活性粉末混凝土原材料及制備方法

1、活性粉末混凝土原材料及制備方法活性粉末混凝土原材料及制備方法 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 安明喆安明喆School of Civil Engineering and Architecture, Beijing Jiao tong UniversityBeijing Jiaotong University前言前言 隨著新型高效減水劑的發(fā)明與應(yīng)用、礦物超細(xì)粉的回收與加工、纖維材料的發(fā)展以及新型水泥基材料的發(fā)明，混凝土技術(shù)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已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于世界各地的重特大工程中。Beijing J

2、iaotong University一、一、RPC材料及其發(fā)展現(xiàn)狀材料及其發(fā)展現(xiàn)狀1. 1. 什么是什么是UHPCUHPC活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，以下簡(jiǎn)稱RPC）作為UHPC的一種，是90年代中期法國(guó)Bouygues公司Richard等人研制出的具有超高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性、且體積穩(wěn)定性良好的水泥基復(fù)合材料?！俺咝阅芑炷痢?(UltraHigh Performance Concrete UHPC) ，所謂“超高” 包含兩個(gè)方面超高的力學(xué)性能和超高的耐久性。UHPC以DSP（densified systems containing homogene

3、ous arranged ultrafine particle ）技術(shù)為基礎(chǔ)，使“DSP+S（砂）+F（纖維）”體系的抗壓強(qiáng)度200MPa，“DSP+S（砂）+G（碎石）”的抗壓強(qiáng)度150MPa。 定義：定義： RPC RPC由超細(xì)活性粉末、水泥、優(yōu)質(zhì)細(xì)骨料、高強(qiáng)度纖維等組分，通過(guò)由超細(xì)活性粉末、水泥、優(yōu)質(zhì)細(xì)骨料、高強(qiáng)度纖維等組分，通過(guò)最優(yōu)化級(jí)配設(shè)計(jì)，經(jīng)高溫?zé)岷系忍囟üに囍苽涠?，是超?xì)粒聚密材料與纖最優(yōu)化級(jí)配設(shè)計(jì)，經(jīng)高溫?zé)岷系忍囟üに囍苽涠?，是超?xì)粒聚密材料與纖維增強(qiáng)技術(shù)相結(jié)合的高技術(shù)復(fù)合材料。維增強(qiáng)技術(shù)相結(jié)合的高技術(shù)復(fù)合材料。Beijing Jiaotong University一、一、

4、RPC材料及其發(fā)展現(xiàn)狀材料及其發(fā)展現(xiàn)狀RPC具有高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性和高環(huán)保性。 Beijing Jiaotong University2. RPC 2. RPC 研究及發(fā)展現(xiàn)狀研究及發(fā)展現(xiàn)狀一、一、RPC材料及其發(fā)展現(xiàn)狀材料及其發(fā)展現(xiàn)狀Beijing Jiaotong University2. RPC2. RPC研究及發(fā)展現(xiàn)狀研究及發(fā)展現(xiàn)狀一、一、RPC材料及其發(fā)展現(xiàn)狀材料及其發(fā)展現(xiàn)狀Beijing Jiaotong University2. RPC2. RPC研究及發(fā)展現(xiàn)狀研究及發(fā)展現(xiàn)狀一、一、RPC材料及其發(fā)展現(xiàn)狀材料及其發(fā)展現(xiàn)狀Beijing Jiaotong University

5、本課題組自開(kāi)展RPC研究以來(lái)，先后得到了多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。項(xiàng)目編號(hào)項(xiàng)目名稱5110801951108019活性粉末混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度與本構(gòu)關(guān)系研究活性粉末混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度與本構(gòu)關(guān)系研究511008014511008014鋼管約束下活性粉末混凝土本構(gòu)模型研究鋼管約束下活性粉末混凝土本構(gòu)模型研究5077802150778021活性粉末混凝土的疲勞損傷機(jī)理研究活性粉末混凝土的疲勞損傷機(jī)理研究5077801750778017活性粉末混凝土墩柱構(gòu)件的損傷機(jī)理研究活性粉末混凝土墩柱構(gòu)件的損傷機(jī)理研究5050800550508005活性粉末混凝土的基本力學(xué)特性及其機(jī)理研究活性

6、粉末混凝土的基本力學(xué)特性及其機(jī)理研究2. RPC2. RPC研究及發(fā)展現(xiàn)狀研究及發(fā)展現(xiàn)狀一、一、RPC材料及其發(fā)展現(xiàn)狀材料及其發(fā)展現(xiàn)狀Beijing Jiaotong University（建筑工程）（建筑工程）車站頂棚高爐屋頂建筑外墻面層板車站聲屏障板建筑外墻面層板一、一、RPC材料及其發(fā)展現(xiàn)狀材料及其發(fā)展現(xiàn)狀2. RPC2. RPC研究及發(fā)展現(xiàn)狀研究及發(fā)展現(xiàn)狀Beijing Jiaotong University2一、一、RPC材料及其發(fā)展現(xiàn)狀材料及其發(fā)展現(xiàn)狀各類RPC預(yù)制構(gòu)件2. RPC2. RPC研究及發(fā)展現(xiàn)狀研究及發(fā)展現(xiàn)狀Beijing Jiaotong University一、一、

7、RPC材料及其發(fā)展現(xiàn)狀材料及其發(fā)展現(xiàn)狀2. RPC2. RPC研究及發(fā)展現(xiàn)狀研究及發(fā)展現(xiàn)狀韓國(guó)RPC人行拱橋 日本Sakata-Mirai人行橋加拿大Sherbrooke人行橋我國(guó)青藏鐵路RPC橋梁北京五環(huán)路RPC蓋板（橋梁工程）（橋梁工程）Beijing Jiaotong University二、二、RPC制備原理制備原理1. 1. 基本原理基本原理 1 1） 用細(xì)骨料代替粗骨料用細(xì)骨料代替粗骨料 2 2） 提高漿體的力學(xué)性能提高漿體的力學(xué)性能 3 3） 降低骨料與漿體的比值降低骨料與漿體的比值 4 4） 減少界面與改善過(guò)渡區(qū)減少界面與改善過(guò)渡區(qū) 1 1） 按合理制度高溫養(yǎng)護(hù)按合理制度高溫養(yǎng)

8、護(hù) 2 2） 激發(fā)活性組分的活性激發(fā)活性組分的活性 高強(qiáng)度鋼纖維改善韌性，提高強(qiáng)度高強(qiáng)度鋼纖維改善韌性，提高強(qiáng)度 1 1） 優(yōu)選原材料優(yōu)選原材料 2 2） 最密實(shí)配料最密實(shí)配料 2 2） 成型工藝成型工藝 Beijing Jiaotong University二、二、RPC制備技術(shù)制備技術(shù)2. 2. 配合比設(shè)計(jì)思路配合比設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)思路：設(shè)計(jì)思路：混凝土的集料盡可能地緊密堆積，集料顆粒之間的空隙由具有一定混凝土的集料盡可能地緊密堆積，集料顆粒之間的空隙由具有一定水膠比的漿體填充，膠凝材料級(jí)配合理。水膠比的漿體填充，膠凝材料級(jí)配合理。 進(jìn)一步再考慮顆粒間的物理化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)顆粒間的相互粘結(jié)形成進(jìn)

9、一步再考慮顆粒間的物理化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)顆粒間的相互粘結(jié)形成均勻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，達(dá)到超高強(qiáng)和高密實(shí)。均勻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，達(dá)到超高強(qiáng)和高密實(shí)。Beijing Jiaotong University三、原材料三、原材料1.1.原材料組成原材料組成（1）水泥水泥：普通硅酸鹽水泥或硅酸鹽水泥 （2）骨料骨料：石英砂，粒徑范圍01250m，三種粒級(jí)（3）鋼纖維鋼纖維：細(xì)圓形鋼纖維，直徑0.20mm，長(zhǎng)度1214mm（4）礦物添加劑礦物添加劑：多種活性礦物通過(guò)活性組合實(shí)驗(yàn)與最佳顆粒級(jí)配計(jì)算配制（5）高性能減水型外加劑高性能減水型外加劑：新型高性能減水劑，深紫色透明液體，減水率為31%Beijing Jiaotong

10、University三、原材料三、原材料 水泥應(yīng)采用品質(zhì)穩(wěn)定、強(qiáng)度等級(jí)不低于42.5級(jí)的低堿硅酸鹽水泥或低堿普通硅酸鹽水泥，水泥熟料中C3A含量不得大于8。其它性能應(yīng)符合GB175-2007規(guī)定，不得使用其它品種水泥。 我國(guó)配制活性粉末混凝土所用水泥一般為42.5#的普通硅酸鹽水泥。 1.1 1.1 水泥水泥礦物名稱 C3SC2SC3AC4AFf-CaO f-MgO含量(%) 60.518.17.4 8.9 0.9 1.842.5#水泥的熟礦物組成其中，石膏摻量為2.95-3.0%Beijing Jiaotong University三、原材料三、原材料1.2 1.2 骨料骨料 RPC所用骨料

11、為石英砂，其性能指標(biāo)應(yīng)滿足要求：序號(hào)項(xiàng)目單位性能指標(biāo)1SiO2含量%972氯離子含量%0.023硫化物及硫酸鹽含量%0.504云母含量%0.505含泥量%0.50 分粗砂、中砂、細(xì)砂三種粒徑，不同粒級(jí)石英砂的超粒徑含量限制如下：不同粒級(jí)石英砂1.250.63mm0.630.315mm0.3150.16mm1.25mm0.63mm0.63mm0.315mm0.315mm0.16mm百分率（）51051055Beijing Jiaotong University三、原材料三、原材料1.3 1.3 鋼纖維鋼纖維鋼纖維應(yīng)采用高強(qiáng)度圓截面纖維，其性能指標(biāo)應(yīng)滿足要求：序號(hào)項(xiàng)目單位性能指標(biāo)1抗拉強(qiáng)度MPa2

12、8502長(zhǎng)度*%1214mm纖維比例96%3直徑*%0.180.22mm纖維比例90%4形狀合格率%96%5雜質(zhì)含量%1.00%注：*50根試樣的長(zhǎng)度平均值應(yīng)在1214mm范圍內(nèi)；*50根試樣的直徑平均值應(yīng)在0.180.22mm范圍內(nèi)。Beijing Jiaotong University RPC配制過(guò)程中摻加礦物摻合料可以減小水泥用量，提高組份的細(xì)度和反應(yīng)活性，同時(shí)還可以改善活性粉末混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而改善其基本性能。通?；钚苑勰┗炷林袚郊拥牡V物摻合料有：硅粉、粉煤灰、礦粉、偏高嶺土等幾種。1.4 1.4 礦物摻合料礦物摻合料三、原材料三、原材料Beijing Jiaotong Univ

13、ersity1.4.1 1.4.1 硅粉硅粉 硅粉也叫硅灰（Silica Fume ），是工業(yè)電爐在高溫熔煉工業(yè)硅及硅鐵的過(guò)程中，隨廢氣逸出的煙塵經(jīng)特殊的捕集裝置收集處理而成。 常用的硅粉是灰白色球狀粉末，表觀密度通常為150250 kg/m3，比表面積20 m2/g，粒徑小于1m，平均粒徑為0.10.2m，無(wú)定形SiO2含量90%。三、原材料三、原材料Beijing Jiaotong University 粉煤灰（fly ash）是工業(yè)固體廢物的一種。是煤粉進(jìn)入13001500的爐膛后，在懸浮燃燒條件下經(jīng)受熱面吸熱后冷卻而形成的。 活性粉末混凝土中，由于水膠比較低，所以在配制過(guò)程中摻入粉煤灰

14、具有如下優(yōu)點(diǎn)： （1）粉煤灰能和硅灰一起改善拌合物的流動(dòng)性及和易性，降低拌合物的粘稠度，減少攪拌時(shí)引入的氣泡，提高基體的密實(shí)度； （2）由于粉煤灰在早期不參與水化，所以在整個(gè)膠凝組分中水灰比（水/水泥）并不低，因此摻加粉煤灰有利于水泥在早期的水化。同時(shí)在水化后期，粉煤灰能與水泥水化物進(jìn)行二次水化反應(yīng)，起到進(jìn)一步填充密實(shí)的效果； （3）利用粉煤灰部分替代水泥還能夠降低總成本，提高性能價(jià)格比。1.4.2 1.4.2 粉煤灰粉煤灰三、原材料三、原材料Beijing Jiaotong University1.鋼纖維1.鋼纖維1.4.3 1.4.3 其它礦物摻合料其它礦物摻合料 偏高嶺土偏高嶺土是在一定

15、溫度和條件控制下煅燒的高嶺土，具有較高的火山灰活性?；钚苑勰┗炷僚渲七^(guò)程中摻加的偏高嶺土具有加速水泥水化效應(yīng)、填充效應(yīng)及火山灰效應(yīng)，從而提高活性粉末混凝土的強(qiáng)度及其他性能。此外礦粉礦粉也可用于制備活性粉末混凝土。三、原材料三、原材料Beijing Jiaotong University 活性粉末混凝土配制過(guò)程中通過(guò)摻加減水劑來(lái)降低水的用量，從而降低水膠比。用來(lái)配制活性粉末混凝土的減水劑應(yīng)有很好的減水效果，并能與所選水泥相匹配，即水泥與減水劑的相容性好。1.5 1.5 高效減水劑高效減水劑三、原材料三、原材料序號(hào)項(xiàng)目單位性能指標(biāo)1減水率%292總堿含量（按Na2O質(zhì)量計(jì)）%3.53氯離子含量%

16、0.24硫酸鈉含量%1.55含固量%306凝結(jié)時(shí)間差min1207凈漿流動(dòng)度mm2508含氣量%2.09抗壓強(qiáng)度比3d%1307d%12528d%12010對(duì)鋼筋銹蝕作用-對(duì)鋼筋無(wú)銹蝕作用高效減水劑性能指標(biāo)高效減水劑性能指標(biāo)高效減水劑的減水率檢驗(yàn)按GB8076-2008要求進(jìn)行，摻量宜在2.53.0%。 Beijing Jiaotong University四、制備及成型工藝四、制備及成型工藝 活性粉末混凝土和普通混凝土一樣，仍然是一種多相水泥基復(fù)合材料，可以采用普通混凝土的制備設(shè)備，但在生產(chǎn)工藝控制上有特殊要求。其制備及成型步驟如下：Beijing Jiaotong University四、

17、制備及成型工藝四、制備及成型工藝 1.制備工藝制備工藝技術(shù)要求： （1）模板應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性；應(yīng)保證構(gòu)件各部位形狀、尺寸及預(yù)埋件的準(zhǔn)確定位。 （2）攪拌設(shè)備應(yīng)為強(qiáng)制式攪拌機(jī)，攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速不宜低于45轉(zhuǎn)/min。 （3）投料、攪拌順序投料、攪拌順序：先加石英砂和鋼纖維，攪拌3min；再加入水泥和礦物摻合料，攪拌1min；最后加水和化學(xué)增強(qiáng)劑，再攪拌4min。 （4）攪拌完畢的活性粉末混凝土材料拌合物坍落度宜控制在140180mm。拌合物應(yīng)在20min內(nèi)澆筑完畢。單一構(gòu)件應(yīng)一次澆注成型。 （5）活性粉末混凝土材料攪拌、運(yùn)輸、澆筑及構(gòu)件靜停應(yīng)在10以上的環(huán)境下完成。 （6）在澆筑活性粉末

18、混凝土材料構(gòu)件過(guò)程中，應(yīng)隨機(jī)抽樣制作活性粉末混凝土材料試件。試件應(yīng)隨構(gòu)件同條件下成型，并隨構(gòu)件同條件養(yǎng)護(hù)。Beijing Jiaotong University四、制備及成型工藝四、制備及成型工藝 攪拌好的RPC材料應(yīng)一次性裝入試模并高出試模上口，在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)成型。振動(dòng)時(shí)應(yīng)防止試模在振動(dòng)臺(tái)上跳動(dòng)，并用抹刀沿試模內(nèi)壁多加插搗，持續(xù)到RPC表面出漿為止。振搗過(guò)程中注意抹平壓光，并防止氣泡產(chǎn)生。振搗結(jié)束刮去多余的拌合物，用抹刀抹平試件表面，將模具放入養(yǎng)護(hù)室，養(yǎng)護(hù)至24h36h后拆模。2.成型工藝成型工藝Beijing Jiaotong University四、制備及成型工藝四、制備及成型工藝 成型

19、完畢的構(gòu)件先要放入溫度202、相對(duì)濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)24h36h，之后拆模； 然后將脫模后的試件放入蒸汽養(yǎng)護(hù)箱中，先將溫度調(diào)至45，2h后調(diào)至60，再2h將溫度升高至75后維持不變，養(yǎng)護(hù)68h后取出試件； 最后將養(yǎng)護(hù)后的試件放到溫度為（202）、濕度為（605）%的恒溫恒濕試驗(yàn)室。3.養(yǎng)護(hù)方法養(yǎng)護(hù)方法Beijing Jiaotong University五、工作性五、工作性 工作性是指混凝土拌合物在不發(fā)生離析、泌水的條件下，能夠滿足一系列施工工序（如拌合、運(yùn)輸、澆灌、振搗等）的性能，包括流動(dòng)性、粘聚性和保水性。 對(duì)RPC而言，影響其工作性的主要因素有：水膠比、砂膠比、鋼纖維種類及摻量、礦物摻合料的摻量。 Beijing Jiaotong University五、配合比對(duì)工作性能的影響五、配合比對(duì)工作性能的影響 1、水膠比0.190.200.210.220.230.240.250.26