第三章 RPC的強(qiáng)度的影響因素及性能研究
配制出滿足強(qiáng)度、耐久性和工作性的超高強(qiáng)混凝土，除了選擇優(yōu)質(zhì)的原材料外，適當(dāng)?shù)呐浜媳纫彩侵匾目紤]因素之一。因此考慮了諸如硅灰摻量、粉煤灰摻量、鋼纖維品種、鋼纖維摻量、砂的顆粒級(jí)配等因素對(duì)RFC性能的影響。
3.1 硅灰的參量對(duì)RPC性能的影響
硅灰作為配制超高強(qiáng)混凝土的理想礦物摻和料，有著其他礦物摻和料所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。在活性粉末混凝土中，硅灰主要有三個(gè)作用：（1）填充不同粒徑顆粒之間的孔隙；（2）由于硅灰顆粒具有良好的球形，起到很好的潤濕作用從而提高流變特征；（3）硅灰具有高活性，起到第二次水化作用。
當(dāng)膠凝材料中硅灰與水泥以何種比例共存時(shí)，硅灰能發(fā)揮最佳的填充作用，同時(shí)能最大限度地與水泥水化產(chǎn)物進(jìn)行第二次水化反應(yīng)，從而得到最好的活性粉末混凝土綜合性能，則是配制中因考慮的問題。試驗(yàn)中考察了硅灰摻量對(duì)活性粉末混凝土性能的影響，原材料配制如表3.1所示。
試件分兩種養(yǎng)護(hù)制度進(jìn)行養(yǎng)護(hù)：蒸養(yǎng)和28d標(biāo)養(yǎng)。所測(cè)出的數(shù)據(jù)如表3.2
注：第5組標(biāo)養(yǎng)試件由于事先已經(jīng)斷裂，故強(qiáng)度較低。
其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度變化如圖3.1和3.2所示：
在試驗(yàn)的過程中我們可以發(fā)現(xiàn)：
?。?）硅灰的摻入可以影響拌合物的流動(dòng)性能，當(dāng)硅灰摻量為5％時(shí)，拌合物的擴(kuò)展度比未加硅灰時(shí)降低的最為明顯，而隨著硅灰摻量的增加，擴(kuò)展度降低的幅度越來越小。因?yàn)楣杌沂潜缺砻娣e達(dá)20m²/g的粒子，其本身的需水量是相對(duì)大的，因此隨著硅灰的加入，拌合物粘性增加，流動(dòng)性下降。
（2）從圖3.1和3.2可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于蒸汽養(yǎng)護(hù)，加入5％的硅灰可以很大程度上提高抗折強(qiáng)度，比未加硅灰提高了約52％，但隨著硅灰摻量的繼續(xù)增加，抗折強(qiáng)度的變化不大；而對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，加與不加硅灰對(duì)抗折強(qiáng)度的影響并不是很大。第5個(gè)數(shù)據(jù)由于試件已經(jīng)先斷，故強(qiáng)度較低。
?。?）從圖還可以看出，摻與不摻硅灰，試件的抗壓強(qiáng)度相差比較大。對(duì)于蒸汽養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，摻5％的硅灰比未摻硅灰試件的抗壓強(qiáng)度分別提高了約11.5％和6.5％。因此，配制活性粉末混凝土?xí)r，硅灰對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率是其他材料所無法替代的，可以認(rèn)為硅灰是活性粉末混凝土不可缺少的重要組分。
3.2 鋼纖維摻量對(duì)RPC性能的影響
普通混凝土抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比非常低，表現(xiàn)為很大的脆性，而在普通混凝土中經(jīng)常使用鋼筋來彌補(bǔ)普通混凝土的這方面的不足；從已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，活性粉末混凝土的抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比一般為1/8左右，與普通混凝土相比已有很大的提高，但仍然表現(xiàn)為很大的脆性，而通常采取在活性粉末混凝土中加入鋼纖維來提高其韌性。在活性粉末混凝土中加入鋼纖維，能起到較好的增強(qiáng)、增韌作用，但同時(shí)又大幅度提高了活性粉末混凝土的配置成本。為此，試圖通過試驗(yàn)來尋找鋼纖維摻量的活性粉末混凝土在性能和成本上理想結(jié)合點(diǎn)，表3.3為鋼纖維摻量對(duì)活性粉末混凝土性能影響的配合比。
試件分兩種養(yǎng)護(hù)制度進(jìn)行養(yǎng)護(hù)：蒸養(yǎng)和標(biāo)養(yǎng)。所測(cè)出的數(shù)據(jù)如表3.4所示。
在試驗(yàn)的過程中我們可以發(fā)現(xiàn)：
（1）隨著鋼纖維摻量的增加，活性粉末混凝土的流動(dòng)性下降，主要是由于隨著鋼纖維摻量的增加，需要包裹鋼纖維的水泥漿體增加，使得流動(dòng)性下降。
?。?）隨著鋼纖維摻量的增加，無論是蒸汽養(yǎng)護(hù)還是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，活性粉末混凝土的抗折強(qiáng)度都有不同程度的提高，當(dāng)鋼纖維摻量為4％和6％時(shí)，蒸汽養(yǎng)護(hù)的抗折強(qiáng)度分別比未摻鋼纖維的提高了147％和170％，而標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的28天抗折強(qiáng)度分別比未摻鋼纖維的提高了136％和165％。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，除了不摻鋼纖維的試件在抗折是被折斷外，其他摻了鋼纖維的試件在抗折時(shí)試塊不會(huì)完全折斷，而表現(xiàn)出很高的韌性。
?。?）隨著鋼纖維摻量的增加，無論是蒸汽養(yǎng)護(hù)還是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，活性粉末混凝土的抗壓強(qiáng)度也有較大提高。當(dāng)鋼纖維摻量為4％和6%時(shí)，蒸汽養(yǎng)護(hù)的抗壓強(qiáng)度分別比未摻鋼纖維的提高了23.7％和43.1％，而摻8％的鋼纖維后抗壓強(qiáng)度達(dá)到167.79MPa。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天的試件，摻4％和6%鋼纖維的抗壓強(qiáng)度分別比未摻鋼纖維的提高了21.4％和32.8％，而摻8％的鋼纖維后抗壓強(qiáng)度達(dá)到135.49MPa。
此外，我們還做了試件的尺寸效應(yīng)對(duì)強(qiáng)度的影響試驗(yàn)。其中那個(gè)小試件為：a×b×h＝135×40×40
由表3.5和3.6 中我們可以看出對(duì)于抗折強(qiáng)度，大試件明顯高于小試件；而對(duì)于抗壓強(qiáng)度，小試件又明顯高于大試件。
3.3 鋼纖維品種對(duì)RPC強(qiáng)度的影響
隨著混凝土強(qiáng)度的提高，其脆性也顯著增大，常用的解決辦法是與纖維復(fù)合。鋼纖維能夠阻礙混凝土內(nèi)部微裂紋的繁衍、擴(kuò)展，對(duì)增加混凝土的韌性、抗沖擊性等起著關(guān)鍵作用，有效地避免無征兆的脆性破壞的產(chǎn)生。因此，在ＲPＣ中可采用摻入鋼纖維來改善其脆性，增加其延性。
鋼纖維增強(qiáng)作用隨長徑比增大而提高，鋼纖維長度太短不起增強(qiáng)作用，但纖維太長會(huì)影響拌和物的和易性和施工質(zhì)量，甚至導(dǎo)致強(qiáng)度降低；直徑太細(xì)易在拌和過程中被彎折，太粗則在同樣體積率時(shí)增強(qiáng)效果差。因此在固定鋼纖維體積率（２％）的情況下，實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了4種不同品種鋼纖維對(duì)ＲＰＣ強(qiáng)度的影響,如表3.6：
試件分兩種養(yǎng)護(hù)制度進(jìn)行養(yǎng)護(hù)：蒸養(yǎng)和28d標(biāo)養(yǎng)。所測(cè)出的數(shù)據(jù)如表3.7所示:
從圖3.7和3.8可以看出，鋼纖維的種類對(duì)RPC的抗壓強(qiáng)度影響不是很大，況且加入鋼纖維的目的也是為了加強(qiáng)RPC的韌性，即抗折強(qiáng)度，所以我們?cè)谶x擇鋼纖維的種類上，應(yīng)首先考慮其對(duì)抗折強(qiáng)度的影響。經(jīng)過試驗(yàn)研究和過往經(jīng)驗(yàn)，我們?cè)诒菊n題研究中選擇嘉興市經(jīng)緯鋼纖維有限公司生產(chǎn)的平直型，規(guī)格為15-40mm，等效直徑為0.3-0.8mm；長徑比為30～60的鋼纖維。
3.4 砂的級(jí)配對(duì)RPC強(qiáng)度的影響
一般說來，集料比水泥石基體要堅(jiān)固，集料較高的彈性模量能抑制各種收縮，如塑性收縮、干操收縮、自收縮等，這就導(dǎo)致在水泥石---粗集料界面上產(chǎn)生剪力及拉力，剪力及拉力隨顆粒尺寸增大而增加，若這些力超過了粘結(jié)強(qiáng)度，就會(huì)引起附加開裂。另外，水泥石---粗集料界面即過度區(qū)是傳統(tǒng)混凝土的最薄弱區(qū)域。因此，減小混凝土中集料顆較尺寸，取消粗骨料，成為ＲＰＣ混凝土的設(shè)計(jì)原則之一。
實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了砂的顆粒尺寸對(duì)RPC強(qiáng)度的影響。其配合比如表3.8所示。
試件分兩種養(yǎng)護(hù)制度進(jìn)行養(yǎng)護(hù)：蒸養(yǎng)和標(biāo)養(yǎng)。所測(cè)出的數(shù)據(jù)如表3.9所示。
在天然河砂作為ＲＰＣ混凝土的骨料配制成的ＲＰＣ漿體中，粒徑范圍窄的砂配制成的漿體的流動(dòng)度比粒徑范圍寬的同類砂配制成的漿體的流動(dòng)度要小。砂的粒徑的不同對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響較大，由圖3.9我們可以看出無論是蒸養(yǎng)還是標(biāo)養(yǎng)，0～5mm粒徑的砂的抗折強(qiáng)度都是最小的，最高強(qiáng)度值出現(xiàn)在級(jí)配為0～1.25的28天標(biāo)養(yǎng)試件上。對(duì)于抗壓強(qiáng)度，由圖3.10我們可以看出，蒸養(yǎng)試件明顯高于標(biāo)養(yǎng)試件。不同的級(jí)配，蒸養(yǎng)的試件之間抗壓強(qiáng)度大小的差別不是很大。
3.5 RPC收縮性研究
在養(yǎng)護(hù)的過程中，混泥土由于水分的蒸發(fā)和散熱等而發(fā)生收縮變形，在實(shí)驗(yàn)中，我們用每水泥，硅粉，粉煤灰，砂，外加濟(jì)，水分別為650，150，200，1000，80，122的配合比配制三組試件進(jìn)行收縮性試驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3.10所示：
其收縮性的大小隨養(yǎng)護(hù)期長度的變化曲線如下3.11所示：
可見，隨著養(yǎng)護(hù)期的增長，收縮性的大小也隨之增強(qiáng)。但隨著時(shí)間的增加，其收縮性大小會(huì)逐漸趨于平緩。RPC是水膠比低，水泥標(biāo)號(hào)較高，水泥用量大而且摻有大量的磨細(xì)活性摻合料。這種組成導(dǎo)致早期膠凝材料的水化快，混泥土內(nèi)自由水迅速消耗，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)的同時(shí)產(chǎn)生自干燥現(xiàn)象，這種自干燥作用必然引起其宏觀體積縮小，即自收縮。
基于此種因素，RPC的收縮比普通混泥土有所加大，原因如下：（1），RPC中含有水泥，超細(xì)粉煤灰及硅粉等大量粉末，同時(shí)時(shí)間水膠比較低，造成自干縮較大。（2），RPC 中用粒徑小于630um的細(xì)砂作為骨料，且其占總膠凝材料重量的比重較小，相對(duì)于普通混泥土，骨料對(duì)試件收縮變形的阻止作用大大減小。
3.6 RPC抗?jié)B性研究
在試驗(yàn)5.1的同時(shí)，我們制作一組（六個(gè)）試件進(jìn)行抗?jié)B性研究，在標(biāo)養(yǎng)28天后將試塊打蠟密封裝入抗?jié)B機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，48h后研究發(fā)現(xiàn)，其滲透高度如表3.11所示：
注：其中第六塊試件在試驗(yàn)的過程中被破壞，所以不被列入研究范圍。
由此可計(jì)算得，RPC的滲透系數(shù)為： 
由此可知：活性粉末混泥土不滲透。
3.7 RPC耐磨性研究
在RPC的應(yīng)用中，耐磨性是一個(gè)很重要的指標(biāo)，在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們按下面的配料制作試塊，如表3.12： 
試驗(yàn)中，我們制作一組試塊（三塊）在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行試驗(yàn)。啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，使鋼輪以75r/min的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，接著，調(diào)節(jié)節(jié)流閥，使磨料以1L/min的速度均勻落下，立即將試件與摩擦鋼輪接觸，并開始計(jì)時(shí)。1分鐘后，我們測(cè)得磨坑兩邊緣和中間的長度分別為：23.4mm，24.4mm和26.2mm，平均24.7 mm。
試件的磨坑長度小于28.0mm，屬于優(yōu)等品。
3.8 RPC氯離子滲透研究
在本試驗(yàn)中，我們采用電指標(biāo)顯示 RPC抗氯離子滲透性指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)方法，即（ASTM--C1202-97），本方法是以確定混泥土的電導(dǎo)，來快速顯示混泥土的抗氯離子滲透性，通過監(jiān)測(cè)切取自公稱直徑為102mm的芯樣或圓柱體的厚度為51mm的混泥土薄片試片在6h期間通過的電流，試片一端侵入氯化鈉溶液中，另一端侵入氫氧化鈉溶液中，并在試片兩端施加并保持60V的直流電壓。通過的總電量也是片的抗氯離子滲透性有明顯的關(guān)系。據(jù)資料可得：
按照試驗(yàn)的要求，我們?cè)?h內(nèi)測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3.14所示：
=84<100（庫侖）
式中:Q=通過的電量（庫侖）
I0＝施加電壓后的即時(shí)電流（安培）
Ii＝施加電壓后第i分鐘的電流（安培）
根據(jù)試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)Q＝84<100和表5.4，我們可以判斷RPC材料的抗氯離子滲透性為不滲透。
