混凝土作为目前世界上用量最大、应用最广泛的建筑材料, 具有许多优异的性能, 但也存在脆性大和易开裂等缺点。20世纪90年代Richard等^[1,2]依据密实堆积原理, 通过去除粗骨料、优化颗粒级配、热养护提高组分的活性及细度, 成功研制出一种新型水泥基复合材料, 称为活性粉末混凝土材料 (Reactive Powder Concrete, RPC) , 其具有较高的抗压和抗折强度、高耐久性等优点, 特别是钢纤维的加入较好地增加了其抗压和抗拉强度^[3]。Bayard等^[4]研究发现钢纤维在RPC中能够抑制裂缝的开展, 对混凝土起到一定约束作用。谢友军等^[5]研究了粉煤灰、胶砂比和钢纤维等掺量对RPC抗压强度和抗折强度的影响。张倩倩等^[6]研究发现通过蒸汽养护能够有效提高RPC基体界面和钢纤维的粘结强度。孙伟等^[7]研究不同养护制度对RPC力学性能的影响, 且进一步研究了RPC的高耐久性能。

　　 根据RPC的配制原理, 在RPC的配制过程中, 需要进行高温高压养护, 掺入硅粉、粉煤灰、矿渣粉和钢纤维等材料, 这很大程度地提高了生产成本, 制约了其在工程实际中的应用。

　　 本文通过正交试验方法, 采用常规的制作工艺以及陕西地方材料, 对RPC进行配合比选取和优化, 系统地研究配合比中各个掺量对RPC的影响, 最终获得具有超高抗压、抗折强度的RPC配合比。在此基础上, 对RPC进行了抗冻融和抗硫酸盐侵蚀的耐久性试验, 并通过电镜扫描, 对RPC形成的机理进行微观分析研究, 为工程的实际应用提供依据。

　　 水泥:采用陕西某厂的52.5R普通硅酸盐水泥, 烧失量为1.99, 物理力学性能见表1, 化学成分见表2。粉煤灰:采用韩城某公司提供的一级粉煤灰, 细度为5.8, 强度活性指数为81, 烧失量为4.11, 化学成分见表2。硅粉:采用甘肃某硅业公司硅粉, 比表面积为15m²/kg, p H值为4.5~7, 化学成分见表2。矿渣粉:采用陕西地区高炉粒化矿渣粉;减水剂:采用西安某公司生产的聚羟酸减水剂, 固含量为20%。钢纤维:长为13~14mm, 直径为0.2~0.25mm, 抗拉强度为2 880MPa, 为72A-82B钢材, 由南宫市某公司提供。砂为灞河河砂, 采用筛子筛除5mm以上直径, 细度模数为2.8, 属于二区中砂, 级配良好。

　　 采用水泥胶砂搅拌机进行搅拌, 将水泥、硅粉、矿渣粉和粉煤灰按照比例依次倒入搅拌锅干拌, 待混合物初步均匀后, 倒入砂干拌, 加入50%溶减水剂的水湿拌, 湿拌完成后, 倒入剩余50%的溶液进行搅拌至均匀。将拌合物倒入70.7mm×70.7mm×70.7mm及40mm×40mm×160mm试模中并振动密实, 放入标准养护箱中养护24h后脱模, 试块放入 (20±2) ℃饱和氢氧化钙溶液中养护至28d, 分别进行抗压、抗折试验。

　　 对于混凝土材料, 水的掺量对其性能影响非常重要, 考虑到混凝土的工作性能及强度, 在试验中, 水胶比控制在0.20~0.28。在试验中, 高效减水剂能够使混凝土具有良好的工作性能, 依据经验掺量选取为1%~3%。钢纤维能够增加活性粉末混凝土的延性及韧性, 建议其体积掺量选取为1%~3%。河砂对强度影响不大, 但是其尾砂对流动度有一定的影响^[8], 试验中将砂胶比控制在0.9~1.1。各材料的配合比见表3, 材料的位级选择见表4, 其中水泥掺量固定为715g, 水的位级定为6个, 其他材料的位级均为3个。

　　 采用L₁₈ (6¹×3⁶) 的正交表格进行试验, 见表5。

　　 基于正交试验方案, 试块抗压、抗折破坏形态如图1, 2所示, 另外由正交试验得出各试验组结果, 见表6。

　　 由图1, 2可知, 掺入钢纤维的试块在破坏时只出现裂纹, 不会出现混凝土的剥落;没有掺入钢纤维的试块在破坏时会直接碎裂, 表现出普通混凝土的破坏形态。

　　 由表6可知, 3, 7, 9试验组具有超高的抗压强度值, 分别达到120.72, 111.8, 109.66MPa, 抗折强度分别为61.8, 41, 49.37MPa。试验过程中, 当钢纤维掺量大于180g时, 搅拌较为艰难, 这是由于钢纤维交错搭接, 内部拌合物摩擦增大, 使得RPC的流动度降低而搅拌难以进行^[9]。

　　 由正交试验结果分别得到各因素抗压强度、抗折强度极差如表7和表8所示。R值大的为重要因素, R值小的为不重要因素。由表7, 8可知, 水和钢纤维为重要因素, 粉煤灰、硅粉、减水剂和砂为比较重要的因素, 矿渣粉为最不重要因素。

　　 由表7和表8可知, 影响RPC抗压强度的主次顺序依次为:钢纤维、水、硅粉、减水剂、粉煤灰、砂和矿渣粉。以下将着重就影响RPC抗压强度的性能参数进行分析。

　　 由极差分析可知, 钢纤维是影响RPC抗压强度最重要的因素。在120~180g之间有一个最优的掺量, 在优化试验中将钢纤维掺量初步定为150g。

　　 由表7极差分析可知, 当水掺量为251.4g和296.4g时, 高水胶比会使得砂浆流动度增大, RPC内部生成孔隙几率增多, 相应地会引起RPC抗压强度降低, 考虑试验中流动度, 确定水掺量为250g。

　　 硅粉活性组分和Ca (OH) ₂反应会生成C-S-H胶凝, 并填充在水泥间隙, 改善孔体结构, 对强度和耐久性都有一定提升作用。在后续试验中硅粉的掺量定为155g。

　　 高效减水剂掺量为影响RPC抗压强度的重要因素。高效减水剂能够明显地改善混凝土的流动度, 影响其强度和耐久性。考虑试验中流动度, 试验中减水剂掺量选取为12g。

　　 粉煤灰对RPC抗压强度影响不是很明显, 为较重要因素。粉煤灰具有火山灰活性效应和粉末效应, 通过火山灰反应生成C-S-H胶凝材料, 能促进强度的增长;而粉煤灰的活性粉末效应, 使得粉煤灰的超细颗粒能很好地填充孔隙, 使孔内的水排出, 使得RPC在较低的水胶比时依然有很好的流动度, 从而提高材料的密实度。多次试验最终掺量选取为200g。

　　 由表7可以看到, 砂的掺量变化对抗压强度的影响不明显, 但是提高其掺量有利于降低成本, 试验中选取胶砂比为1.1。

　　 矿渣粉的化学成分和硅酸盐水泥类似, 前期对强度提高不明显, 主要作用是在后期。由表7可知, 矿渣粉对RPC抗压强度的影响非常小, 确定其为最不重要因素, 试验中选取掺量为108g。

　　 综合上述分析, 最终确定了一组配合比F组, 并将F组和3号试验组进行对比, 如表9所示。可知, 相比3号试验组, 矿物粉末 (包含粉煤灰、硅粉和矿渣粉) 总体掺量降低78g, 减水剂掺量降低30%, 钢纤维掺量也有所降低, 但是抗压强度保持稳定并有一定的增长, 最终达到122.6MPa。

　　 通过对比分析可知, 当钢纤维掺量在120~180g之间时, 存在一个最优的掺量。钢纤维掺量适中时, 其在RPC内部的分布更加均匀, 使得其强度提高^[9]。

　　 基于上述正交试验结果和2.4节各材料掺量的变化对RPC强度的影响程度, 对F组各材料掺量进行调整, 进一步优化材料掺量, 得出了14组优化的配合比。RPC试验配合比及抗压和抗折强度详见表10。

　　 由图3可知, 其他因素掺量固定不变, 当砂掺量在1 060~1 380g变化时, RPC的抗压强度和抗折强度随着砂掺量的增加而降低, 同时其流动度也会有所降低, 当砂掺量为1 380g时, 胶砂比为1∶1.1, 抗压强度为119.62MPa, 抗折强度为49.4MPa, 相比砂掺量为1 060g时, 抗压强度降低2.4%, 抗折强度下降9.5%。可知, 随着砂掺量的增加, 其流动度下降, 材料的密实度随之降低, 从而导致RPC抗压、抗折强度下降。在实际工程中应适当增加砂掺量比例, 有利于降低整体成本。在保证一定流动度情况下, 建议砂胶比为1~1.1。

　　 由图4 (a) 可知, 其他因素掺量固定不变, 当减水剂掺量在12~28g变化时, 随着减水剂掺量的增加, RPC的抗压强度迅速下降。当掺量为23g时, 抗压强度降低到97.3MPa, 相比减水剂掺量为12g时, 抗压强度下降21%;当减水剂掺量为28g时, 抗压强度下降到91.5MPa, 相比F组减水剂掺量为12g时, 抗压强度下降24%。由图4 (b) 可知, 其他因素掺量固定不变, 随着减水剂掺量的增加, RPC的抗折强度呈现平稳下降。在掺量为28g时, 抗折强度为45.9MPa, 相比掺量12g时下降6.5%。同时可以看到, 当减水剂掺量持续增加时, RPC材料的流动度有明显的增加。分析可知, 随着减水剂掺量的增加, RPC的流动度也随之增加, 试块包裹的气孔量会有所增加, 降低密实度, 最终导致强度降低。为了保证一定流动度和强度, 减水剂掺量选取为18g左右, 即取质量比为1.5%~2%。

　　 由图5 (a) 可知, 水掺量变化对RPC的力学性能影响很大。其他因素掺量固定不变, 随着水掺量的增加, RPC抗压强度随之下降。当水掺量为240g时, 水胶比为0.21, 抗压强度下降到110MPa;当水掺量为250g时, 水胶比0.21, 抗压强度下降到91.5MPa, 相比水掺量为200g时, 抗压强度下降25.8%。分析可知, 随着水掺量增加, RPC中自由水增多, 使得RPC水化硬化后孔隙增多, 从而导致抗压强度降低。由图5 (b) 可知, 其他因素掺量固定, 随着水掺量的增加, RPC抗折强度总体来说呈现一定的下降趋势。当水掺量为240g时, 水胶比0.2, 抗折强度为49.9MPa, 此时相比水掺量为200g时, 抗折强度降低2.4%;当掺水量持续增加, 抗折强度会继续降低;当掺水量为250g时, 抗折强度为45.9MPa。基于上述分析, 水胶比增加时, RPC的抗压和抗折强度都会呈现下降趋势, 建议水胶比控制在0.18~0.20。

　　 由图6 (a) 可知, 其他因素掺量固定不变, 矿渣粉被硅粉取代20%, 40%和100%时, RPC的抗压强度随矿渣粉被取代量增加而增加;当矿渣粉被硅粉取代100%时, RPC的抗压强度达到130.4MPa, 相比矿渣粉被硅粉取代20%时, 抗压强度增加18.5%, 此时RPC的流动度比较好, 容易成型。和试验组F相比较, 矿物粉末整体用量减少, 矿渣粉用量减少100%, 粉煤灰用量减少20%, 硅粉用量增加40%, 砂用量减少9%, 表明配合比更加合理。试验中RPC的抗压强度提高很明显, 这是因为粉煤灰和硅粉有着很好的活性效应, 而矿渣粉活性效应表现不明显。当矿渣粉被完全替换后, 多余的水会和粉煤灰及硅粉中的活性成分反应, 生成更多C-S-H胶凝材料, 使得RPC的抗压强度提高。另外, 硅粉的微集料效应很好地填充了RPC孔隙, 使得RPC更加密实, 抗压强度进一步增加。由图6 (b) 可知, RPC的抗折强度随着矿渣粉取代量的增加呈现增长趋势, 可以看到在矿渣粉被硅粉取代40%时, 抗折强度为52.1MPa, 当被硅粉取代100%时, 抗折强度为52.9MPa。基于试验的结果及地域的原因, 建议硅粉完全取代矿渣粉, 硅胶比应控制在0.15~0.18。

　　 由图7可知, 其他因素掺量固定不变, 钢纤维掺量在100~180g变化时, 随着钢纤维掺量增加, RPC的抗压强度和抗折强度会随之增加。当钢纤维掺量为150g时, 抗压强度达到121.5MPa, 抗折强度达到52.1MPa;当钢纤维掺量为180g时, 抗压强度达到126.6MPa, 抗折强度达到52.4MPa。由此可知, 钢纤维掺量增加, 明显提高了RPC的抗压强度, 并使得其具有更好的韧性^[10]。在试验中同时也观察到当钢纤维掺量达到180g时, 搅拌难度增大, 建议钢纤维掺量维持在180g (体积比1.6%) 以下, 具体根据实际搅拌情况而定。

　　 通过上述试验, 分析了各掺量对RPC力学性能的影响程度, 给出各掺量的建议值, 如表11所示。

　　 RPC试块抗冻性能试验采用“快冻法”进行, 试验设备为NJW-HDK-9型全自动快速冻融机 (图8) , 试块模型选取尺寸为100mm×100mm×400mm的长方体试块, 配合比采取表11中的建议配合比, 共制作3个试块进行试验。采用耐久性系数 (即冻融循环后的动弹性模量与冻融前的动弹性模量之比) 和质量损失率来评价抗冻性能的好坏, 每50次测定一次结果。质量损失率详见表12。

　　 计算结果表明, 经过200次冻融循环后, 试块均没有出现明显剥落, RPC试块质量几乎没有降低, 质量损失的平均值为0.12%。最后对这组RPC冻融试块进行劈裂, 发现其内部有明显的孔洞, 初步分析可能是振捣不密实, 冻融过程中水极易进入其中参与冻融, 使得裂缝增多并扩展, 破坏形态见图9。

　　 RPC抗硫酸盐侵蚀试验采用浓度10%的Na₂SO₄溶液进行, 试验仪器采用电控混凝土硫酸盐干湿循环试验设备 (图10) , 试块模型选取尺寸为100mm×100mm×100mm的正方体试块, 共制作2个试块进行试验, 每次循环时间为24h, 总次数为15次, 硫酸钠溶液浓度为10%。在经过15次循环后, 结果如表13所示。

　　 由表13可知, 在浓度为10%的Na₂SO₄溶液中侵蚀循环15次后, RPC的抗硫酸盐侵蚀系数大于100。粉煤灰和硅粉的掺入使得RPC中Ca (OH) ₂反应比较充分, 在某种程度上稀释了Ca (OH) ₂, 减少了石膏和钙矾石的生成, 从而使结构更加密实, 同时试验机中的高温环境促进了RPC内部进一步生成更多的C-S-H凝胶填充内部孔隙, 使孔体结构密实, 提高了RPC抗侵蚀能力和抗压强度。

　　 将经过冻融循环和硫酸盐侵蚀的RPC试块破碎, 在中心部位取0.5cm³的小块试样, 对新鲜断面进行镀膜, 然后采用扫描电镜观察水化产物形貌。

　　 图11为抗冻融循环后试样的电镜扫描图, 将RPC内部水泥石放大到1 000倍进行观察, 可以看到水泥石非常致密, 并只见密实的板状结构。可见, 剔除粗骨料掺加水泥、石英砂、硅粉、粉煤灰、减水剂等材料后, 对材料密实度有很大的提高。在图中发现少许的裂纹和一些断裂的痕迹。当放大到5 000倍时, 可以看到明显的裂纹和断裂面, 这是由于试样本身的孔隙比较多, 经过不断的冻融循环后, 水在RPC中不断地膨胀产生应力, 使得内部产生裂纹并增多, 最终导致了RPC在经过200次循环试验后其相对动弹性模量下降到44%。

　　 图12为硫酸盐侵蚀后试样的电镜扫描图, 将RPC水泥石放大1 000倍进行观察, 发现水泥石表面没有明显裂缝和孔隙, 表面结构很密实, 对这一部分放大到5 000倍时, 已经很难看到水化产物的形貌, 而是非常密实的平面。可知, 当剔除粗骨料后, 由水泥、硅粉、粉煤灰、高效减水剂组成的RPC, 水胶比极低, 制备而成的RPC具有很好密实度, 内部缺陷很少, 能较好地提高其强度和抗硫酸盐侵蚀性能。

　　 综合上述, 说明RPC基体与骨料接触得非常紧密, 没有明显的过渡界面, 这与龙广成等^[11]研究提出的细观结构模型表述相符合。

　　 优化试验中, 降低水胶比使得RPC孔隙率降低, 混凝土的整体密实度提高, 从而使试块有效地抵抗溶液的浸入。

　　 在RPC中掺入了硅粉和粉煤灰, 这两种粉末材料具有很好的火山灰效应和微集料效应, 试验中硅粉、粉煤灰的火山灰效应能够将Ca (OH) ₂转换成C-S-H凝胶体, 并填充在水泥水化产物间, 降低了孔隙量, 使结构密实;同时两种细粉末的微集料效应能够填充水泥体中的孔隙, 进一步增加了结构的密实度, 使得RPC能有效地抵抗溶液的浸入。

　　 (1) 在常温养护条件下, 采用正交试验方法, 研究了砂、减水剂、水、矿物粉末、钢纤维等材料对RPC基本力学性能的影响, 有效获得了各因素掺量对RPC力学性能的影响程度。

　　 (2) 钢纤维和水的掺量是影响RPC的主要因素, 在保证一定流动度的情况下, 钢纤维体积掺量应控制在1.6%左右, 水胶比应控制在0.18~0.2左右。

　　 (3) 聚羟酸减水剂能有效提高RPC的流动度, 试验时掺量不宜过高;砂对RPC强度的影响不大, 但是在配制时提高掺量能够有效地节约成本, 掺量宜控制在1~1.1。

　　 (4) 通过40%的硅粉完全取代矿渣粉, 最终获得抗压强度达130MPa、抗折强度达52.9MPa的RPC, 且RPC具有比较好的流动度并能够很好地成型。

　　 (5) RPC冻融和硫酸盐试验表明, RPC具有良好的抗冻融和硫酸钠侵蚀性能, 主要由于RPC具有较低的水胶比, 以及硅粉和粉煤灰的活性效应及微集料效应, 最终使得RPC内部密实且具有良好的耐久性能。

　　 (6) 在RPC抗冻融和硫酸盐侵蚀基础上, 对RPC进行了电镜扫描, 并分析其微观破坏机理。研究表明, RPC具有致密的微观结构, 能够较好地抵抗冻融及硫酸盐侵蚀, 具有良好的应用前景。