摘要: 利用砂浆坍落扩展度考察了减水剂掺量、水胶比、粉煤灰替代水泥比例、硅灰替代石英粉比例对活性粉末混凝土流动性的影响;同时考察了这些因素对活性粉末混凝土抗压、抗折强度的影响. 研究表明,当聚羧酸盐减水剂固体掺量为胶凝材料质量的0. 8 %～1. 0 %时,可配制出坍落扩展度在255 mm 以上、具有自密实性能,抗离析性能和钢筋间隙通过能力良好,标准养护条件下28 d 抗压强度和抗折强度分别超过105 MPa 和15 MPa的活性粉末混凝土.
关键词: 活性粉末混凝土; 自密实混凝土; 力学性能
中图分类号: TU528. 01 文献标识码:A
活性粉末混凝土(reactive powder concrete ,RPC) 是20 世纪90 年代法国学者Richard 等[1 ] 研制开发的一种新型混凝土. 它由级配良好的细砂、水泥、石英粉、硅灰、高效减水剂等制成,其抗压强度可达200～800 MPa ,断裂能亦可达40 kJ / m2 ,因而在工程领域中具有很大的应用价值和发展潜力,已成为混凝土研究领域的一个热点. 1997 年,加拿大Sherbrooke 的Magog 河上长达60 m 的人行桥建成,完成了RPC 从理论到实践的飞跃[2 ] . 国外对RPC 进行的相关研究工作有很多,包括RPC 的颗粒堆积状况及水化动力情况[3 ] 、RPC 水化过程中毛细管网络的演变[4 ] 、硅灰对RPC 中钢纤维与基体粘结强度的影响[5 ] 、RPC 的断裂性能[6 ] 、将RPC 作为一种新型的修补材料[7 ] 等等. 国内在这方面开展的工作也不少[8 ,9 ] .
由于RPC 水胶比很低,造成其搅拌和成型较普通混凝土困难[10 ] ,因而其流变性是人们非常关心的. 杨吴生等[11 ] 用旋转粘度计研究了新拌RPC 的流变特性,发现其所有配比的RPC 均表现为宾汉姆流变特性,即具有屈服应力. 虽然通过调整一些配比,能够提高RPC 的流动性,包括降低其屈服应力[11 ] 、提高跳桌流动度[8 ] 等,但仍需借助振动、加压、手动辅助等成型方式来达到其密实要求. 这不仅消耗了大量的人力和物力,而且材料易产生缺陷,最终导致混凝土构筑物性能严重下降.自密实混凝土无需任何振动,它可以依靠自重填充建筑模具的每个角落,并且达到密实[12 ] ,是高性能混凝土的重要发展方向之一. 如果活性粉末混凝土能够达到自密实,则会大大简化生产工艺,并对生产薄壁制品、细长构件和其他新颖结构形式的构件提供广阔的应用前景. 新一代减水剂———聚羧酸盐减水剂在普通自密实混凝土中正获得越来越多的应用,因为它能使水泥浆体具有更小的流动极限(屈服应力接近零) 和更高的动力学粘度,因而更能满足自密实混凝土的要求[13 ,14 ] .
本文采用聚羧酸盐减水剂配制大流动度活性粉末混凝土,并实现了自密实的要求. 综合考察了聚羧酸盐减水剂掺量、水胶比、粉煤灰替代水泥比例、硅灰替代石英粉比例这4 种因素对活性粉末混凝土流动性能及力学性能的影响.
1 试验部分
1. 1 原材料
水泥(C) : P ·O 42. 5 普通硅酸盐水泥,上海海豹水泥厂生产;石英砂(S) :0. 4～0. 261 mm ;石英粉(Qu) : 0. 044 mm ;硅灰( SF) : Elken 公司生产的非凝聚硅粉, SiO2 含量92. 25 %1) ; 粉煤灰( FA) :安徽淮南平圩发电厂I 级灰,平均粒径19. 71μm ;聚羧酸盐减水剂(PC) :p H 值中性,固含量40 % ,上海澳申建筑化学科技有限公司生产.
1. 2 基准配合比的确定
水泥和水混合后,熟料矿物发生水化反应. 硅酸三钙和硅酸二钙的水化产物为水化硅酸钙和氢氧化钙. 由于具有巨大的比表面积和刚性凝胶的特征,水化硅酸钙凝胶粒子间因存在范德华力和化学结合键而具有较高的强度;氢氧化钙晶体通常只起填充作用,但因其具有层状构造,层间结合较弱,在受力较大时是裂缝的策源地.
要将氢氧化钙完全转化为雪硅钙石Ca5 (Si6O18 H2 ) ,Ca 与Si 的摩尔比为0. 83 ,则CaO 与SiO2的质量比为0. 78. 算入水泥中已含的CaO 与SiO2 ,粗略计算得需加入的SiO2 量应为水泥质量的0. 613～0. 644[8 ] . 建议掺入的SiO2 量与水泥用量之比为0. 62[ 1 ] ,即硅灰与磨细石英粉总用量与水泥用量之比为0. 62. 当硅灰与水泥质量之比为0. 25 左右时,硅灰与水泥二元体系浆体的密实度基本达到最高值[15 ] ,说明此时硅灰能够充分填充水泥颗粒之间的空隙. 故水泥与硅灰的比例取为1 ∶0. 25 ;水泥与磨细石英粉的比例为1 ∶0. 37. 即基准配合比为: m (水泥) ∶m (硅灰) ∶m (磨细石英粉) = 1 ∶0. 25 ∶0. 37. 当石英砂掺量为胶凝材料质量的1. 36～0. 88 倍时可获得相对较高的强度[8 ] ,考虑到自密实性能对工作性能的要求,采用石英砂掺量为水泥质量的1. 1 倍,此时材料可达到较高强度,同时又具有相对好的工作性能.
1. 3 试样制备及性能测试
将称量好的水泥、硅灰、石英砂、石英粉、粉煤灰(粉煤灰替代等质量水泥作为胶凝材料) 放入搅拌锅中干拌3 min ,使材料混合均匀;加入一半溶有聚羧酸盐减水剂的水,搅拌3 min ;再加入另外一半水,搅拌6 min ,得到浆料.用评价减水剂性能的简便方法———砂浆坍落扩展度[16 ] 来评价RPC 的流动性. 砂浆坍落扩展度试验装置采用GB/ T 2419 —2005《水泥胶砂流动度测定方法》中的截锥试模(高度60 mm ,上口内径70 mm ,下口内径100 mm) 和500 mm ×500 mm ×8 mm 的玻璃板.将新拌好的RPC 浆料一次性装入试模,捣实、表面刮平后,向上轻轻提起试模. 待浆料坍落扩展度稳定不变后,测量最大扩展直径及与其垂直的直径,求两者平均值并以此来评价浆料流动性能;同时观察坍落扩展后的浆料周围有无泌水、离析现象,并以此作为其稳定性的直观考察.
用L2box 测量阻滞率,并以此衡量混凝土透过钢筋间隙的能力[17 ] ,装置如图1 所示. 试验需要12 L 活性粉末混凝土,操作过程如下:将仪器放置在水平地面上,确保其拉门可以自由开关. 预先润湿仪器内表面,并擦去多余的水. 将仪器的垂直部分填满混凝土后放置1 min ,上提拉门,让混凝土流到仪器的水平部分. 当混凝土不再流动时,记录H1 和H2 ,并计算H2 / H1 的值,即为阻滞率.整个操作过程必须在5 min 内完成.
采用拌和物密度分层度来评价RPC 拌和物的抗离析性. 拌和物密度分层度为分层度筒内上下层拌和物湿表观密度差(ρU - ρL ) 与平均湿表观密度的比值[18 ] . 分层度越低,表示拌和物的匀质性越好,即其抗离析性越好.
采用《建筑砂浆基本性能试验方法》中分层度试验方法的设备,浆料装满分层度筒后静置30 min ,然后分别取上下1/ 3 分层度筒高度的浆料测得上下层拌和物的密度.将拌好的浆料在40 mm ×40 mm ×160 mm 三联胶砂试模中成型. 成型时将浆料从试模一端倒入,让其依靠自重填充模具;对个别坍落扩展度较小、不能很好填充的试样,采用捣棒插捣使其密实. 试件在标准养护条件下带模养护1 d 后脱模,然后在水中养护至28 d. 试件抗折、抗压强度的测量按《水泥胶砂强度检验方法( ISO) 法》( GB/ T 17671 —1999) 进行.
2 结果与讨论
2. 1 影响RPC坍落扩展度的因素
试验考察了水胶比、减水剂掺量、粉煤灰替代等质量水泥比例、硅灰替代等质量石英粉比例对新拌RPC 浆料坍落扩展度的影响.
试验配合比参数及坍落扩展度试验结果见表1. 其中A ,B ,C 系列中的胶(凝材料) 是指水泥、硅灰、粉煤灰的总和;D 系列中的胶则指水泥、硅灰和石英粉的总和.
2. 1. 1 水胶比对新拌RPC 浆料坍落扩展度的影响
毫无疑问,提高水胶比将提高浆体流动度. 这里的试验目的是想了解在固定减水剂用量条件下,能够在满足RPC 自密实流动度要求的同时又能使浆体具有良好稳定性的用水量范围. 由表1可见,在水胶比从0. 215 升至0. 275 的过程中(A 系列) ,新拌RPC 浆料的坍落扩展度基本上是线性上升的. 水胶比达到0. 255 以后,浆料坍落扩展度的增加变缓. 这主要是因为当水胶比达到0. 255以后浆料开始出现明显的泌水现象,其稳定性已不能满足要求. 而当水胶比低到0. 215 时,浆料的坍落扩展度只有220 mm ,流平性已显不足.
2. 1. 2 聚羧酸盐减水剂掺量对新拌RPC 浆料坍落扩展度的影响
表1 中,当聚羧酸盐减水剂掺量为胶凝材料质量的0. 8 %～1. 4 %时(B 系列) ,RPC 的水胶比最大有0. 009 的增加. 由水胶比对坍落扩展度近似线性的影响关系可以看出,水胶比增加0. 001 可造成坍落扩展度增加约1. 4 mm ,扣除水胶比增大导致的影响,还是可以看到随聚羧酸盐减水剂掺量由0. 8 %增大到1. 4 %,新拌RPC 浆料的坍落扩展度变化呈现先上升后下降的趋势. 坍落扩展度上升显然是吸附了减水剂的胶凝材料达到了更好的分散,从而使胶凝材料絮凝体内部包裹的水分被充分释放的结果. 坍落扩展度在达到最大值后重新下降,则是减水剂掺量超过了胶凝材料饱和吸
附量的结果. 因为试样水胶比较小,减水剂超过饱和掺量后,随着减水剂固相掺量的继续增加及其在过饱和状态下吸附水量的增加,会导致浆体中的自由水量减少,浆体粘稠度增大,从而使其坍落扩展度有所下降.
2. 1. 3 粉煤灰替代等质量水泥对新拌RPC 浆料坍落扩展度的影响
表1 中C 系列考察了粉煤灰替代等质量水泥对新拌RPC 浆料坍落扩展度的影响. 由表1 可见,粉煤灰替代等质量水泥对新拌RPC 浆料的坍落扩展度有着明显的改善作用. 这主要是因为粉煤灰是玻璃微珠颗粒,在浆料中起滚珠轴承作用,从而可改善浆体的流动性能.
2. 1. 4 硅灰替代等质量石英粉对新拌RPC 浆料坍落扩展度的影响
表1 中D 系列考察了硅灰替代等质量石英粉对新拌RPC 浆料坍落扩展度的影响. 由表1 可见,随着硅灰替代等质量石英粉比例的增大,新拌RPC 浆料的坍落扩展度逐渐下降. 这是因为硅灰粒径在1μm 以下,其比表面积相对石英粉要大很多,需水量较大,因而随着硅灰替代等质量石英粉比例的增加,RPC 浆料的坍落扩展度就会呈现下降趋势.
2. 2 大流动度活性粉末混凝土的力学性能
水胶比、减水剂掺量、粉煤灰替代等质量水泥比例、硅灰替代等质量石英粉比例这些因素对RPC 力学性能的影响见图2～5.
由图2 可知:随着水胶比的增大,RPC 的抗折强度基本逐步下降,而抗压强度则是先上升后下降. 0. 215 水胶比时RPC 的抗压强度较低,这是由于该水胶比下RPC 浆料的坍落扩展度仅为220mm ,试样成型时经过插捣,显然是浆料密实性不足,故此时RPC 的抗压强度相对较低.由图3 可知:聚羧酸盐减水剂掺量对RPC 抗折强度的影响趋势与其对RPC 坍落扩展度的影响是一致的. 但是RPC 的抗压强度随着聚羧酸盐减水剂掺量的增加而下降,这可能是由于聚羧酸盐减水剂的引气作用所造成的.
由图4 可知:随着粉煤灰替代等质量水泥比例的增大,RPC 的抗折强度与抗压强度总体均呈下降趋势. 在粉煤灰替代等质量水泥比例为0. 2 (即图中的20 %) 时,RPC 的抗压强度略有上升,这可以解释为:粉煤灰达此掺量更有利于浆料内部气泡溢出从而密实,因此使其抗压强度略有上升.
由图5 可知:随着硅灰替代等质量石英粉比例的增大,RPC 的抗压强度和抗折强度曲线都呈先上升后下降的态势,这是因为硅灰的活性较大,对强度的贡献大于石英粉所致[19 ] . 只要流动度在满足自密实的范围内,则随硅灰掺量的增大,试样的强度将提高;而随着硅灰掺量的继续加大,浆料坍落扩展过小,其自密实性不够,因而将使试样强度降低.
将图5 与表1 中D 系列的试验数据相比较后发现,试样强度变化转折点所对应的坍落扩展度约为255 mm ,其标准养护条件下的抗压强度大于105 MPa ,与吴炎海等[ 20 ] 振捣成型的RPC 在标准养护条件下得到的抗压强度相似,说明坍落扩展度达到255 mm 时,RPC 可达到比较好的自密实程度.
2. 3 优选配比的RPC抗离析性能和钢筋间隙通过能力
优选配比的RPC 分层度和阻滞率见表2. 通过分层度试验和阻滞率试验可分别考察新拌浆料的抗离析性能和钢筋间隙通过能力,以完善对其自密实性能的考察.
由上述分析可知,当采用表2 配比时,RPC 可达到255 mm 以上的坍落扩展度,同时又可取得105 MPa 以上的28 d 标准养护抗压强度. 另外,此配比情况下的新拌浆料密度分层度也在1 %以内,抗离析性能良好. 由于新拌浆料流动性能很好,在进行阻滞率试验时,浆料呈扩散状淌出L2box很远,扩散半径为30～40 cm ,浆料厚度十分均匀,计算所得阻滞率为1 ,说明其钢筋间隙通过能力很好.
3 结论
1. 当聚羧酸盐减水剂掺量为胶凝材料质量的0. 8 %～1. 0 %时,可以在水胶比为0. 235～0. 255范围内配制出具有自密实性能的活性粉末混凝土.
2. 可以采用砂浆坍落扩展度的试验方法来简单地评价活性粉末混凝土自密实性能,当坍落扩展度在255 mm 以上时,活性粉末混凝土便可达到自密实的流动性要求.
3. 水泥、硅灰、石英粉、石英砂的质量比为1 ∶0. 25 ∶0. 37 ∶1. 1 ,聚羧酸盐减水剂固体掺量为胶凝材料质量的1. 0 % ,水胶比为0. 235 时,活性粉末混凝土坍落扩展度在255 mm 以上,且具有良好的抗离析性能和钢筋间隙通过能力,能满足自密实要求,标准养护条件下的28 d 抗压强度和抗折强度分别超过105 MPa 和15 MPa.
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