活性粉末混凝土原材料及制备方法

,*,*,*,*,中国文化遗产研究院,*,中国文化遗产研究院,Beijing Jiaotong University,*,*,中国文化遗产研究院,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,School of Civil Engineering and Architecture,Beijing Jiao tong University,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。,一、,RPC,材料及其发展现状,1.,什么是,UHPC,活性粉末混凝土,(Reactive Powder Concrete,，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,”,(UltraHigh Performance Concrete UHPC),，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,（,densified systems containing homogeneous arranged ultrafine particle,）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。,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。,2.RPC,研究及发展现状,一、,RPC,材料及其发展现状,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,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,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,（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,2,一、,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,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）,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,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。,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,01250m,，三种粒级,（,3,）,钢纤维,：细圆形钢纤维，直径,0.20mm,，长度,1214mm,（,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%,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,C,3,A,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,C,3,S,C,2,S,C,3,A,C,4,AF,f-CaO,f-MgO,含量,(%),60.5,18.1,7.4,8.9,0.9,1.8,42.5#,水泥的熟矿物组成,其中，石膏掺量为,2.95-3.0%,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,1,SiO,2,含量,%,97,2,氯离子含量,%,0.02,3,硫化物及硫酸盐含量,%,0.50,4,云母含量,%,0.50,5,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,1.25,0.63mm,0.63,0.315mm,0.315,0.16mm,1.25mm,0.63mm,0.63mm,0.315mm,0.315mm,0.16mm,百分率（）,5,10,5,10,5,5,三、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,2850,2,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。,RPC,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,1.4.1,硅粉,硅粉也叫,硅灰,（,Silica Fume,），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,150,250 kg/m,3,，比表面积,20 m,2,/g,，粒径小于,1m,，平均粒径为,0.1,0.2m,，无定形,SiO,2,含量,90%,。,三、原材料,粉煤灰（,fly ash,）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,1.,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,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,%,29,2,总碱含量（按,Na,2,O,质量计）,%,3.5,3,氯离子含量,%,0.2,4,硫酸钠含量,%,1.5,5,含固量,%,30,6,凝结时间差,min,120,7,净浆流动度,mm,250,8,含气量,%,2.0,9,抗压强度比,3d,%,130,7d,%,125,28d,%,120,10,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%,。,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：,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。,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,四、制备及成型工艺,成型完毕的构件先要放入温度,202,、相对湿度,95%,以上的标准养护室内养护,24h36h,，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（,202,）、湿度为（,605,）,%,的恒温恒湿试验室。,3.,养护方法,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。,五、配合比对工作性能的影响,1,、,水胶比,水胶比对活性粉末混凝土流动度影响,随,着,水胶比的增大，拌合物的流动度也随之增大。,五、配合比对工作性能的影响,2,、,砂胶比,砂胶比对活性粉末混凝土流动度影响,随砂胶比的增大，活性粉末混凝土的流动度逐渐减小。,五、配合比对工作性能的影响,3,、,钢纤维,种类及,掺量,纤维掺量对活性粉末混凝土流动性影响,随钢纤维掺量的增加，活性粉末混凝土的坍落度逐渐减小，流动性变差。,五、配合比对工作性能的影响,不同纤维类型活性粉末混凝土流动性随纤维掺量变