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1、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
2、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
3、： 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,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。,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
4、,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
5、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
6、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,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：,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
7、如下：,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：,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150250 kg/m3，比表面积20 m2/g，粒径小于1m，平均粒径为
8、0.10.2m，无定形SiO2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13001500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
9、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,高效减水剂性能指标,高效减水剂的减水
10、率检验按GB8076-2008要求进行，掺量宜在2.53.0%。,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
11、材料拌合物坍落度宜控制在140180mm。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24h3
12、6h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
13、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化,五、配合比对工作性能的影响,4、矿物掺合料掺量,硅粉与水泥比例变化对活性粉末混凝土坍落度影响,硅灰对活性粉末混凝土拌合物的流变性的改善有很大的作用,但其有一个最佳掺量,超过最佳掺量后,反而会使拌合物的流动性降低。,谢 谢！,北京交通大学土木建筑工程学院 School of Civil Engineering and Architecture, Beijing Jiaotong University,
