活性粉末混凝土原材料及制备方法

活性粉末混凝土原材料及制备方法北京交通大学土木建筑工程学院安明喆SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,BeijingJiaotongUniversityBeijingJiaotongUniversity前言随着新型高效减水剂的发明与应用、矿物超细粉的回收与加工、纤维材料的发展以及新型水泥基材料的发明，混凝土技术有了重大突破，尤其是高性能混凝土（HPC）和超高性能混凝土（UHPC）。目前HPC和UHPC已经广泛地应用于世界各地的重特大工程中。BeijingJiaotongUniversity一、RPC材料及其发展现状1.什么是UHPC活性粉末混凝土(ReactivePowderConcrete，以下简称RPC）作为UHPC的一种，是90年代中期法国Bouygues公司Richard等人研制出的具有超高强度、高韧性、高耐久性、且体积稳定性良好的水泥基复合材料。“超高性能混凝土”(Ultra—HighPerformanceConcreteUHPC)，所谓“超高”包含两个方面——超高的力学性能和超高的耐久性。UHPC以DSP（densifiedsystemscontaininghomogeneousarrangedultrafineparticle）技术为基础，使“DSP+S（砂）+F（纤维）”体系的抗压强度＞200MPa，“DSP+S（砂）+G（碎石）”的抗压强度＞150MPa。定义：RPC由超细活性粉末、水泥、优质细骨料、高强度纤维等组分，通过最优化级配设计，经高温热合等特定工艺制备而成，是超细粒聚密材料与纤维增强技术相结合的高技术复合材料。BeijingJiaotongUniversity一、RPC材料及其发展现状RPC具有高强度、高韧性、高耐久性和高环保性。有约束加压RPCRPC有约束无压RPCHSCNC300应力/MPa应变/10-32001000.020.0150.010.0050BeijingJiaotongUniversity2.RPC研究及发展现状一、RPC材料及其发展现状材料性质材料配合比制备工艺力学性能耐久性工程应用桥梁工程建筑工程市政工程军事工程已已已已已已已已已已已已已已已已已已已已已已已已已已已已已已已已已已已BeijingJiaotongUniversity国外RPC主要研究及应用2.RPC研究及发展现状一、RPC材料及其发展现状BeijingJiaotongUniversity国内RPC主要研究机构及研究内容2.RPC研究及发展现状一、RPC材料及其发展现状BeijingJiaotongUniversity本课题组自开展RPC研究以来，先后得到了多项国家自然科学基金的资助。项目编号项目名称51108019活性粉末混凝土在复杂应力状态下的强度与本构关系研究511008014钢管约束下活性粉末混凝土本构模型研究50778021活性粉末混凝土的疲劳损伤机理研究50778017活性粉末混凝土墩柱构件的损伤机理研究50508005活性粉末混凝土的基本力学特性及其机理研究2.RPC研究及发展现状一、RPC材料及其发展现状BeijingJiaotongUniversity（建筑工程）车站顶棚高炉屋顶建筑外墙面层板车站声屏障板建筑外墙面层板一、RPC材料及其发展现状2.RPC研究及发展现状BeijingJiaotongUniversity2一、RPC材料及其发展现状各类RPC预制构件2.RPC研究及发展现状BeijingJiaotongUniversity一、RPC材料及其发展现状2.RPC研究及发展现状韩国RPC人行拱桥日本Sakata-Mirai人行桥加拿大Sherbrooke人行桥我国青藏铁路RPC桥梁北京五环路RPC盖板（桥梁工程）BeijingJiaotongUniversity二、RPC制备原理1.基本原理（1）匀质性的改进1）用细骨料代替粗骨料2）提高浆体的力学性能3）降低骨料与浆体的比值4）减少界面与改善过渡区（3）热处理改善微观结构1）按合理制度高温养护2）激发活性组分的活性（4）掺入钢纤维增加韧性与强度高强度钢纤维改善韧性，提高强度（2）密实度的提高1）优选原材料2）最密实配料2）成型工艺BeijingJiaotongUniversity二、RPC制备技术2.配合比设计思路设计思路：混凝土的集料尽可能地紧密堆积，集料颗粒之间的空隙由具有一定水胶比的浆体填充，胶凝材料级配合理。进一步再考虑颗粒间的物理化学反应，通过颗粒间的相互粘结形成均匀的内部结构，达到超高强和高密实。BeijingJiaotongUniversity三、原材料1.原材料组成（1）水泥：普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥（2）骨料：石英砂，粒径范围0~1250μm，三种粒级（3）钢纤维：细圆形钢纤维，直径0.20mm，长度12~14mm（4）矿物添加剂：多种活性矿物通过活性组合实验与最佳颗粒级配计算配制（5）高性能减水型外加剂：新型高性能减水剂，深紫色透明液体，减水率为31%BeijingJiaotongUniversity三、原材料水泥应采用品质稳定、强度等级不低于42.5级的低碱硅酸盐水泥或低碱普通硅酸盐水泥，水泥熟料中C3A含量不得大于8％。其它性能应符合GB175-2007规定，不得使用其它品种水泥。我国配制活性粉末混凝土所用水泥一般为42.5#的普通硅酸盐水泥。1.1水泥矿物名称C3SC2SC3AC4AFf-CaOf-MgO含量(%)60.518.17.48.90.91.842.5#水泥的熟矿物组成其中，石膏掺量为2.95-3.0%BeijingJiaotongUniversity三、原材料1.2骨料RPC所用骨料为石英砂，其性能指标应满足要求：序号项目单位性能指标1SiO2含量%≥972氯离子含量%≤0.023硫化物及硫酸盐含量%≤0.504云母含量%≤0.505含泥量%≤0.50分粗砂、中砂、细砂三种粒径，不同粒级石英砂的超粒径含量限制如下：不同粒级石英砂1.25～0.63mm0.63～0.315mm0.315～0.16mm≥1.25mm＜0.63mm≥0.63mm＜0.315mm≥0.315mm＜0.16mm百分率（％）51051055BeijingJiaotongUniversity三、原材料1.3钢纤维钢纤维应采用高强度圆截面纤维，其性能指标应满足要求：序号项目单位性能指标1抗拉强度MPa≥28502长度*%12～14mm纤维比例≥96%3直径**%0.18～0.22mm纤维比例≥90%4形状合格率%≥96%5杂质含量%≤1.00%注：*50根试样的长度平均值应在12～14mm范围内；**50根试样的直径平均值应在0.18～0.22mm范围内。BeijingJiaotongUniversityRPC配制过程中掺加矿物掺合料可以减小水泥用量，提高组份的细度和反应活性，同时还可以改善活性粉末混凝土的内部结构，从而改善其基本性能。通常活性粉末混凝土中掺加的矿物掺合料有：硅粉、粉煤灰、矿粉、偏高岭土等几种。1.4矿物掺合料三、原材料BeijingJiaotongUniversity1.4.1硅粉硅粉也叫硅灰（SilicaFume），是工业电炉在高温熔炼工业硅及硅铁的过程中，随废气逸出的烟尘经特殊的捕集装置收集处理而成。常用的硅粉是灰白色球状粉末，表观密度通常为150～250kg/m3，比表面积≥20m2/g，粒径小于1µm，平均粒径为0.1～0.2µm，无定形SiO2含量≥90%。三、原材料BeijingJiaotongUniversity粉煤灰（flyash）是工业固体废物的一种。是煤粉进入1300～1500℃的炉膛后，在悬浮燃烧条件下经受热面吸热后冷却而形成的。活性粉末混凝土中，由于水胶比较低，所以在配制过程中掺入粉煤灰具有如下优点：（1）粉煤灰能和硅灰一起改善拌合物的流动性及和易性，降低拌合物的粘稠度，减少搅拌时引入的气泡，提高基体的密实度；（2）由于粉煤灰在早期不参与水化，所以在整个胶凝组分中水灰比（水/水泥）并不低，因此掺加粉煤灰有利于水泥在早期的水化。同时在水化后期，粉煤灰能与水泥水化物进行二次水化反应，起到进一步填充密实的效果；（3）利用粉煤灰部分替代水泥还能够降低总成本，提高性能价格比。1.4.2粉煤灰三、原材料BeijingJiaotongUniversity1.钢纤维1.钢纤维1.4.3其它矿物掺合料偏高岭土是在一定温度和条件控制下煅烧的高岭土，具有较高的火山灰活性。活性粉末混凝土配制过程中掺加的偏高岭土具有加速水泥水化效应、填充效应及火山灰效应，从而提高活性粉末混凝土的强度及其他性能。此外矿粉也可用于制备活性粉末混凝土。三、原材料BeijingJiaotongUniversity活性粉末混凝土配制过程中通过掺加减水剂来降低水的用量，从而降低水胶比。用来配制活性粉末混凝土的减水剂应有很好的减水效果，并能与所选水泥相匹配，即水泥与减水剂的相容性好。1.5高效减水剂三、原材料序号项目单位性能指标1减水率%≥292总碱含量（按Na2O质量计）%≤3.53氯离子含量%≤0.24硫酸钠含量%≤1.55含固量%≥306凝结时间差min±1207净浆流动度mm≥2508含气量%≤2.09抗压强度比3d%≥1307d%≥12528d%≥12010对钢筋锈蚀作用-对钢筋无锈蚀作用高效减水剂性能指标高效减水剂的减水率检验按GB8076-2008要求进行，掺量宜在2.5～3.0%。BeijingJiaotongUniversity四、制备及成型工艺活性粉末混凝土和普通混凝土一样，仍然是一种多相水泥基复合材料，可以采用普通混凝土的制备设备，但在生产工艺控制上有特殊要求。其制备及成型步骤如下：水+减水剂各组分精确称量石英砂+钢纤维干拌3min水泥+矿物掺合料干拌1min湿拌5-8min出料、成型静放24h-36h高温蒸汽养护72h自然冷却BeijingJiaotongUniversity四、制备及成型工艺1.制备工艺技术要求：（1）模板应具有足够的强度、刚度和稳定性；应保证构件各部位形状、尺寸及预埋件的准确定位。（2）搅拌设备应为强制式搅拌机，搅拌机转速不宜低于45转/min。（3）投料、搅拌顺序：先加石英砂和钢纤维，搅拌3min；再加入水泥和矿物掺合料，搅拌1min；最后加水和化学增强剂，再搅拌4min。（4）搅拌完毕的活性粉末混凝土材料拌合物坍落度宜控制在140～180mm。拌合物应在20min内浇筑完毕。单一构件应一次浇注成型。（5）活性粉末混凝土材料搅拌、运输、浇筑及构件静停应在10℃以上的环境下完成。（6）在浇筑活性粉末混凝土材料构件过程中，应随机抽样制作活性粉末混凝土材料试件。试件应随构件同条件下成型，并随构件同条件养护。BeijingJiaotongUniversity四、制备及成型工艺搅拌好的RPC材料应一次性装入试模并高出试模上口，在振动台上振动成型。振动时应防止试模在振动台上跳动，并用抹刀沿试模内壁多加插捣，持续到RPC表面出浆为止。振捣过程中注意抹平压光，并防止气泡产生。振捣结束刮去多余的拌合物，用抹刀抹平试件表面，将模具放入养护室，养护至24h～36h后拆模。2.成型工艺BeijingJiaotongUniversity四、制备及成型工艺成型完毕的构件先要放入温度20±2℃、相对湿度95%以上的标准养护室内养护24h~36h，之后拆模；然后将脱模后的试件放入蒸汽养护箱中，先将温度调至45℃，2h后调至60℃，再2h将温度升高至75℃后维持不变，养护68h后取出试件；最后将养护后的试件放到温度为（20±2）℃、湿度为（60±5）%的恒温恒湿试验室。3.养护方法BeijingJiaotongUniversity五、工作性工作性是指混凝土拌合物在不发生离析、泌水的条件下，能够满足一系列施工工序（如拌合、运输、浇灌、振捣等）的性能，包括流动性、粘聚性和保水性。对RPC而言，影响其工作性的主要因素有：水胶比、砂胶比、钢纤维种类及掺量、矿物掺合料的掺量。Beijin