活性粉末混凝土配合比研究综述
陶毅;张海镇;史庆轩;陈建飞
【摘 要】活性粉末混凝土作为一种超高性能混凝土材料,其配合比直接关系到共性能的优劣,亦是研究其性能的基础.本文首先回顾了RPC配合比设计理论基础,并对典型的RPC配合比设计方法进行了归纳和总结,分析了各方法的适用范围和特点,深入讨论了RPC配合比设计参数的适宜取值范围.目前活性粉末混凝土配合比设计主要基于试验方法、半经验半理论公式方法、编程计算方法.但是试验方法和编程计算方法无法直接进行强度预测,配合比设计具有较大不确定性.通过对典型半经验半理论公式方法进行评价分析发现法国路桥公式的准确度较高,可作为简易的强度预测公式使用,但该方法未考虑钢纤维掺量及养护制度对强度的影响.%The mix proportion of the reactive powder concrete (RPC) dominates its mechanical properties.It is essentially to understand the mix design theory in order to study RPC structures deeply and widen its application.This paper firstly reviewed the mix design theory of the cement-based composites and analysed the critical parameters which had been identified affect the performance of RPC.At present,the mix proportion design of RPC is mainly based on the test
method,the semi empirical and semi theoretical formula method and the programming calculation method.But the test method and programming calculation method can not directly predict the strength.Based on the analysis of typical semi empirical and semi theoretical formula,the accuracy of LCPC formula is more accurate,which can be used as a simple strength prediction formula.But the method has not considered the influence of steel fiber content and curing system on the strength.
【期刊名称】《西安建筑科技大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2016(048)006
【总页数】7页(P839-845)
【关键词】活性粉末混凝土;高性能混凝土;配合比设计;强度预测
reactive powder concrete【作 者】陶毅;张海镇;史庆轩;陈建飞
【作者单位】西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055;西安建筑科技大学土木工程
学院,陕西西安710055;西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055;英国贝尔法斯特女王大学规划、建筑及土木工程学院,英国贝尔法斯特,BT9 5AG
【正文语种】中 文
【中图分类】TU528.57
法国Bouygues公司Richard等人于1993年率先研制出一种高强、高韧性、高耐久性和体积稳定性良好的水泥基复合材料,即活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,简称 RPC)[1].随着活性粉末混凝土制备技术的发展,目前常用的制备活性粉末混凝土的原材料包括:水泥、硅灰、磨细石英粉、矿物细掺料、石英砂以及高效减水剂等,根据其组成、养护方法和成型条件的不同,活性粉末混凝土可以达到200~800 MPa的超高抗压强度和 1 200~40 000 N/m 的断裂能[2].而且RPC相比普通混凝土,其内部内部缺陷较少,使其具有紧密的微观结构,从而可获得优异的耐久性能[3-4].活性粉末混凝土作为一种新型的超高性能建筑材料,其研究与应用正在成为学术界与工业界关注的焦点[5-6].
混凝土配合比设计是混凝土材料科学中最基本且最重要的一个问题,直接关系到混凝土性能
的优劣.普通混凝土配合比设计方法主要是基于绝对体积法和假定密度法的半理论半经验设计方法.RPC作为一种特殊的超高强混凝土,拥有不同于普通混凝土的制备原料与养护制度,因此其配合比设计与普通混凝土配合比设计方法存在较大差别.国内外学者在活性粉末混凝土的配合比设计理论与试验方面进行了大量的探索,已经较为详尽地探究了水胶比、硅粉掺量、砂胶比、石英粉掺量、减水剂、钢纤维掺量以及养护制度对活性粉末混凝土性能的影响.但对于 RPC 的配合比设计理论,至今还未形成较为系统和被广泛接受的方法.正因为如此,目前关于RPC的配合比大都基于试验进行设计.
本文对国内外 RPC配合比设计理论的研究进展进行了总结,并归纳了RPC配合比设计的关键指标与其取值范围;通过与试验数据的对比,分析了现有典型 RPC配合比设计公式的准确性与适用范围.
1 RPC配合比设计理论基础
RPC是一种性能优异水泥基复合材料[1-2].水泥基复合材料是指以水泥为基体与其它材料组合而得到的具有较优性能的材料.国内外学者基于不同假设已经提出了较多的水泥基复合材料配合比设计理论基础.
吴中伟等[7]提出水泥基复合材料的中心质假说,认为混凝土体系中包含各级中心质以及各中心质的过渡层.骨料是大中心质,水泥熟料颗粒及粉体掺合料(H粒子)为次中心质,水泥凝胶(L粒子)为次介质,毛细孔为负中心质.在很低的孔隙率和很高的H/L粒子比值时的配合比可以得到很高的性能.
T.C.Powers[8]提出胶空比理论来描述水泥基复合材料孔结构与强度的关系.其认为水灰比决定了混凝土中浆体的毛细孔率,而水泥石的强度取决于水化产物充满原始充水空间的程度.
F.Larrard等[9]认为水泥基复合材料的性能与原材料混合物颗粒体系的堆积密度有关,其获得高性能的关键在于颗粒体系是否能形成较高的堆积密度,即形成最紧密堆积的颗粒体系.
唐明等[10]提出了具有分形几何特征的水泥基粉体颗粒密集效应模型,根据该模型可以评价高性能混凝土粉体颗粒体系密集效应,确定最紧密堆积规律.
通过总结以上针对水泥基复合材料配合比设计的理论基础可以得出:(1) 当水泥基复合材料中含有的微裂缝和孔隙等缺陷最少时,可以获得原材料所决定的最大强度;(2) 水泥基复合材料中原材料相互间的紧密堆积可以有效地改善其微观结构,提高其性能.因此,为获得性能优异的活性粉末混凝土,需采取的主要技术措施包括:
(1) 剔除粗骨料,使用粒径较小的石英砂,从而改善混凝土体系的匀质性,降低原始缺陷;
(2) 掺入硅灰、石英粉等高活性材料,改善胶凝材料体系级配,提高密实度,并且促进胶凝材料的水化反应;
(3) 优选与活性材料相容性较好的高性能减水剂,如聚羧酸减水剂,在保证流动性的前提下,减少用水量,从而降低水胶比,减小孔隙率;
(4) 掺入短细钢纤维,改善RPC韧性与延性;
(5) 采用热水或高温养护,加速和促进活性成分的水化反应,改善混凝土的微观结构.
2 RPC配合比设计方法
由于活性粉末混凝土与普通混凝土在材料选用、养护制度等方面具有很大的差别,因此普通混凝土的配合比设计方法已经不再适用,需要针对RPC进行专门的研究.本节将目前活性粉末混凝土(RPC)等(超)高性能混凝土配合比设计方法总结如下.
2.1 试验方法
RPC包括两个混合体系:一是胶凝材料自身体系,包括水泥、硅灰、石英粉、粉煤灰和钢渣粉等;二是胶凝材料与细骨料复合体系.为实现胶凝材料体系和胶凝材料细骨料复合体系的紧密堆积,刘娟红[11]及其他学者[12-13]提出了基于紧密堆积理论的配合比设计方法(以下简称试验方法1).该方法的步骤如下:(1) 基于最紧密堆积理论确定胶凝材料浆体体积 Vp;(2) 基于最紧密堆积理论确定骨料体积Vagg;(3) 确定用水量W与胶凝材料用量B.
法国路桥试验中心[11]提出了基于最小需水量的配合比设计方法(以下简称试验方法2),该方法是为了实现胶凝材料体系的最紧密堆积.材料粉末从固体粉末状态转变为浆体状态的瞬间需水量称为最小需水量,颗粒孔隙由最小需水量确定,从而确定材料密实度.测定胶凝材料体系获得最大堆积密度时的最小需水量,来确定复合胶凝材料之间的最佳比例.
此外,文献[14-15]介绍了基于正交理论的设计方法(以下简称试验方法3),该方法采用两阶段设计,第一阶段应用正交设计理论确定RPC材料的最佳基体,第二阶段通过实验优选钢纤维掺量.第一阶段设计过程:(1) 确定正交试验设计中考虑因素;(2) 确定各因素水平;(3) 设计并进行正交试验;(4) 确定各因素的合理水平,然后确定最佳基体.
2.2 半经验半理论公式方法
法国路桥试验中心[16-17]提出了基于改进的Feret公式的高性能混凝土强度预测公式(以下简称法国路桥公式)
当掺入矿渣或粉煤灰时公式为
式中:fc为混凝土轴心抗压强度;KG为集料相关的系数(与集料形状相关);Rc为水泥28 d抗压强度;w、c分别为单位体积混凝土用水量和水泥用量;a为单位体积混凝土中引入的空气量;k1为火山灰性系数;k2为填充料的活性系数;SF、BFS分别为单方混凝土中硅灰和矿渣用量.澳大利亚Ken.W.Day[18]基于等效水泥用量提出了高性能混凝土配合比设计公式(以下简称Day公式)
式中:fc为混凝土轴心抗压强度;α为混凝土含气量;w为单位体积混凝土用水量;c为等效水泥用量.
文献[19]在水胶比定则的基础上提出了考虑骨胶比、胶凝材料颗粒级配、钢纤维掺量影响的改进鲍罗米公式(以下简称李莉公式):
式中:fcu为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的RPC立方体抗压强度;fce为水泥强度;c/w为活
性粉末混凝土胶水比;A、B为根据水胶比变化的试验数据回归得到的系数;α、β、δ分别为骨胶比、胶凝材料颗粒级配、钢纤维影响系数.
2.3 编程计算方法
通过试验方法设计紧密堆积情况下各原材料的比值,但试验方法工作量大,并且由于原材料的来源变化需要重复试验,因此计算机编程计算成为一种较为适用的方法.崔巩[20]和国爱丽[21]对试验使用的原材料粉料进行粒度分析测试,并且按 Dinger-Funk方程得到最紧密堆积的固体颗粒粒径分布曲线.最紧密堆积数学模型Dinger-Funk方程确定的粒径分布为RPC固体混合物体系所应达到的粒径分布(以下简称编程方法 1).
现将RPC配合比设计方法总结于表1.从中可以看出:(1) 各配合比设计方法涉及的参数或者因素都不尽相同,其中配合比设计方法基本都涉及了水胶比、水泥特性(细度、密度、强度等级等)、硅灰特性以及矿物掺合料特性,但是基本都没有考虑钢纤维和养护温度的影响;(2) 所总结的配合比设计方法中,能够进行强度预测的都是基于水灰比定则,通过引入影响系数来考虑其他因素的影响.其他以试验和编程计算为基础的配合比设计方法都无法直接预测强度,而需通过试验来评价其得出的配合比方案.
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