活性粉末混凝土^[1] (Reactive Powder Concrete, 简称RPC) 是以水泥为主要胶凝材料, 加入适量的矿物掺合料及外加剂形成的一种高强度、高耐久性及高韧性的新型水泥基复合材料。在土木工程领域中, 我国高层建筑和大跨结构^[2]的迅速发展为RPC的广泛应用提供了巨大的市场, 而且其在结构、桥梁改造以及特种结构工程中也具有广泛的应用前景。

　　 当前, 国内外学者对RPC的力学性能及其优化进行了大量研究, 如RPC的工作性能^[3]、流动性能^[4]、力学性能^[5]等物理力学性能, 以及在硫酸盐侵蚀^[6]、冻融循环^[7]、氯离子渗透^[8]条件下的耐久性能等。Marcel cheyrezy等^[9]研究了RPC的微观结构, 发现了其高强度和高耐久性的工作机理。何峰等^[10]通过研究养护制度对RPC强度的影响, 发现热养护有利于提高混凝土的抗压强度, 从而获得高强、超高强混凝土。谢友均等^[11]研究了掺超细粉煤灰对RPC力学性能的影响, 研究结果表明:胶砂比、钢纤维直径以及掺量均对混凝土的抗折、抗压强度有一定的影响。姚志雄等^[12]通过三点弯曲梁法测试了钢纤维、混杂纤维增强RPC试件的断裂性能, 试验结果表明, 钢纤维对RPC试件的增强增韧效果显著, 而混杂纤维的效果更佳。

　　 大多数研究者在研究过程中均采用高标号水泥和加压成型工艺、蒸汽养护或高温养护等配制出高强度RPC, 但其成本高昂且不利于广泛推广使用。基于此, 本课题组在常温养护条件下, 采用磨细固体废弃物如粉煤灰、矿渣粉等代替部分水泥、硅灰, 通过正交试验, 综合研究分析水胶比、胶砂比以及硅灰、粉煤灰等掺量对RPC的7d和28d强度的影响, 优化选出最佳的因素水平组合, 可为今后工程实际应用提供参考。

　　 水泥采用某公司P.O42.5普通硅酸盐水泥, 水泥物理性能指标见表1;矿渣粉为S95级矿渣粉, 其性能指标见表2;粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰, 由陕西某电厂生产, 其性能指标见表3;硅灰采用的是由甘肃某公司生产的S90级硅灰, 其性能指标见表4;石英粉性能指标见表5;砂为普通河砂, 利用筛子剔除粒径为2.5mm以上的颗粒, 表观密度为2 653kg/m³, 细度模数为2.67, 属中砂, 级配良好;水为西安自来水;钢纤维长为12～13mm, 直径为0.22mm, 抗拉强度为2 850MPa;减水剂为聚羧酸高效减水剂, 固含量为20%, 淡黄色液体。

　　 依据《活性粉末混凝土》 (GB/T 31387—2015) ^[13]对RPC进行抗压和抗折试验。其抗压强度检测方法依据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》 (JGJ/T 70—2009) ^[14]进行, 采用70.7mm×70.7mm×70.7mm立方体试块, 如图1所示。其抗折强度检测方法依据《水泥胶砂强度检验方法 (ISO法) 》 (GB/T 17671—1999) ^[15]进行, 采用40mm×40mm×160mm棱柱体试块, 如图2所示。试验机器为WAW-1000微机控制电液伺服万能试验机, 如图3所示。

　　 按照《水泥胶砂强度检验方法 (ISO法) 》 (GB/T 17671—1999) 进行RPC的搅拌, 先将水泥、矿渣粉、粉煤灰、硅灰等粉体材料充分搅拌4min后, 再将水和减水剂的均匀拌合物加入其中再搅拌4min, 然后把钢纤维均匀投入固态混合物中, 以防止结团, 继续搅拌4min, 从而得到RPC。装入模具后, 试块放在振动台上振动2min (振动频率50Hz) , 振动完毕后抹平并标记。RPC装模后静置24h, 然后进行拆模, 将试块放在标准条件下养护到规定龄期后进行强度试验。

　　 本试验采用正交试验方法, 选取水胶比A、粉煤灰掺量B、硅灰掺量C、石英粉掺量D、胶砂比E、钢纤维掺量F和减水剂含量G七个因素。本试验采用混合水平正交表, 因为混凝土试验中水胶比是对强度和流动度影响很大的因素, 在试验中将水胶比置于混合水平列中, 并定为六个水平位级, 其他的因素定为三个水平位级, 研究各因素对RPC强度的影响, 并优化选出最佳因素水平组合。选用正交表L₁₈ (6¹×3⁶) 进行正交试验, 因素水平表见表6, 正交试验设计见表7。

　　 RPC的正交试验结果见表8。7d强度的极差分析结果见表9。由表9可以看出:影响7d抗折强度的主次因素顺序是:水胶比>钢纤维掺量>减水剂含量>胶砂比>石英粉掺量>粉煤灰掺量>硅灰掺量, 其中水胶比为最重要影响因素, 硅灰掺量的影响最小;影响7d抗压强度的主次因素顺序是:水胶比>粉煤灰掺量>硅灰掺量>石英粉掺量>钢纤维掺量>胶砂比>减水剂含量, 水胶比、粉煤灰掺量和硅灰掺量为重要影响因素, 减水剂含量的影响最小。

　　 由7d抗折强度因素极差分析结果 (图4 (a) ) 可以看出, 随着水胶比、粉煤灰掺量、胶砂比和减水剂含量的增大, 7d抗折强度均降低;随着钢纤维掺量的逐渐增加, 7d抗折强度一直增加;随着硅灰掺量和石英粉掺量的增加, 7d抗折强度先降低后增加。因此7d抗折强度的最优因素水平组合为水胶比0.18, 粉煤灰掺量10%, 硅灰掺量25%, 石英粉掺量23%, 胶砂比1∶1.0, 钢纤维掺量3.0%, 减水剂含量3.0%。

　　 由7d抗压强度因素极差分析结果 (图4 (b) ) 可以看出, 随着水胶比和减水剂含量的逐渐增加, 7d抗压强度在降低, 水胶比过大会增加其流动度, 进而使得拌合料发生离析的现象, 造成试块成型不均匀, 影响强度。减水剂含量的增加会导致RPC出现泌水现象, 不仅会影响水泥正常水化还会增加混凝土内部的空隙, 同样会使其强度降低;随着硅灰掺量的增大, 7d抗压强度先增大后有所降低;随着粉煤灰掺量和石英粉掺量的增加, 7d抗压强度先降低后出现增大趋势;随着钢纤维掺量的增加, 7d抗压强度有所增大, 可见钢纤维掺量对RPC抗压强度的影响也很明显;胶砂比对7d抗压强度影响不明显。因此7d抗压强度的最优因素水平组合为水胶比0.18, 粉煤灰掺量20%, 硅灰掺量25%, 石英粉掺量25%, 胶砂比1∶1.0, 钢纤维掺量3.0%, 减水剂含量2.0%。

　　 通过以上分析可以得出, 7d抗折强度和7d抗压强度取最大值时, 水胶比为0.18;粉煤灰掺量在7d抗折强度影响因素中排在第六位, 在7d抗压强度影响因素中排第二位, 7d抗折强度取最大值时粉煤灰掺量取10%或20%, 当粉煤灰掺量取10%时, 7d抗折强度比取20%时提高了4.9%, 而粉煤灰掺量取10%时7d抗压强度与粉煤灰掺量为20%时基本持平, 所以粉煤灰掺量取10%;硅灰掺量在7d抗压强度影响因素中排第三位, 对7d抗折强度为不重要因素, 因此粉煤灰掺量取25%;石英粉掺量在7d抗折强度影响因素中排在第五位, 在7d抗压强度影响因素中均排第四位, 均为不重要因素, 此时石英粉掺量取23%或25%, 当石英粉掺量取25%时, 7d抗折强度比取23%时减少了5.2%, 而7d抗压强度比取23%时增大4.8%, 所以石英粉掺量取23%;胶砂比取1∶1.0;钢纤维掺量取3%;减水剂含量在7d抗折强度影响因素中排第三位, 对7d抗压强度为不重要因素, 此时减水剂含量取2.0%或3.0%, 当取2.0%时, 7d抗折强度比取3.0%时增大10.5%, 而7d抗压强度比取3.0%时增大2.4%, 所以减水剂含量取2.0%。因此, 7d抗折强度和抗压强度最佳因素水平组合为水胶比0.18, 粉煤灰掺量10%, 硅灰掺量25%, 石英粉掺量23%, 胶砂比1∶1.0, 钢纤维掺量3.0%, 减水剂含量2.0%。

　　 由28d强度的极差分析结果 (表10) 可以得出:影响28d抗折强度的主次因素顺序是:水胶比>减水剂含量>钢纤维掺量>胶砂比>粉煤灰掺量>硅灰掺量>石英粉掺量, 水胶比、胶砂比和钢纤维掺量为重要影响因素, 石英粉掺量的影响最不重要;影响28d抗压强度的主次因素顺序是:水胶比>硅灰掺量>胶砂比>粉煤灰掺量>石英粉掺量>减水剂含量>钢纤维掺量, 水胶比、硅灰掺量和胶砂比为重要因素, 钢纤维掺量的影响最小。

　　 由28d抗折强度因素极差分析结果 (图5 (a) ) 可以看出, 随着粉煤灰掺量和石英粉掺量的增大, 28d抗折强度先增大后降低;随着水胶比、胶砂比和减水剂含量的增加, 28d抗折强度一直在降低;随着钢纤维掺量的增加, 28d抗折强度一直在增加。因此28d抗折强度最优因素水平组合为水胶比0.18, 粉煤灰掺量15%, 硅灰掺量25%, 石英粉掺量23%, 胶砂比1∶1.0, 钢纤维掺量3.0%, 减水剂含量2.0%。图6为28d抗折破坏试件, 由图6可以看出, 试件成型比较均匀, 而且韧性极好, 只产生了少量微裂缝, 不会出现断裂现象。

　　 由28d抗压强度因素极差分析结果 (图5 (b) ) 可以看出, 随着硅灰掺量的增大, 28d抗压强度先增大后降低, 因为掺加适量的硅灰, 其活性成分与Ca (OH) ₂反应会生成C-S-H胶凝, 并填充水泥空隙, 改善混凝土内部结构, 使得试件更加密实, 从而增加其强度;随着水胶比、胶砂比和减水剂含量的增加, 28d抗压强度一直在降低;随着粉煤灰掺量和石英粉掺量的增加, 28d抗压强度先降低后增大。随着钢纤维掺量的增加, 28d抗压强度一直在增加;因此28d抗压强度最优因素水平组合为水胶比0.18, 粉煤灰掺量20%, 硅灰掺量25%, 石英粉掺量20%, 胶砂比1∶1.0, 钢纤维掺量3.0%, 减水剂含量2.0%。图7为28d抗压破坏试件, 由图7可以看出, RPC试件在达到极限抗压强度后的破坏现象只是表层的起裂, 并没有像普通混凝土试块那样出现大面积脱落。由此可见, RPC试件的韧性较好, 究其原因主要是活性材料的填充和钢纤维的连桥共同作用, 这也是它抗压强度较强的主要原因。

　　 图7 抗压破坏试件

　　 通过以上分析可以得出, 28d抗折和抗压强度取最大值时, 水胶比取0.18;粉煤灰掺量在28d抗折强度影响因素中排在第五位, 在28d抗压强度影响因素中排在第四位, 但是当粉煤灰掺量取15%时, 28d抗折强度比取20%时增大5.8%, 而28d抗压强度比取20%时减小了7.5%, 所以粉煤灰掺量取20%;硅灰掺量取25%;石英粉在28d抗折强度影响因素中排第七位, 在28d抗压强度影响因素中排第五位, 此时石英粉掺量取20%或23%, 当石英粉掺量取20%时, 28d抗折强度比取23%时减小了1.7%, 而28d抗压强度比取23%增大了5%, 所以石英粉掺量取20%;胶砂比取1∶1.0;钢纤维掺量取3.0%;减水剂含量取2.0%。因此, 对于28d抗折、抗压强度的综合分析, 得出其最佳因素水平组合为水胶比0.18, 粉煤灰掺量20%, 硅灰掺量25%, 石英粉掺量20%, 胶砂比1∶1.0, 钢纤维掺量3.0%, 减水剂含量2.0%。

　　 由以上分析可得, 对于RPC的7d强度, 其最佳的因素水平组合为水胶比0.18, 粉煤灰掺量10%, 硅灰掺量25%, 石英粉掺量23%, 胶砂比1∶1.0, 钢纤维掺量3.0%, 减水剂含量2.0%。对于PRC的28d强度, 其最佳的因素水平组合为水胶比0.18, 粉煤灰掺量20%, 硅灰掺量25%, 石英粉掺量20%, 胶砂比1∶1.0, 钢纤维掺量3.0%, 减水剂含量2.0%。综合以上分析, 考虑到工程实际应用和经济性, 以28d强度为控制目标, 以7d强度为参考, 优化后选取的最佳组合为水胶比0.18, 粉煤灰掺量20%, 硅灰掺量25%, 石英粉掺量20%, 胶砂比1∶1.0, 钢纤维掺量3.0%, 减水剂含量2.0%。

　　 本文选用普通硅酸盐水泥和超细矿渣粉作为主要胶凝材料, 通过常温养护条件下RPC力学性能正交试验, 研究了水胶比、粉煤灰、硅灰、石英粉、胶砂比、钢纤维和减水剂对RPC抗压强度和抗折强度等基本力学性能的影响, 得出如下结论:

　　 (1) 水胶比、钢纤维和减水剂对RPC的力学性能影响最为显著, 粉煤灰改善RPC的抗压和抗折性能效果最好。在此基础上, 以常温养护条件下RPC的高强度为目标, 通过大量的力学试验, 得到优化的最佳因素水平组合为水胶比0.18, 粉煤灰掺量20%, 硅灰掺量25%, 石英粉掺量20%, 胶砂比1∶1.0, 钢纤维掺量3.0%, 减水剂掺量2.0%。

　　 (2) 从影响RPC综合性能来看, 水胶比、钢纤维和减水剂对其影响作用最为显著, 硅灰和粉煤灰较为显著, 石英粉和胶砂比的影响作用较小。

　　 (3) 水胶比和减水剂含量对RPC流动度的影响较大, 随着流动度的增加, RPC抗压强度和抗折强度都有所降低, 而且减水剂含量对RPC抗折强度要比抗压强度的影响大。

　　 (4) 粉煤灰掺量、硅灰掺量对PRC的7d强度影响较大, 尤其是抗折强度, 对PRC的28d强度影响较小。

　　 (5) 石英粉掺量和胶砂比对RPC强度的贡献较低。但是随着砂子掺量的增大, RPC流动度会下降。

　　 (6) 随着钢纤维掺量的增加, RPC抗折强度和抗压强度都有一定的增长。