朱小芬

（廣州大學(xué)土木學(xué)院）

0 引言

1993年法國(guó)的BOUYGUES 公司以水泥為基材，采用水泥、硅灰、細(xì)砂、石英粉、高效塑化劑等組分，成功研制出密實(shí)度高、流動(dòng)性好，且抗壓強(qiáng)度達(dá)200MPa-800MPa的高強(qiáng)度活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡(jiǎn)稱RPC）[1]。自此，RPC 被廣泛應(yīng)用于石油、核電、市政、海洋工程以及軍事工程等眾多領(lǐng)域中[2]。1995年法國(guó)的Pierre Richard 等人在對(duì)RPC 原材料、工藝成型、養(yǎng)護(hù)制度的研究中指出通過(guò)優(yōu)化顆?；旌衔飦?lái)提高密實(shí)度[3]，本工作主要進(jìn)行顆粒級(jí)配優(yōu)化，并探討其對(duì)RPC 漿體流動(dòng)性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)材料包括P·I 42.5 硅酸鹽水泥、粗石英砂（16 目）、中石英砂（32 目）、細(xì)石英粉（150 目）、硅灰、Basf 減水劑（固含量為50%）。銅鍍鋼纖維（直徑為0.2mm，長(zhǎng)度為12mm）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

⑴試樣的制作

粗石英砂、中石英砂和細(xì)石英砂粉堆積實(shí)驗(yàn)配合比如表1 所示。

RPC 流變實(shí)驗(yàn)的配合比如表2 所示。

實(shí)驗(yàn)中選用膠砂攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，先按所設(shè)計(jì)配合比稱好實(shí)驗(yàn)所需材料放置備用，將減水劑和水?dāng)嚢杈鶆蚍胖脗溆?。首先將水泥，硅灰，砂都倒入膠砂攪拌機(jī)中，干攪2 分鐘后倒入稱好的鋼纖維繼續(xù)攪拌至。然后將配置好的溶液倒入攪拌機(jī)中，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)攪拌。

⑵石英砂堆積實(shí)驗(yàn)

表1 粗石英砂、中石英砂和石英粉相對(duì)占比

表2 流變實(shí)驗(yàn)RPC 配合比

為了使石英砂的堆積密度達(dá)到最優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)采用粗石英砂（16 目）、中石英砂（32 目）、細(xì)石英粉（150 目）進(jìn)行堆積實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。

⑶RPC 漿體流變實(shí)驗(yàn)

采用圖1 所示的BrookfieldR/S-SST 流變儀測(cè)定新鮮漿體的流變學(xué)參數(shù)(屈服應(yīng)力和塑性粘度)。加載過(guò)程包括預(yù)剪切階段和數(shù)據(jù)采集階段（如圖2）[4]。預(yù)剪切階段:在漿體攪拌成型之后，將漿體倒入450ml 燒杯中固定在試驗(yàn)臺(tái)上，靜置30s，預(yù)剪切過(guò)程控制剪切速度在100s 內(nèi)從0 增大至25s-1，然后葉片開(kāi)始以25s-1的恒定速度旋轉(zhuǎn)60s，再在100s 內(nèi)下降至0，通過(guò)預(yù)剪切使各組砂漿在流變性測(cè)試前獲得相同的剪切狀態(tài)；數(shù)據(jù)采集階段:預(yù)剪切階段后，靜置60S，然后在100s 內(nèi)線性增加到25s-1，最后在100s 內(nèi)下降到0s-1。

圖1

圖2

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顆粒堆積實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)了緊密堆積與自然堆積共20 組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)得相應(yīng)質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過(guò)相應(yīng)計(jì)算得圖3、圖4。

圖3 不同徑粒級(jí)配下的自然堆積密度

圖4 不同徑粒級(jí)配下的緊密堆積密度

由圖3 可知，當(dāng)中石英砂參量為0 時(shí)，三種徑粒的石英砂混合體系的堆積密度呈現(xiàn)出隨著石英粉的逐漸加入先增加后降低趨勢(shì)，且變化幅度較為明顯，當(dāng)粗石英砂和石英粉的相對(duì)占比為1:1 相同時(shí)，石英砂混合體系的自然堆積密實(shí)達(dá)到最大為1.446。粗石英砂占比大于0.5 時(shí)，隨著石英粉含量的增加，作為細(xì)骨料的石英粉填充進(jìn)由粗石英砂形成的“骨架”結(jié)構(gòu)體系中，使得石英砂的混合體系的堆積密實(shí)度隨著石英粉占比的增加而逐漸升高。當(dāng)粗石英砂占比超過(guò)小于0.5 時(shí)，此時(shí)石英粉在石英砂的混合體系中占主導(dǎo)位置，而粗石英砂顆粒則作為粗骨料隨機(jī)分散在石英粉散體中，粗石英砂和石英粉之間因未緊密嵌合而產(chǎn)生了松動(dòng)效應(yīng)，因此產(chǎn)生了隨著石英粉含量的增加而逐漸降低得現(xiàn)象。由圖4 中可知，當(dāng)中石英砂參量為0 時(shí)，在緊密堆積狀態(tài)下，當(dāng)粗石英砂和石英粉參量相對(duì)占比為4:6 時(shí)，體系的堆積密實(shí)達(dá)到最大1.069，這是由于震動(dòng)使得粗石英砂與石英粉之間緊密更強(qiáng)，因此相對(duì)于松散堆積石英粉含量50%，緊密堆積下當(dāng)石英粉含量增加到60%時(shí)，緊密堆積達(dá)到最大。

由圖3、圖4 可知，隨著中石英砂含量的逐漸增加石英砂混合體系堆積密度整體呈下降趨勢(shì)。中石英砂在體系中，其徑粒大小處于粗石英砂和石英粉之間，填充效果沒(méi)有石英粉好，比表面積較粗石英砂大，從而使得顆粒與顆粒間的得嵌合更為松動(dòng)，因此產(chǎn)生了隨著中石英砂含量的逐漸增加堆積密度整體呈下降趨勢(shì)。

2.2 堆積密度對(duì)RPC 流變特性的影響

改進(jìn)的Bingham 模型[5]常被用作新鮮混凝土的流變模型，見(jiàn)式⑴和式⑵。是根據(jù)改良的Bingham 流變模型擬合了不同粗石英砂和細(xì)沙配比的RPC 漿體的流變曲線，擬合數(shù)據(jù)表現(xiàn)出較高的一致性。表3 列出了不同水灰比下新鮮RPC 漿體的屈服應(yīng)力和塑性粘度，表4 列出了不同顆粒級(jí)配下RPC 漿體的塑性粘度。

表3 不同水灰比RPC 的流變參數(shù)

表4 不同顆粒級(jí)配RPC 的流變參數(shù)

式中：τ 是剪切應(yīng)力；τ0是屈服剪切應(yīng)力；μ 是塑性粘度；γ′是剪切速率；c 是回歸系數(shù)。

RPC 試樣SS1 的流變曲線如圖5 所示，從圖中可以看出向上和向下的曲線構(gòu)成典型的滯回曲線，表示RPC漿體內(nèi)部絮凝結(jié)構(gòu)的改變。由于水灰比對(duì)RPC 流變曲線的向下曲線更能很好的顯示出RPC 的流變性，因此我們?cè)搶?shí)驗(yàn)研究使用向下階段曲線來(lái)進(jìn)行分析不同水灰比RPC 漿體的流變特性（圖6）。由于顆粒級(jí)配下的RPC 流變曲線上升階段能很好的便顯出RPC 的流變性[6]，因此此次實(shí)驗(yàn)研究使用上升階段曲線來(lái)進(jìn)行分析不同顆粒級(jí)配下新鮮RPC 漿體的流變特性。由于鋼纖維的加入使得RPC 進(jìn)行流變實(shí)驗(yàn)時(shí)，鋼纖維與葉片之間的碰撞會(huì)產(chǎn)生一些異常突起的點(diǎn)，因此在此階段做了一定的優(yōu)化處理。圖7 為不同顆粒級(jí)配下RPC 漿體的流變曲線。

由表3 可知，隨著水灰比的增大，RPC 漿體的相應(yīng)的塑性粘度是逐漸減小的趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的屈服應(yīng)力整體上是逐漸增大的，這是由于隨著水灰比越大，RPC 漿體中的自由水含量越多，游離的自由水使得漿體中產(chǎn)生水膜，漿體中顆粒與顆粒間的距離由于水膜而增大，減小了漿體的內(nèi)聚力，從而導(dǎo)致漿體的塑性粘度下降，流動(dòng)度增大。

圖5 SS1 的RPC 流變曲線

圖6 不同水灰比的RPC 的流變曲線(下降段)

圖7 不同顆粒級(jí)配下RPC 的流變曲線(上升段)

由表4 可知，從整體上來(lái)看，RPC 的屈服應(yīng)力是非常小的幾乎都為零，這說(shuō)明在該實(shí)驗(yàn)中RPC 漿體本身水灰比較小等原因?qū)е铝鲃?dòng)性較差，且隨著細(xì)石英砂含量的逐漸增多，顯著增加了漿體的塑性黏度，這是因?yàn)榧?xì)石英砂相較粗石英砂，具有更大的比表面積，在RPC 漿體中消耗了更多的水來(lái)包裹和濕潤(rùn)顆粒表面，因此更有助于顆粒之間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和絮凝結(jié)構(gòu)的形成，從而使得漿體的塑性粘度顯著增加[7]。

3 結(jié)論

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的研究，得出如下結(jié)論：

⑴隨著石英粉含量的增加，石英砂的混合體系的堆積密度會(huì)呈現(xiàn)出明顯的先增加后減小趨勢(shì)。

⑵中石英砂的摻入并未提高石英砂混合體系的相對(duì)密度，選擇粗石英砂與石英粉更能實(shí)現(xiàn)密實(shí)度較好的RPC。

⑶在本實(shí)驗(yàn)條件下，中石英砂含量為0，粗石英砂與細(xì)石英砂相對(duì)占比在10:0～7:3 的范圍內(nèi)，隨著體系中石英粉含量的增加，RPC 的密實(shí)度相對(duì)提高的同時(shí)，RPC 漿體的塑性黏度會(huì)顯著增加。