常温活性粉末混凝土性能及其应用

作者：孙蓓焦楚杰

单位：广州大学土木工程学院

摘要：针对目前活性粉末混凝土高温蒸养的弊端, 提出常温活性粉末混凝土的配合比, 对其强度、韧性、抗爆以及抗高温等性能进行了研究, 并将该技术应用于水渠闸门。结果表明, 常温RPCV2 (钢纤维体积率为2%) 强度高于常温RPCV0 (不掺加钢纤维) ;RPCV2弯曲韧性指数接近理想弹塑性体值, 破坏冲击耗能为RPCV0的24倍;RPCV2板迎爆面和背爆面上出现爆坑、无振塌, RPCV0板出现大面积振塌;RPCV2瞬间高温后不发生爆裂, RPCV0发生显著爆裂, 试件散碎;常温活性粉末混凝土在水渠闸门上的应用, 整体效果较理想。

关键词：混凝土活性粉末性能应用

0 引言

　　随着科学技术的飞速发展, 高技术武器如可钻透6m厚钢筋水泥工事或30m厚普通地面^[1]的GBU-28钻地弹等的问世, 给我国国防工程带来巨大挑战, 如何防御高技术武器成为防护工程体系刻不容缓的高难度课题。同时, 随着我国经济的迅猛发展, 高层化、大跨化、重载化及结构轻量化成为今后建筑的主要发展方向, 这将引导我国混凝土建筑结构材料向性能优异的方向发展。

　　目前活性粉末混凝土 (RPC) 是性能优异、应用前景良好的新型超高强混凝土。RPC是由法国Bouygues公司于20世纪90年代开发出的一种新型水泥基复合材料, 它由高细度微粉、钢纤维和外加剂组合, 采用高温蒸汽养护 (简称高温蒸养) 制备而成^[2,3]。自RPC问世以来, 国内外学者便开展了广泛研究^{[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17]}。

　　随着RPC的广泛研究及应用, 其高温蒸养的弊端越来越显著地暴露出来。高温蒸养设备、预制构件及其生产设备、运输费用等高昂的成本、冗长的生产周期、预制构件尺寸和形状受限等, 都限制了RPC的推广应用。为此, 本文提出常温RPC的配合比, 对其强度、韧性、抗爆以及抗高温等性能进行研究, 并将该技术应用于水渠闸门上, 为RPC在更广泛的工程中应用提供数据依据。

1 试验材料及方法

1.1 原材料

　　水泥选用密度3.15g/cm³的P·O52.5R型普通硅酸盐水泥;高强掺和料选用密度2.23g/cm³的复配掺和料;硅砂选用密度2.65g/cm³、粒径分布范围40～200目的乳白色石英砂;骨料选用密度2.71g/cm³、细度模数2.4的石英质河砂;钢纤维选用密度7.80g/cm³、长度15mm、直径0.22mm、抗压强度2 850MPa的平直形镀铜钢纤维;有机纤维选用密度0.91g/cm³、长度12mm、当量直径26.13μm、断裂强度688MPa、断裂伸长率37.8%的束状单丝形聚丙烯纤维 (简称PP纤维) 。减水剂选用固含量24%的聚羧酸高效减水剂。

1.2 试验方法

1.2.1 混凝土试件制备方法

　　试件按表1称量原材料, 除钢纤维外的固体材料倒入混凝土搅拌机, 混合45s后, 加入混合均匀的水和减水剂搅拌至拌合物有显著流动性时, 缓慢加入钢纤维, 总搅拌时间6min为宜。搅拌好后分2层装入规定尺寸试模, 振动成型, 脱模、标准水养。养护至28d取出试件擦干后进行相应的试验研究。其中, 高温试验试件养护至龄期后, 取出放置于温度 (20±2) ℃、湿度 (60±5) %的干养室养护14d, 其中一组进行高温试验, 测定高温后强度, 另一组进行高温前强度对比。

　　 表1 常温RPC基本配合比 导出到EXCEL

　　 Table 1 Mix proportions of RPC with standard curing

种类	水胶比	硅砂/ 胶材	高强掺和料 /胶材	骨料/ %	钢纤维/ %	PP 纤维/%	消泡剂/‰
RPCV₂	0.18	0.61	0.20	10	2.0	0.20	0.15
RPCV₀	0.18	0.61	0.20	10	0.0	0.0	0.15

　　常温RPC性能研究中, 高温爆裂性能和抗爆试验分别采用40mm×40mm×160mm和600mm×600mm×70mm混凝土试件, 其他均采用标准混凝土试件。

1.2.2 试验方法

　　试验方法:①混凝土试件强度测试按照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行;②弯曲和冲击韧性参照CECS13∶2009《纤维混凝土试验方法标准》进行;③抗高温爆裂试验将试件放入1 000 ℃恒温的马弗炉内10 min, 后取出降至室温, 待测;④抗爆炸性能将高能量TNT置于测试板材表面中央, 采用电雷管起爆, 模拟爆破弹一次直接命中并在遮掩体表面接触爆炸时产生的破坏。TNT装药量为200g, 对常温RPCV₀ 和 RPCV₂板进行爆炸试验, 观察试件迎爆面和背爆面爆坑的破坏特征, 测量开坑大小、裂缝数量。

2 结果与讨论

2.1 强度

　　由表2可以看出, RPCV₂抗压、抗折、劈裂抗拉强度和静力受压弹性模量性能均高于RPCV₀, 其中RPCV₂抗压强度较RPCV₀提高了24.96%, 抗折强度和劈裂抗拉强度分别提高了59.22%和53.10%。

　　 表2 常温RPCV₀和RPCV₂力学性能测试结果 导出到EXCEL

　　 Table 2 Test results of mechanical property of RPCV₀and RPCV₂with standard curing MPa

性能	RPCV₀	RPCV₂
抗压强度	105.8	141.0
抗折强度	10.3	16.4
劈裂抗拉强度	5.91	12.60
静力受压弹性模量	4.60×10⁴	4.82×10⁴

　　常温RPC的强度均较高, 究其原因, 一方面, 高强掺和料的掺加使RPC内部C/S值发生改变, 从而改变了Ⅰ型C-S-H的形貌及生成量, 利于常温条件下RPC抗压强度的提高;另一方面, 以硅灰为主要成分的高强掺和料, 其火山灰效应、微集料效应、紧密堆积与填充效应改善了水泥石与水泥石-骨料界面结构, 改善了水泥石与水泥石-骨料界面结构, 整体致密性增高。另外, 硬度较高的钢纤维与水泥石黏结较好, 利于混凝土强度发展。

　　常温RPCV₂抗压强度等均高于常温RPCV₀, 其原因在于钢纤维的阻裂效应。钢纤维的掺加减少了水泥石内裂缝源的数量和尺寸, 降低了裂缝尖端的应力强度因子, 使集中的应力得以均匀地分散;并在受压过程中, 对裂缝的发展和水泥石的收缩起到约束和限制作用, 利于RPCV₂强度提高。

　　劈裂抗拉强度和抗折强度的增幅均大于抗压强度, 其根本原因在于钢纤维增强效应的发挥时间。试件所受应变超过脆性基体的最大应变时, 即试件受力达到抗压强度后, 裂缝扩散到水泥石中, 钢纤维的增强作用才充分得到发挥, 此时劈裂抗拉强度和抗折强度仍能保持继续上升的趋势。

2.2 韧性

2.2.1 弯曲韧性和初裂强度

　　图1和表3所示为常温RPCV₀和RPCV₂的弯曲韧性测定结果。从图1可以很直观地看出钢纤维对基体混凝土的增韧效果。常温RPCV₂荷载-挠度曲线中, 随着挠度的增加, 荷载首先呈快速直线上升趋势, 达到极限荷载, 荷载缓慢降低, 对应荷载-挠度曲线具有显著的饱满度, 而常温RPCV₀则呈先快速直线上升至最高点后急剧直线下降的趋势;且常温RPCV₂初裂荷载、峰值荷载、初裂挠度和峰值挠度均显著高于常温RPCV₀。结合表3, 常温RPCV₂弯曲韧度指数和初裂强度均显著高于常温RPCV₀, 其中常温RPCV₀弯曲韧度指数均为1, 处于弹性体状态, 而常温RPCV₂弯曲韧度指数达到或接近理想弹塑性体值, 说明掺加钢纤维对混凝土韧性有显著改善。

　　 图1 常温RPCV₀和RPCV₂的弯曲韧性曲线 (龄期28d) 下载原图

　　 Fig.1 Bending toughness of RPCV₀and RPCV₂with standard curing (age with 28d)

　　 表3 常温RPCV₀和RPCV₂弯曲韧性测定结果 导出到EXCEL

　　 Table 3 Bending toughness of RPCV₀and RPCV₂with standard curing

种类	弯曲韧性指数			初裂强度/ MPa
种类	I₅	I₁₀	I₂₀	初裂强度/ MPa
RPCV₂	5.2	10.4	18.4	17.3
RPCV₀	1.0	1.0	1.0	8.2

　　常温RPCV₂较常温RPCV₀韧性优异, 究其原因, 可结合多缝开裂理论^[18]说明:试件开裂后, 钢纤维将承担全部荷载, 并有可能产生多缝开裂状态, 在这一阶段, 常温RPCV₂试件内部的裂缝间距较常温RPCV₀变小, 数量增多, 裂宽细化, 显著提高了试件韧性;并随着钢纤维掺量的增加, 裂缝间距和宽度减小, 数量增多, 增韧效果显著。

2.2.2 冲击韧性

　　表4为常温RPCV₀和RPCV₂试件冲击性能的测试结果, 图2为2种RPC试件表观破坏现象。由图2和表4可以看出, 常温RPCV₀试件经5次冲击后, 试件开始出现裂缝, 并立刻分裂成3块, 瞬时失去整体性, 冲击部位较平整, 没有显著深坑。而常温RPCV₂由于掺有钢纤维, 其初裂冲击次数显著增至25次, 且出现的第1条裂缝非常细小, 当达到190次的破坏冲击次数时, 试件冲击面上出现一条显著裂缝, 由于钢纤维的“桥接”作用, 试件保持整体性, 破坏处钢纤维部分被拉出, 冲击部位有显著的深坑。这说明掺加钢纤维后, RPC的抗冲击性能较不掺钢纤维的RPC显著提高。

　　 表4 常温RPCV₀和RPCV₂冲击性能测试结果 导出到EXCEL

　　 Table 4 Impact test results of RPCV₀and RPCV₂with standard curing

种类	初裂冲击次数N₁	破坏冲击次数N₂	N₂/N₁	初裂冲击耗能/kJ	破坏冲击耗能/kJ
RPCV₂	25	190	7.60	0.99	7.55
RPCV₀	5	8	1.60	0.20	0.32

　　 图2 常温RPCV₀和RPCV₂表观破坏现象 下载原图

　　 Fig.2 Apparent damage of RPCV₀and RPCV₂with standard curing

2.3 抗爆性能

　　图3为常温RPCV₀和RPCV₂板的抗爆试验对比结果。由图3看出, 常温RPCV₀板尽管加有钢筋, 但依旧出现崩溃式破坏, 大块面积完全震塌, 裂缝12条。常温RPCV₂板试爆后板材表面有脱落, 但没形成贯穿孔洞, 迎爆面形成一个180mm×280mm×30mm爆坑, 10条微细裂缝, 背爆面形成120mm×100mm×10mm孔洞, 10条微细裂缝。由此可见, 钢纤维的掺入利于RPC板的抗爆性能提高。究其原因, 是由于钢纤维的增韧阻裂作用显著增加了RPC板自身的抗拉强度, 对爆炸冲击破坏起到较强的缓冲和抵抗作用。

　　 图3 常温RPCV₀和RPCV₂板破坏 下载原图

　　 Fig.3 Destruction of RPCV₀and RPCV₂plates with standard curing

2.4 抗高温爆裂性能

　　表5为常温RPCV₀和RPCV₂在瞬间高温下爆裂性能的测定结果。由表5看出, 常温RPCV₂瞬间高温前抗压强度较高;高温下不发生爆裂;高温后, 抗压强度残余率高达97%。而常温RPCV₀发生显著高温爆裂, 试件散碎。这是由于在高温作用下, 常温RPCV₂中掺加的PP纤维发生高温熔融, 在基体中形成大量的管状孔道, 为水蒸气提供了向外逸出的通道;另外, 具有较好热传导性能的钢纤维能较快地使RPCV₂内外温度达到一致, 缓解了高温劣化性能, 阻止了混凝土防御设施的高温爆裂现象。

　　 表5 常温RPCV₀和RPCV₂的抗高温爆裂性能 导出到EXCEL

　　 Table 5 Spalling damage of RPCV₀and RPCV₂with standard curing

性能	RPCV₂	RPCV₀
瞬间高温过程现象	无声响	爆裂, 试件散碎
目测等级	轻微	崩溃
质量减少率/%	7.86	—
瞬间高温前抗压强度/MPa	204.8	150.3
抗压强度残余率/%	97	—

3 常温RPC技术应用

　　传统用于水渠分叉口的闸门多为钢、铁制材料闸门, 但在实际使用过程中, 钢、铁制闸门重而厚, 搬运困难, 且长期浸水容易锈蚀, 总体使用寿命较短, 同时钢、铁制闸门被盗的现象也时有发生。为此, 将常温RPCV₂技术应用到水渠闸门上, 根据水渠闸门的实际尺寸要求, 利用常温RPCV₂制作成厚度为15mm的混凝土质水渠闸门, 如图4所示。

　　 图4 工程应用 下载原图

　　 Fig.4 The engineering application

　　由图4b常温RPCV₂制作的闸门实体来看, 制品表面光滑平整, 略有少量微小气泡, 整体效果较理想。常温RPCV₂质水渠闸门具有防止被盗、闸门轻便、搬运容易等特点;且常温RPCV₂的超强度、高耐磨、高韧性等优点, 可以保证RPC水渠闸门的使用寿命。

　　自从RPC问世以来, 国际上就掀起了对 RPC研究与应用的热潮, 高流动度、常温标准养护RPC的提出, 不但解决了高成本和高温蒸养等弊端对RPC的显著影响, 而且避免了构件预制的困扰, 这必将大大推动RPC在军事国防设施、核电、石油、市政、海洋等工程以及民用建筑工程方面的推广应用, 更好地为我国现代化建设服务。

4 结语

　　 1) 常温RPCV₂抗压、抗折、劈裂抗拉强度和静力受压弹性模量等性能均高于常温RPCV₀。其根本原因在于钢纤维的掺加减少了原生态裂缝的数量和尺寸, 其阻裂作用限制了裂缝发展。劈裂抗拉强度和抗折强度的增幅均大于抗压强度, 其根本原因在于钢纤维增强效应的发生在试件达到抗压强度之后。

　　 2) 常温RPCV₂弯曲韧性和冲击韧性均优于常温RPCV₀。其中, 常温RPCV₂弯曲韧性指数比常温RPCV₀提高了5.2, 10.4, 18.4倍, 初裂强度比常温RPCV₀提高了110.98%;破坏初裂比、初裂冲击耗能和破坏冲击耗能分别为常温RPCV₀的4.75, 4.95, 23.59倍。其原因是钢纤维在受力过程中承担了全部荷载, 并将单缝开裂转化为多缝开裂。

　　 3) 爆炸作用下, 常温RPCV₂板的破坏程度显著低于常温RPCV₀板, RPCV₂板迎爆面和背爆面上出现爆坑, 无震塌, 裂缝细小, RPCV₀板出现大面积震塌, 裂缝粗大, 说明了掺加钢纤维利于RPC抗爆性能的提高。这主要是由于钢纤维的增韧阻裂作用提高了RPC的抗拉强度, 增强了RPC板的塑性变形能力。

　　 4) 常温RPCV₂瞬间高温后不发生爆裂, 这是由于PP纤维高温熔融为水蒸气提供了向外逸出的通道, 以及钢纤维较好的热传导性能使混凝土在短时间内内外温度达到一致, 两者共同作用的结果。

　　 5) 将常温RPC技术在水渠闸门上进行应用, 解决了传统水渠闸门易生锈、不易搬运、易盗等难题, 整体效果较为理想。

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