金凌志，李月霞，付 強

（桂林理工大學(xué)a.廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實驗中心；b.廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004）

不同摻合料摻量的活性粉末混凝土抗壓強度試驗

金凌志a，李月霞b，付 強b

（桂林理工大學(xué)a.廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實驗中心；b.廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004）

通過活性粉末混凝土試件的受壓試驗，研究不同摻合料摻量的活性粉末混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d條件下的受壓力學(xué)性能。分析活性粉末混凝土立方體抗壓強度、棱柱體抗壓強度、彈性模量和峰值應(yīng)變的相互換算關(guān)系，擬合出活性粉末混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線方程式。研究結(jié)果表明：摻合料含量對活性粉末混凝土抗壓強度影響較大，不同摻合料對活性粉末混凝土強度影響由大到小依次為：粉煤灰＞硅粉＞雙摻粉煤灰和石英粉＞硅微粉＞石英粉，當(dāng)粉煤灰摻合料摻量為40%時，活性粉末混凝土能達到較高強度。

活性粉末混凝土；不同摻合料；強度；應(yīng)力－應(yīng)變曲線

0 引言

活性粉末混凝土（RPC）是根據(jù)密實堆積原理配制出來的具有超高力學(xué)性能和高耐久性能的新型水泥基復(fù)合材料［1］。與普通混凝土相比，RPC混凝土改善了材料組分的顆粒級配，由級配連續(xù)、良好的活性組分組成［2］，從而獲得高強度、高韌性和高耐久性，其中摻加的鋼纖維增加了RPC的強度和韌性，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。文獻［3－4］用不同摻合料取代RPC中的膠凝材料研究其力學(xué)性能，試驗結(jié)果表明：高爐礦渣和粉煤灰部分替代膠凝材料，可降低RPC的收縮變形，提高混凝土的抗壓強度和韌性。文獻［5－6］通過試驗與有限元模擬對比，分析鋼纖維高強混凝土板的沖切性能，研究結(jié)果表明：混凝土強度隨纖維摻量的增加而增加。文獻［7］的研究表明：當(dāng)硅微粉等量取代硅灰的質(zhì)量比為40%時，28 d齡期抗壓和抗折強度可以達到128.6 MPa和20.90 MPa。文獻［8］基于試驗基礎(chǔ)，通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，建立了RPC200單軸受壓應(yīng)力－應(yīng)變的本構(gòu)模型方程。文獻［9］通過線性回歸分析，得出了棱柱體與立方體抗壓強度、彈性模量與棱柱體抗壓強度關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式。

但是RPC的工程應(yīng)用還處于初級階段，對其軸心抗壓應(yīng)力－應(yīng)變的研究并不多，尚缺乏一套完整的規(guī)范和準(zhǔn)則。本文通過RPC的軸心抗壓試驗，研究活性摻合量對立方體抗壓強度、棱柱體抗壓強度、彈性模量等力學(xué)性能的影響，建立RPC的單軸受壓應(yīng)力－應(yīng)變曲線方程，為實際工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗

1.1 材料配合比

本文采用單摻及混摻方式，研究不同摻合料對活性粉末混凝土的軸心抗壓強度、彈性模量及受壓應(yīng)力－應(yīng)變曲線的影響。鑒于在一定條件下，摻合料取代硅灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過50%條件下［3－4，10－11］，其摻合量替代硅灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加對RPC強度、彈性模量等力學(xué)性能的提高有限，因此，在混凝土配合比設(shè)計中只討論在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d下不同摻合料等量（除硅微粉外）替代硅粉0%～60%活性粉末混凝土的力學(xué)性能、破壞形式以及應(yīng)力－應(yīng)變曲線。4批15組RPC配合比如表1所示。

1.2 試件制作及養(yǎng)護制度

分別進行了15組、每組3塊、邊長為100 mm的立方體試件抗壓強度試驗，以及15組、每組3塊的100 mm×100 mm×300 mm棱柱體試件的軸心抗壓試驗，制作過程如下：

表1 不同摻合料替代不同比例硅粉RPC配合比

（Ⅰ）按配比確定各材料用量，為防止纖維結(jié)團，先將水泥、礦粉、石英砂倒入攪拌桶內(nèi)，干攪1～2 min，然后再將鋼纖維分批倒入攪拌桶內(nèi)。

（Ⅱ）量取相應(yīng)質(zhì)量的水、減水劑，將高效減水劑和50%的水均勻混合，慢速攪拌2～3 m in。

（Ⅲ）加入剩余的水，快速攪拌2～3 min后將拌合物裝入鋼模中，裝料的同時手工壓實，盡量使試塊密實，最后放在振動臺上振搗2 min，試件自然養(yǎng)護24 h后拆模，并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28 d（見圖1）。

試驗按照國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T50081—2002）進行，加載設(shè)備采用桂林理工大學(xué)結(jié)構(gòu)實驗室YAW-2000B型電液式壓力試驗機，數(shù)據(jù)采集儀采用DH3816靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)。

圖1 養(yǎng)護中的一組試塊

2 結(jié)果分析

將試驗記錄的數(shù)據(jù)整理，得到15組試件立方體抗壓強度fcu、棱柱體抗壓強度fc、峰值應(yīng)變ε0和彈性模量Ec的平均值，詳見表2。

2.1 RPC變形與破壞特征

RPC軸心受壓試件的破壞過程與普通混凝土試件一樣，經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段、裂縫擴展和試件壓碎等過程，不同的是由于摻加了鋼纖維，RPC試件破壞時并沒有被壓酥散落，而是仍然保持整體（見圖2）。試件達到最大荷載前，試件表面很少出現(xiàn)裂縫，達到最大值后，立方體試塊表面出現(xiàn)明顯裂縫，特別是棱角處裂縫最大，試件中部外鼓開裂；而棱柱體試件應(yīng)力到達峰值后，很快出現(xiàn)斜裂縫并迅速發(fā)展成主斜裂縫。無論是立方體試塊還是棱柱體試塊，由于摻加了鋼纖維，在破壞過程中，伴隨清晰的“嘣嘣”聲，裂縫面的鋼纖維逐漸被拔出。

表2 力學(xué)性能試驗結(jié)果

2.2 摻合料摻量對RPC力學(xué)性能的影響

由表2可知：當(dāng)摻合料摻量為0%～20%時，RPC抗壓強度隨摻合料摻量的增加而降低，摻硅微粉的RPC強度降低幅度最小，降低4.6 MPa，摻粉煤灰的RPC強度降低幅度最大，強度降低7.9 MPa；摻合料摻量為20%～40%時，摻硅微粉和摻石英粉的RPC抗壓強度隨摻量的增加而降低，而摻粉煤灰RPC和雙摻粉煤灰石英粉的RPC抗壓強度卻隨摻量的增加而提高；當(dāng)摻合料摻量達到40%時，所有試塊的RPC抗壓強度都在120 MPa以上，特別是摻粉煤灰RPC試件，抗壓強度達到最高值134.4 MPa，比單摻硅粉的抗壓強度提高了3%左右；摻合料摻量為40%～60%時，RPC抗壓強度隨摻合料摻量的增加而降低，摻硅微粉試件強度降低22 MPa，摻石英粉的試件強度降低19.7 MPa，雙摻粉煤灰石英砂試件強度降低15.1 MPa，摻粉煤灰試件強度降低10.5 MPa。

圖2 RPC抗壓試件破壞形態(tài)

圖3為摻合料摻量對RPC抗壓強度的影響，從圖3可以直觀地看出4種不同摻合料對抗壓強度影響作用由大到小為：粉煤灰＞單摻硅粉＞雙摻粉煤灰、石英粉＞硅微粉＞石英粉。從市場調(diào)查材料成本來看，成本由高到低順序為：硅粉＞硅微粉＞石英粉＞粉煤灰。因此，摻入40%以下的粉煤灰替代價格昂貴的硅粉不僅能提高RPC的強度，還將產(chǎn)生很好的經(jīng)濟效益。粉煤灰的增強機理主要有以下兩方面的內(nèi)容：（Ⅰ）形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)：粉煤灰的顆粒粒徑非常小，遠小于水泥顆粒，顆粒呈球形，表面光滑。在配制低水膠比RPC混凝土?xí)r，隨著攪拌的進行，粉煤灰產(chǎn)生“滾珠”效應(yīng)，從而提高RPC漿體的流動性。同時粉煤灰還起到填充顆粒間隙的作用，改善漿料粒徑級配，提高漿體密實度。（Ⅱ）火山灰效應(yīng)：在水化初期，粉煤灰的火山灰反應(yīng)很慢，主要產(chǎn)生物理填充作用，改善摻合料的微觀結(jié)構(gòu)以推進復(fù)合膠凝材料抗壓強度的提高。水化后期粉煤灰的火山灰效應(yīng)充分發(fā)揮出來，粉煤灰中的SiO2在常溫下與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣（Ca（OH）2）發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成大量凝膠，填充在骨料間，進一步改善微觀結(jié)構(gòu)，提高漿體密實度，從而提高混凝土強度。同樣的活性作用，用硅微粉和石英粉代替40%以下的硅粉，也能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益。

圖3 摻合料摻量對RPC抗壓強度的影響

2.3 RPC棱柱體抗壓強度與立方體抗壓強度的關(guān)系

表2給出了RPC棱柱體與立方體強度的關(guān)系，由表2可看出：RPC材料的軸心抗壓強度隨立方體抗壓強度的增加而增加，棱柱體強度與立方體強度存在著fc／fcu∈（0.8～0.9）的換算關(guān)系，平均值為0.84，比文獻［13］給出C50及以下混凝土的比值（0.76）高；與C80的比值（0.82）接近［14］。本文通過15組試驗數(shù)據(jù)，擬合出RPC材料的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度計算公式（見圖4）：fc＝0.84 fcu＋1.35 MPa，其中fc、fcu分別為混凝土的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度，單位為MPa。

2.4 RPC彈性模量與立方體抗壓強度的關(guān)系

彈性模量是混凝土重要的性能指標(biāo)，它反映了混凝土應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系。由表2可知：混凝土的彈性模量隨強度單調(diào)增長，但兩者之間并不呈線性關(guān)系。本文通過15組彈性模量的數(shù)據(jù)，擬合出公式適應(yīng)于RPC的彈性模量與立方體抗壓強度的計算公式如圖5所示。

圖4 RPC棱柱體抗壓強度與立方體抗壓強度的關(guān)系

圖5 RPC彈性模量與立方體抗壓強度關(guān)系

2.5 RPC峰值應(yīng)變與RPC棱柱體抗壓強度的關(guān)系

試驗試件實測的峰值應(yīng)變ε0見表2。RPC峰值應(yīng)變與棱柱體抗壓強度關(guān)系見圖6。由表2和圖6可看出：RPC峰值應(yīng)變隨棱柱體抗壓強度的增大而單調(diào)增大，比普通混凝土和一般高強混凝土峰值應(yīng)力都大［15］；同時摻合料摻量對峰值應(yīng)變的影響不明顯。本文通過對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析和數(shù)據(jù)擬合，得到RPC峰值應(yīng)變與棱柱體抗壓強度的關(guān)系式ε0＝（23.10 MPa－1fc＋1 030）×10－6。在相同配比和養(yǎng)護制度條件下，與文獻［16］給出的摻鋼纖維RPC峰值應(yīng)變與棱柱體抗壓強度關(guān)系式類似。

3 RPC應(yīng)力－應(yīng)變曲線方程

圖6 RPC峰值應(yīng)變與棱柱體抗壓強度關(guān)系

混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線是混凝土力學(xué)性能的一個重要指標(biāo)，是構(gòu)件應(yīng)力分析、建立強度和變形計算理論必不可少的依據(jù)。與普通混凝土破壞變形一樣，經(jīng)歷了骨料與水泥晶體的彈性變形、彈塑性變形、裂縫快速發(fā)展不穩(wěn)定和壓酥脆性破壞等階段?；炷恋钠茐臋C理和裂縫的發(fā)展變化過程都可用應(yīng)力－應(yīng)變曲線來解釋，主要是由于混凝土內(nèi)微裂縫的擴展所致。目前，國內(nèi)外針對混凝土單軸受壓應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€已有大量研究，盡管各學(xué)者提出的數(shù)學(xué)函數(shù)類型和表達式各不相同，但全曲線具有的形狀及特征均得到研究人員的一致公認。

圖7 RPC實測應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€

3.1 RPC破壞特征與應(yīng)力－應(yīng)變曲線特征

RPC棱柱體受壓的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€見圖7，以B2組配比試驗值說明應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€特征。由圖7可看出：RPC棱柱體受壓的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€與普通混凝土典型應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€基本一致，曲線上有6個特征點：A、B、C、D、E、F表示混凝土在受壓狀態(tài)下的不同階段。

（Ⅰ）從開始加載至比例極限A點（σ＝0.6 fc～0.8 fc），應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系接近直線，混凝土的變形主要是骨料與水泥顆粒的彈性變形，裂縫主要表現(xiàn)為混凝土內(nèi)的黏結(jié)裂縫，但裂縫處于穩(wěn)定狀態(tài)，這個階段的應(yīng)力比普通混凝土增大了近1倍，說明RPC的開裂荷載提高了1倍，具有非常優(yōu)異的抗裂性能。

（Ⅱ）A-B（σ＝0.8 fc～0.9 fc）為彈塑性階段，B點稱為臨界點。隨著荷載的增大，裂縫的數(shù)量和寬度急劇增加，裂縫演變?yōu)橥p，但裂縫仍處于穩(wěn)定擴展階段。

（Ⅲ）超過B點，混凝土進入裂縫快速發(fā)展的不穩(wěn)定狀態(tài)直至峰值點C，混凝土內(nèi)裂縫形成與水平方向45°的破壞面，荷載將由混凝土分割的小柱體承擔(dān)。

（Ⅳ）超過峰值點C后，可見裂縫迅速發(fā)展，多條裂縫沿著試件成型面對角線貫通，混凝土損傷嚴(yán)重，應(yīng)力急劇下降，而應(yīng)變變化無幾，曲線到達拐點D。

（Ⅴ）曲線下降到D點以后，應(yīng)力－應(yīng)變曲線凸向x軸發(fā)展，在此階段出現(xiàn)曲率最大點E稱為收斂點。裂縫寬度進一步擴大，鋼纖維隨著應(yīng)變的增加沿裂縫面逐漸脫黏拔出，試件發(fā)出急促的鋼纖維被拔出的聲音，伴有爆裂聲，同時碎塊向四周飛濺。

（Ⅵ）應(yīng)力超過曲線E點后，試件進入殘余強度階段。在該階段，殘余強度主要由開裂后的試件殘體承擔(dān)。此時，有大量被剪碎的RPC碎屑從裂縫中掉落，曲線到達F點，試件加載結(jié)束。

3.2 RPC應(yīng)力－應(yīng)變曲線方程

針對普通混凝土受壓應(yīng)力－應(yīng)變曲線方程，大量專家學(xué)者提出了多種函數(shù)類型和數(shù)學(xué)表達式，如Hognestad的多項式［17］、Young的指數(shù)式、Desayi-Krishman的有理式［18］和Umemura的指數(shù)式［19］等。由于活性粉末混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線形式與普通混凝土類似，其本構(gòu)模型可基于現(xiàn)有的本構(gòu)模型形式［20－23］進行研究。

3.2.1 上升段曲線

對于上升段曲線（0≤x≤1），采用多項式進行擬合。考慮到鋼纖維活性粉末混凝土的強度較高，彈性部分較長，故選擇次數(shù)較高的多項式，本文選擇過原點的6次多項式進行推導(dǎo)擬合。

（Ⅰ）當(dāng)x＝0時，y＝0，滿足式（1）的要求；當(dāng)x＝1時，y＝1，則有：

將曲線方程簡化為：

3.2.2 下降段曲線

試驗設(shè)備和試驗方法對應(yīng)力－應(yīng)變曲線下降段有很大的影響，因而離散性較大。文獻［22］針對各研究學(xué)者的本構(gòu)模型，提出了更適合擬合曲線下降段的有理式方程。本文采用既滿足要求且較為簡單的有理式方程：

3.3 RPC單軸受壓應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€參數(shù)值的確定

據(jù)上所述，對12組不同摻合料摻量不超過60%的RPC無量綱坐標(biāo)應(yīng)力－應(yīng)變試驗曲線進行數(shù)據(jù)擬合，圖8為擬合得到的理論曲線與試驗曲線的比較。圖8中，字母A、B、C、D分別表示4種不同活性摻合料，數(shù)字1、2、3分別代表試件在該組的編號。由圖8可看出：上升段曲線吻合良好，下降段曲線離散性較大，但在理論曲線范圍內(nèi)，擬合方程有效。基于本文試驗結(jié)果，各種摻合料替代硅粉百分量的RPC受壓應(yīng)力－應(yīng)變曲線方程為：

4 結(jié)論

（1）與普通混凝土一樣，RPC同樣經(jīng)歷彈性變形、裂縫發(fā)展的穩(wěn)定階段、裂縫迅速發(fā)展不穩(wěn)定和試件破壞等4個階段。但由于RPC集料顆粒級配連續(xù)良好，提高了漿體的密實度，彈性變形階段比普通混凝土長很多；再者由于摻加了鋼纖維，延遲了RPC混凝土裂縫的開展，試件破壞時，RPC試塊仍能保持呈整體，而不是像普通混凝土那樣被壓酥散架。

（2）摻合料對RPC抗壓強度的影響由大到小排列順序為：粉煤灰＞硅粉＞雙摻粉煤灰、石英粉＞硅微粉＞石英粉。當(dāng)摻入40%粉煤灰替代部分價格昂貴的硅粉時，試件的抗壓強度提高幅度最大，因此，在RPC配比中加入適量的粉煤灰將產(chǎn)生很好的經(jīng)濟效應(yīng)。

圖8 理論曲線與試驗曲線對比圖

（3）在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d條件下，棱柱體抗壓強度隨立方體抗壓強度單調(diào)增加，強度比值fc／fcu為0.8～0.9，兩者的換算關(guān)系為fc＝0.84 fcu＋1.35 MPa；將試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到RPC彈性模量與棱柱體立方強度的擬合方程式RPC的峰值應(yīng)變明顯高于普通混凝土，將試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到RPC受壓峰值應(yīng)變與棱柱體抗壓強度的關(guān)系曲線方程：ε0＝（23.10 MPa－1fc＋1 030）×10－6。

（4）由于鋼纖維活性粉末混凝土RPC強度較高，彈性部分較長，試件破壞后的應(yīng)力－應(yīng)變離散性較大。對于RPC的軸心受壓應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€方程式，上升段選擇通過原點的6次多項式進行推導(dǎo)擬合，下降段曲線方程采用文獻［24］提出的有理式方程：

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TU312.1；TU317.1

A

1672－6871（2014）05－0055－08

國家自然科學(xué)基金項目（51368013）；廣西科技攻關(guān)基金項目（桂科攻0995004）；廣西重點實驗基金項目（11－cx－04）

金凌志（1959－），女，廣西桂林人，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為結(jié)構(gòu)工程.

2014－02－22