基于堆积密实度和CaOSiO2的RPC胶凝材料设计.docx

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1、基于堆积密实度和CaOZSiO2的RPC胶凝材料设计摘要：为了得到强度较高的RPC,本文利用堆积密实度和CaO/SiCh对RPC的胶凝材料进行 设计，从物理和化学填充两个方面对其进行考虑，其中化学填充起主导作用。通过变化硅灰 的掺量，对理论设计出的胶凝材料比例进行验证，试验结果表明：通过理论设计得到的RPC 抗折和抗压强度可达到39.7MPa和193.IMPa,相比其他的配合比，理论设计得到的RPC强 度最高，可将这个方法用于RPC的胶凝材料设计中。关键词：活性粉末混凝土；胶凝材料设计；强度一、前言与普通混凝土相比较，超高强混凝土可以大量减少材料用量，降低建筑成本，节约资 源，减少生产、运输和

2、施工能耗。采用超高强混凝土将对改善和保护人类环境作出巨大的贡 献。活性粉末混凝土（ReaCtiVePOWderCOnCrete,简写成RPC）是二十世纪末由法国人Pierre RiChard研究成功的一种超高强、低脆性、耐久性优异并具有广阔应用前景的新型超高强混 凝土。它是由级配石英细砂（不含粗骨料）、水泥、石英粉、硅灰、超塑化剂和钢纤维组成， 在凝结、硬化过程中采取适当的成型养护工艺（如加压、加热）而获得。RPC组分多，强度高，对原材料性能很敏感。目前国内研究者在配制RPC时，对原材 料的选择基本上考虑就地取材，这一方面对降低成本、促进其工程应用提供了研究基础，另 一方面也给有限的试验数据造

3、成了很多不可比的因素，且试验结果差别较大。学者们为了获得一种较好的RPC配合比设计方法进行了许多研究。有学者提出了一 种基于正交设计理论的RPC配合比设计方法。崔巩等为了提高活性粉末混凝土的密实度， 用基于Dinger-funk方程的最紧密堆积理论对RPC进行配合比设计。本文利用堆积密实度和 CaO/SiOz确定RPC胶凝材料之间比例，同时考虑物理和化学填充作用，为RPC配合比设计 奠定基础。二、堆积密实度的计算颗粒混合物体系的堆积密实度对于其水化硬化后的性能具有重要影响。对于含有两种粒 径颗粒的二元颗粒体系，可用Aim和GOff等人网发展的数学模型对其堆积密实度进行估算。按照该模型,此二元体

4、系中存在一个最大堆积密实度K*,且此时尺寸较小的颗粒所对应的体 积分数可用下式计算：1-(1 + O,9j1j2i-E2),2-(l + 0.9t1Xl-E2)当G u；时,系统的堆积密实度可用下式表示：K=(L)1+d-1)(l + .w/J2Xl-F2)式中：为小颗粒的体积分数；4为小颗粒的平均粒径；4为大颗粒的平均粒径；E2 为大颗粒材料的空隙率。其中石2的计算公式如下：G=互Pf式中PF为材料的表观密度，27为材料的堆积密度。三、摩尔CaO/Si2的计算生产硅酸盐水泥的原料经过高温煨烧后，原料中的CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3成分化合为 熟料，本试验主要矿物成分及其含量如表2

5、所示。水泥和水混合后，熟料矿物与水发生水化反应的机理大致如下：1硅酸三钙C3S的水化反应，可用下面方程表示：2(3CaOSiO2)+6H2=3CaO2SiO23H2O+3Ca(OH)2(5)2硅酸二钙C2S的水化和C3S极为相似，其水化反应可用式(6)表示：2(2CaOSiO2) + 4H2O = 3CaO2SiO2 3H2O +Ca(OH)2(6)通过加入硅灰，使之充分消耗化学反应式(5)、(6)中生成的CH,如式(7)所示：Ca(OH)2 + SiO2 + mH2O = CaO-SiO2-InH2O(7)计算硅灰、水泥二元体系中Ca(OH)2完全反应时的摩尔CaOSiO2o假设IoOg水泥

6、，由表2可计算出C3S、CzS版量为C3S:10061.7%=61.7 (g)C2S:10020.5%=20.5 (g)而C3S、CzS的摩尔质量分别为228gmok 172gmol,可以算其C3S、CzS摩尔量为C3S:61.7/228=0.27 (mol)C2S:20.5/172=0.119 (mol)根据式(5)、(6)的系数比计算C3S、CzS反应生成的CH共计摩尔量为0.271.5+0.1190.5=0.4645 (mol)由式计算消耗的SiO2为0.4645 moloSiO2的摩尔质量为60 gmol,可计算出SiO2的质量为0.464560=27.87 (g)由表4可算出硅灰的质

7、量为27.87/0.9759=28.5 (g)即IOOg水泥产生的CH被28.5 g硅灰完全消耗。由于CaO的摩尔质量为56gmol,根据表3、表4可算得此时摩尔CaO/SiO?为1 OOx 0.6524+ 28.5 0.0003 : IOOx 0.2238+28.5 0.9759 ：=1.395660四、确定最优胶凝材料比例现在通过改变硅灰、水泥的比例，根据上述计算方法，计算不同比例下硅灰、水泥二元 体系中的堆积密实度K和摩尔CaO/SiCh，计算结果见表U表1硅灰、水泥二元体系堆积密实度、摩尔CaOSi2组号水泥、硅灰的质量比硅灰、水泥二元 体系堆积密实度K摩尔 CaOZSiO2水泥硅灰1

8、10.20.5281.668210.250.5521.494310.30.581.344410350.611.237510.4240.651.1610.450.6441.055硅灰作为一种矿物掺合料加入水泥中，主要起到物理和化学的填充密实作用。就物理填充作用而言，在水泥颗粒体系中掺入一定粒径的硅灰，利用粒子间的相互填充效应，可以改善该体系的堆积密实性能。至于硅灰的化学填充密实作用，有研究表明：在一定水胶比和水化程度下，随着硅粉 掺量的增加，胶凝体系的固体体积分数逐渐增加，体系则越密实，强度越高，但存在最佳值。 当CH消耗完后，硅粉不能再发生二次水化反应，以后随着硅粉掺量的增加，体系固体体积 则

9、减小。即硅灰刚好完全消耗CH时固体体积分数最大，化学填充密实效果最好，强度最高。 除此之外，CH晶体因其具有层状构造，层间结合较弱，在受力较大时是裂缝的策源地，消 耗CH对强度有利。综合考虑物理与化学的填充效果，其中化学作用占主导地位。这是因为化学填充密实作 用更能反映水化后的体系密实程度。而物理堆积密实度表示的是最初（即龄期为0）的密实 程度，对水化后的密实程度有一定影响，但不起主要作用。在化学填充效果相当时，可用物 理堆积密实度进行判断。因此，我们判断最优胶凝材料比例的依据就是，首先考虑化学填充效果，再以堆积密实 度进行判断。以本文为例，化学填充效果最优时，摩尔CaO/SiOz为1.39,

10、第2、3组（摩尔 Cao/Si2分别为1.494、1.344）均较为接近，再比较两者的堆积密实度K,第3组的K较 大，因此判断第3组为最优的胶凝材料比例，再以试验进行验证。五、原材料参数1 .原材料水泥：福建“炼石”牌P.O 525普通硅酸盐水泥硅灰：西宁铁合金厂生产的硅灰，Si2大于等于90%,粒径为0.10.2um砂：闽江河沙减水剂：福州桑源新型建材有限公司聚按酸减水剂，减水率为40%钢纤维：江西赣州大业钢丝厂制的表面镀铜光面平直钢纤维，直径约0.150.2mm,长 度 13 mm2 .测试内容及方法（1）水泥：测水泥的表观密度F、水泥的堆积密度PCT （试验方法见GB/T208-94）,

11、 水泥的平均粒径、化学参数、化学组成由厂家提供。（2）硅灰：测硅灰的表观密度PS尸、硅灰堆积密度 （试验方法参照GB/T208-94）, 硅灰平均粒径4鼾、化学参数由厂家提供。3 .参数测试结果（1）水泥的基本参数，见表2、表3（2）硅灰的基本参数，见表4表2水泥熟料的化学组成化合物名称氧化物成分缩写符号含量()硅酸三钙3CaOSiO2C3S61.7硅酸二钙2CaOSiO2C2S20.5铝酸三钙3CaOAl2O3C3A5.13铁铝酸四钙4CaOAl2O3Fe2O3C4AF12.15表3水泥基本参数化学参数物理参数SiO2 (%)Fe2O3(%)MgO (%)Al2O3(%)CaO(%)SO3

12、(%)L.O.I(%)水泥平 均粒径 “c (uni)水泥堆 积密度 Pcr (m3)水泥表 观密度Pcf (kgm3)22.3840.54.565.242.11.22013163175说明：L.O.I为水泥的烧失量表4硅灰基本参数化学参数物理参数SiO2 (%)Fe2O3 (%)MgO(%)Al2O3(%)CaO(%)K2O (%)F. C(%)灼烧 (%)硅灰平 均粒径 dF (Um)硅灰表 观密度Psf (kgm3)97.590.020.050.060.030.780.382.260.1622293六、试验研究与结果分析L试验步骤(1)搅拌：将称好的硅灰、水泥、砂子倒入搅拌锅中，搅拌2分

13、钟。将溶有高效减水 剂的水倒入搅拌锅搅拌3分钟，加入钢纤维，搅拌5分钟。(2)成型：将RPC拌合物浇注40mmX40mmX160mm三联模中，在振动台上振动4 分钟。(3)养护：RPC拌和物成型后，用湿布覆盖24小时后拆模，将试块放在混凝土快速 养护箱中进行热水(90C)养护48小时后，取出冷却半个小时，然后进行强度试验。2.强度试验：强度试验时混凝土龄期为3d,试件的抗压强度按水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)GB/T17671-1999 进行。试验中，在砂胶比为0.9,水胶比为0.18、减水剂用量为水泥用量的2.5%、钢纤维用量 为RPC体积的3%的固定情况下，通过只改变硅灰与水泥的比例。

14、寻找最优的硅灰和水泥的 质量比，具体的配合比见表5,强度试验结果见表6。表5不同硅灰RPC配合比（质量比）组号水泥硅灰砂减水剂（）钢纤维V%水110.21.082.530.21620.251.1250.22530.31.170.23440.351.2150.24350.4241.2820.25660.451.3050.261说明：1）减水剂掺量为水泥用量的百分数（）2）钢纤维掺量均为RPC体积掺量（V%）表6不同硅灰RPC强度试验结果组号抗折强度（MPa）抗压强度（MPa）130.9185.2234.2186.3339.7193.1434.2190.4530.1184.9629.1185试验结果显示，随着硅灰掺量的增加，抗折和抗压强度均呈先增长后降低的变化规律。 一开始增加硅灰的掺量，硅灰可以与水泥水化产生的CH发生反应，增加胶凝材料的体积， 并消耗CH,减小CH的不利影响，因此强度提高。随着硅灰掺量的增加，当CH消耗完（硅 灰掺量增到0.3）后，继续增加硅灰的掺量，虽然堆积密实