第三章 RPC的强度的影响因素及性能研究

　　配制出满足强度、耐久性和工作性的超高强混凝土，除了选择优质的原材料外，适当的配合比也是重要的考虑因素之一。因此考虑了诸如硅灰掺量、粉煤灰掺量、钢纤维品种、钢纤维掺量、砂的颗粒级配等因素对RFC性能的影响。

3.1 硅灰的参量对RPC性能的影响

　　硅灰作为配制超高强混凝土的理想矿物掺和料，有着其他矿物掺和料所无法比拟的优点。在活性粉末混凝土中，硅灰主要有三个作用：（1）填充不同粒径颗粒之间的孔隙；（2）由于硅灰颗粒具有良好的球形，起到很好的润湿作用从而提高流变特征；（3）硅灰具有高活性，起到第二次水化作用。
　　当胶凝材料中硅灰与水泥以何种比例共存时，硅灰能发挥最佳的填充作用，同时能最大限度地与水泥水化产物进行第二次水化反应，从而得到最好的活性粉末混凝土综合性能，则是配制中因考虑的问题。试验中考察了硅灰掺量对活性粉末混凝土性能的影响，原材料配制如表3.1所示。

表3.1  不同硅灰掺量的原材料配制

W/B=0.17   单位：kg/m

　　试件分两种养护制度进行养护：蒸养和28d标养。所测出的数据如表3.2

表3.2   不同硅灰掺量对混凝土性能的影响

注：第5组标养试件由于事先已经断裂，故强度较低。

　　其抗折强度和抗压强度变化如图3.1和3.2所示：

图3.1　不同硅灰参量RPC抗折强度的变化

图3.2　不同硅灰参量RPC抗压强度的变化

　　在试验的过程中我们可以发现：
（1）硅灰的掺入可以影响拌合物的流动性能，当硅灰掺量为5％时，拌合物的扩展度比未加硅灰时降低的最为明显，而随着硅灰掺量的增加，扩展度降低的幅度越来越小。因为硅灰是比表面积达20m²/g的粒子，其本身的需水量是相对大的，因此随着硅灰的加入，拌合物粘性增加，流动性下降。
（2）从图3.1和3.2可以发现，对于蒸汽养护，加入5％的硅灰可以很大程度上提高抗折强度，比未加硅灰提高了约52％，但随着硅灰掺量的继续增加，抗折强度的变化不大；而对于标准养护，加与不加硅灰对抗折强度的影响并不是很大。第5个数据由于试件已经先断，故强度较低。
（3）从图还可以看出，掺与不掺硅灰，试件的抗压强度相差比较大。对于蒸汽养护和标准养护，掺5％的硅灰比未掺硅灰试件的抗压强度分别提高了约11.5％和6.5％。因此，配制活性粉末混凝土时，硅灰对强度的贡献率是其他材料所无法替代的，可以认为硅灰是活性粉末混凝土不可缺少的重要组分。

3.2 钢纤维掺量对RPC性能的影响

　　普通混凝土抗拉强度与抗压强度之比非常低，表现为很大的脆性，而在普通混凝土中经常使用钢筋来弥补普通混凝土的这方面的不足；从已有的实验结果表明，活性粉末混凝土的抗拉强度与抗压强度之比一般为1/8左右，与普通混凝土相比已有很大的提高，但仍然表现为很大的脆性，而通常采取在活性粉末混凝土中加入钢纤维来提高其韧性。在活性粉末混凝土中加入钢纤维，能起到较好的增强、增韧作用，但同时又大幅度提高了活性粉末混凝土的配置成本。为此，试图通过试验来寻找钢纤维掺量的活性粉末混凝土在性能和成本上理想结合点，表3.3为钢纤维掺量对活性粉末混凝土性能影响的配合比。

表3.3 钢纤维掺量对活性粉末混凝土性能影响的配合比

单位：kg/m

　　试件分两种养护制度进行养护：蒸养和标养。所测出的数据如表3.4所示。

表3.4 钢纤维掺量对活性粉末混凝土性能的影响

图3.3   钢纤维参量对RPC抗折强度的影响

图3.4   钢纤维参量对RPC抗压强度的影响

　　在试验的过程中我们可以发现：
（1）随着钢纤维掺量的增加，活性粉末混凝土的流动性下降，主要是由于随着钢纤维掺量的增加，需要包裹钢纤维的水泥浆体增加，使得流动性下降。
（2）随着钢纤维掺量的增加，无论是蒸汽养护还是标准养护，活性粉末混凝土的抗折强度都有不同程度的提高，当钢纤维掺量为4％和6％时，蒸汽养护的抗折强度分别比未掺钢纤维的提高了147％和170％，而标准养护的28天抗折强度分别比未掺钢纤维的提高了136％和165％。在实验中发现，除了不掺钢纤维的试件在抗折是被折断外，其他掺了钢纤维的试件在抗折时试块不会完全折断，而表现出很高的韧性。
（3）随着钢纤维掺量的增加，无论是蒸汽养护还是标准养护，活性粉末混凝土的抗压强度也有较大提高。当钢纤维掺量为4％和6%时，蒸汽养护的抗压强度分别比未掺钢纤维的提高了23.7％和43.1％，而掺8％的钢纤维后抗压强度达到167.79MPa。对于标准养护28天的试件，掺4％和6%钢纤维的抗压强度分别比未掺钢纤维的提高了21.4％和32.8％，而掺8％的钢纤维后抗压强度达到135.49MPa。
　　 此外，我们还做了试件的尺寸效应对强度的影响试验。其中那个小试件为：a×b×h＝135×40×40

表3.5 试件尺寸效应

图3.5   不同尺寸对抗折强度的影响

图3.6  不同尺寸对抗压强度的影响

　　由表3.5和3.6 中我们可以看出对于抗折强度，大试件明显高于小试件；而对于抗压强度，小试件又明显高于大试件。

3.3 钢纤维品种对RPC强度的影响

　　随着混凝土强度的提高，其脆性也显著增大，常用的解决办法是与纤维复合。钢纤维能够阻碍混凝土内部微裂纹的繁衍、扩展，对增加混凝土的韧性、抗冲击性等起着关键作用，有效地避免无征兆的脆性破坏的产生。因此，在ＲPＣ中可采用掺入钢纤维来改善其脆性，增加其延性。
　　钢纤维增强作用随长径比增大而提高，钢纤维长度太短不起增强作用，但纤维太长会影响拌和物的和易性和施工质量，甚至导致强度降低；直径太细易在拌和过程中被弯折，太粗则在同样体积率时增强效果差。因此在固定钢纤维体积率（２％）的情况下，实验对比研究了4种不同品种钢纤维对ＲＰＣ强度的影响,如表3.6：

表3.6　钢纤维品种对RPC强度的影响的配合比

　　试件分两种养护制度进行养护：蒸养和28d标养。所测出的数据如表3.7所示:

表3.7　钢纤维品种对RPC强度的影响

图3.7　钢纤维品种对RPC抗折强度的影响

图3.8　钢纤维品种对RPC抗压强度的影响

　　从图3.7和3.8可以看出，钢纤维的种类对RPC的抗压强度影响不是很大，况且加入钢纤维的目的也是为了加强RPC的韧性，即抗折强度，所以我们在选择钢纤维的种类上，应首先考虑其对抗折强度的影响。经过试验研究和过往经验，我们在本课题研究中选择嘉兴市经纬钢纤维有限公司生产的平直型，规格为15-40mm，等效直径为0.3-0.8mm；长径比为30～60的钢纤维。

3.4 砂的级配对RPC强度的影响

　　一般说来，集料比水泥石基体要坚固，集料较高的弹性模量能抑制各种收缩，如塑性收缩、干操收缩、自收缩等，这就导致在水泥石---粗集料界面上产生剪力及拉力，剪力及拉力随颗粒尺寸增大而增加，若这些力超过了粘结强度，就会引起附加开裂。另外，水泥石---粗集料界面即过度区是传统混凝土的最薄弱区域。因此，减小混凝土中集料颗较尺寸，取消粗骨料，成为ＲＰＣ混凝土的设计原则之一。
　　实验对比研究了砂的颗粒尺寸对RPC强度的影响。其配合比如表3.8所示。

表3.8　砂的级配对RPC强度的影响的配合比

　　试件分两种养护制度进行养护：蒸养和标养。所测出的数据如表3.9所示。

表3.9　砂的级配对活性粉末混凝土性能的影响

图3.9  砂的级配对RPC抗折强度的影响

图3.10  砂的级配对RPC抗压强度的影响

　　在天然河砂作为ＲＰＣ混凝土的骨料配制成的ＲＰＣ浆体中，粒径范围窄的砂配制成的浆体的流动度比粒径范围宽的同类砂配制成的浆体的流动度要小。砂的粒径的不同对混凝土抗折强度的影响较大，由图3.9我们可以看出无论是蒸养还是标养，0～5mm粒径的砂的抗折强度都是最小的，最高强度值出现在级配为0～1.25的28天标养试件上。对于抗压强度，由图3.10我们可以看出，蒸养试件明显高于标养试件。不同的级配，蒸养的试件之间抗压强度大小的差别不是很大。

3.5　RPC收缩性研究

　　在养护的过程中，混泥土由于水分的蒸发和散热等而发生收缩变形，在实验中，我们用每水泥，硅粉，粉煤灰，砂，外加济，水分别为650，150，200，1000，80，122的配合比配制三组试件进行收缩性试验，其实验数据如表3.10所示：

表3.10  RPC在不同养护期内的收缩值

                                                                   单位：mm

　　其收缩性的大小随养护期长度的变化曲线如下3.11所示：

图3.11   养护期对RPC收缩性的影响

　　可见，随着养护期的增长，收缩性的大小也随之增强。但随着时间的增加，其收缩性大小会逐渐趋于平缓。RPC是水胶比低，水泥标号较高，水泥用量大而且掺有大量的磨细活性掺合料。这种组成导致早期胶凝材料的水化快，混泥土内自由水迅速消耗，在内部结构密实的同时产生自干燥现象，这种自干燥作用必然引起其宏观体积缩小，即自收缩。
　　基于此种因素，RPC的收缩比普通混泥土有所加大，原因如下：（1），RPC中含有水泥，超细粉煤灰及硅粉等大量粉末，同时时间水胶比较低，造成自干缩较大。（2），RPC 中用粒径小于630um的细砂作为骨料，且其占总胶凝材料重量的比重较小，相对于普通混泥土，骨料对试件收缩变形的阻止作用大大减小。

3.6 RPC抗渗性研究

　　在试验5.1的同时，我们制作一组（六个）试件进行抗渗性研究，在标养28天后将试块打蜡密封装入抗渗机进行试验，48h后研究发现，其渗透高度如表3.11所示：

表3.11  RPC在48h后的渗透高度

                                                             单位：mm

注：其中第六块试件在试验的过程中被破坏，所以不被列入研究范围。
　　由此可计算得，RPC的渗透系数为：

     Sk===0.48*10mm/h

   由此可知：活性粉末混泥土不渗透。

3.7　RPC耐磨性研究

　　在RPC的应用中，耐磨性是一个很重要的指标，在前期试验的基础上，我们按下面的配料制作试块，如表3.12：

表3.12  在耐磨试验中的配合比参量

　　试验中，我们制作一组试块（三块）在标准养护28d后进行试验。启动电动机，使钢轮以75r/min的速度转动，接着，调节节流阀，使磨料以1L/min的速度均匀落下，立即将试件与摩擦钢轮接触，并开始计时。1分钟后，我们测得磨坑两边缘和中间的长度分别为：23.4mm，24.4mm和26.2mm，平均24.7mm。
　　试件的磨坑长度小于28.0mm，属于优等品。

3.8 RPC氯离子渗透研究

　　在本试验中，我们采用电指标显示RPC抗氯离子渗透性指标的实验方法，即（ASTM--C1202-97），本方法是以确定混泥土的电导，来快速显示混泥土的抗氯离子渗透性，通过监测切取自公称直径为102mm的芯样或圆柱体的厚度为51mm的混泥土薄片试片在6h期间通过的电流，试片一端侵入氯化钠溶液中，另一端侵入氢氧化钠溶液中，并在试片两端施加并保持60V的直流电压。通过的总电量也是片的抗氯离子渗透性有明显的关系。据资料可得：

表3.13  根据通过的电量衡量氯离子渗透性

　　按照试验的要求，我们在6h内测得试验数据如图3.14所示：

表3.14  RPC在60伏直流电压下6h期间内每30min通过的电流

图3.12  RPC试件在60伏直流电压下通过的电流

　　通过计算可得：

Q=900×（I₀+2I₃₀+2I₆₀+···+2I₃₀₀+2I₃₃₀+I₃₆₀）

 =84<100（库仑）
式中:Q=通过的电量（库仑）
    I_0＝施加电压后的即时电流（安培）
    Ii＝施加电压后第i分钟的电流（安培）
　　根据试验得出的数据Q＝84<100和表5.4，我们可以判断RPC材料的抗氯离子渗透性为不渗透。