凝土非常致密，具有极低的孔隙率，且孑 L 结构良好，所以具有很好的抵抗有害物质侵蚀和渗透的能 力，耐久性良好。 在同等承载力条件下，其水泥用量仅为普通混凝土的 4 0 5 0 ，故 C O ， 排放量仅为普通混凝土的 4 0 5 0 ， 大大降低了结构材料制作过程中的碳排放量；对自然资源 中的不可再生的集料的用量 ，活性粉末混凝土材料也只占 高强混凝土和普通混凝土的 1 3 与 1 4 ，且结构性更好。 3 矿物掺合料在活性粉末混凝土中的应用 在矿物掺合料中，硅灰、粉煤灰、石灰石粉、碱活 性石粉及玻璃粉均为可用之材。 3 1 硅 灰 硅灰是硅铁合金和工业硅生产中的副产品。硅灰含 有超过 8 0 的无定形 S i O ， ，平均直径为 0 1 1 1 的极细球 状颗粒组成，比一般硅酸盐水泥颗粒尺寸小两个数量级， 且能表现出良好的胶结性 ， 也是配制活性粉末混凝 土的必 要组分。 图 1 为不同硅灰掺量下活性粉末混凝土强度的测试结 果。由图 1 可知，在水胶比分别为 0 1 4和 O 2 0条件下 ， 随着硅灰掺量的增加，活性粉末混凝土的强度呈先增大后 减小的趋势，硅灰掺量为 1 6 时强度最大。这是由于硅 灰颗粒极其微细，具有较高的火山灰活性，能够反应消耗 水泥水化产物中的 c a ( 0 H ) ， ，生成 C S H凝胶，使得 C a ( O H ) ， 晶体生长受到限制，晶粒细化，且硅灰的水化产 物填充在界面位置，改善孔结构，使得强度大大提高。但 当硅灰掺量超过一定值时，强度出现一定的下降，主要 是因为过多的硅灰使得需水量增大，且有大量的硅灰颗粒 未参与水化。 薹 。 掺 骨 。 。 。 图 3 石灰石粉掺量对活 i 1 她# -j j 末混凝土强度的影响 硅灰掺量 固 u u 】 矽曩 ， 口 小 仳 微 上 丁 王馕 口 J H 图 1 硅灰掺量对活性粉末混凝土强度的影响 3 2 粉煤灰 在活性粉末混凝土制备时，采用水泥一 硅灰一 粉煤灰的 三元胶凝体系，水胶比固定为0 2 0 ，强度测试结果如图 2 所示。由图2 可知，在硅灰掺量分别为 1 2 、1 5 和2 0 条件下，活性粉末混凝土的强度均随粉煤灰掺量的增加而 减小，但当粉煤灰掺量较小时 ( 1 0 )，强度降低幅度较 小。从微观测试分析来看， 尽管粉煤灰中含有活性的A 1 ， 0 、 S i O ， ，能够参与二次水化，但其活性较低，因而对活性粉 末混凝土强度会有不利影响。 0 1 0 2 O 3 O 粉煤灰掺量 图 2 粉煤灰掺量对活性粉末混凝土强度的影响 3 3 石灰石粉 石灰石粉主要指石灰岩经机械加工后小于 0 0 7 5 m m 的微细粒。它是一种容易得到且廉价的材料，集料的加工 过程中也会带来大量石灰石粉，如果不加以利用，不仅要 占用堆放场地，而且会对环境造成污染。试验中石灰石 粉比表面积为 4 7 8 m 2 k g ，在活性粉末混凝土制备时，采 用水泥一 硅灰一 石灰石粉的三元胶凝体系，水胶比固定为 0 2 0 ，强度测试结果如图 3 所示。由图 3 可知，在硅灰掺 量分别为 1 2 、1 5 和 2 0 条件下，活性粉末混凝土的 强度随石灰石粉掺量的增加而呈先增大后减小的趋势，当 石灰石粉掺量为 1 0 时强度最高。 从试验结果来看，石灰石粉似乎比粉煤灰更具有应用 优势。这主要是因为石灰石粉具有良好的 “ 填充效应”， 使得胶凝体系粉体粒度的分布得以优化， 搅拌过程中使得 可填充的孔隙明显减少，堆积密实度进一步提高。但石灰 石粉毕竟是惰性粉料，因而随着石灰石粉掺量进一步增大， 活性粉末混凝土的强度开始下降。 3 4 碱活性石粉 碱活性石粉是具有潜在的碱活性的，但应用在活性粉 末混凝土中，由于颗粒细度较小，采用了含碱量较低的聚 羧酸减水剂，低碱水泥，且其掺入很大程度上降低了水泥 用量，减少了碱的引入，种种因素均降低了碱一 集料反应 发生的可能， 故其在活性粉末混凝土中是有使用的可能的。 试验中采用硅质碱活性石粉，在活性粉末混凝土制 备时，采用水泥一 硅灰一 碱活性石粉的三元胶凝体系，水胶 比固定为 0 2 0 ，强度测试结果如图 4所示 。由图 4可知 ， 在硅灰掺量分别为 1 2 、1 5 和 2 0 条件下，活性粉末 混凝土的强度随碱活性石粉掺量的增加而呈先增大后减小 的趋势，当碱活性石粉掺量为2 0 时强度最高，随后出现 强度大幅下降。 1 7 5 o o 1 7 O 0 0 皇1 6 5 o o 1 6 o o o 营15 5 o o 1 5 o ，o o 1 0 2 O 碱活性石粉掺量 图 4 碱活性石粉掺量对活性粉末混凝土强度的影响 3 5玻璃粉 据资料显示，美国的废弃玻璃占城市垃圾总量的4 一 8 ，其中仅有1 4 左右得到有效回收 8 】 。玻璃的主要成分是 S i O ： 、A 1 ： 0 ， 和 N a 0，磨细后将具备火山灰活性。试验 4 2 0 1 4 粉煤灰 3 7 0 O 0 0 0 0 0 O 0 0 O O 0 O O 0 O 0 O 0 O O 0 O O 0 O O 9 8 7 6 5 4 3 ，1 i i l 巡暇 辖 l 加 I 一 I 1 I I ；， L ， r ， ， L