大西客运专线活性粉末混凝土(RPC130)配制试验研究

王克文

(中铁十二局集团有限公司大西铁路客运专线工程指挥部，山西临汾 041000)

1 概述

大西客运专线是国家《中长期铁路网规划》的重要组成部分，线路北起山西省大同市，自北向南贯穿山西省中部后，跨黄河进入陕西省渭南市，经临潼至西安。线路正线全长859 km。在大西客运专线建设中，存在大量的桥梁工程。以往客运专线桥梁使用的人行道步行板与电缆槽盖板为普通混凝土制成，它存在覆盖时截面高、自重大且安装和更换不方便等缺点。针对这些特点，大西客运专线采用RPC作为制作人行道步行板与电缆槽盖板的材料。

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，缩写为RPC)是应用于我国铁路建设的一项新技术，与过去应用材料相比，其质量轻，抗折强度和抗压强度高，韧性好、有极好的抗冲磨和抗渗透性能，安装方便且具有良好的使用性能和耐久性。

活性粉末混凝土主要组成为级配良好的石英砂、水泥、矿物外加剂、高效减水剂、微钢纤维，其成型过程中可采取预压、加热等养护成型工艺。笔者进行了活性粉末混凝土(RPC130)的配制试验，得出RPC130配合比，并通过多次试验比较分析了水胶比、砂胶比、减水剂掺量、硅灰占胶凝材料比等参数对RPC的流动度以及抗折、抗压强度的影响。

2 RPC130的配制原理

2.1 原材料的选用

RPC与混凝土不同的主要原因之一就是选用的原材料。RPC选用镀铜钢纤维作为混凝土的骨架结构，而不是普通混凝土所用的石子，细骨料选用多粒径的石英砂，粒径分别为1.0 ～0.63、0.63 ～0.315、0.315～0.16、0.16 mm 以下［1］，外加剂采用高性能聚羧酸且要求减水率大于29%。这样做的主要原因是:普通混凝土采用石子的母岩抗压强度与石子本身的弹性模量无法满足RPC130混凝土的需求，且会在混凝土中造成粘结时的间隙，当应力、温度发生变化时，骨料和胶材凝结产生强度的水泥石的变形不一致，致使接口处形成细微的裂缝;另外，在普通混凝土硬化前，水泥浆体中的水分向亲水的集料表面迁移，在集料的表面形成一层水膜，从而在硬化的混凝上中留下细小的缝隙;此外，浆体泌水也会在集料下表面形成水囊。因此，混凝土在承受荷载作用以前界面处就充满了微裂缝;受到荷载作用以后，也易出现微裂缝。RPC骨架采用直径0.18～0.23 mm、长度为12～14 mm的钢纤维，这样在很大程度上增加了混凝土的抗剪性能，且细骨料采用SiO2含量 ＞97%的石英砂，不仅细骨料的坚固性很高，且在与水泥浆结合时，形成被水泥浆包裹的砂浆，石英砂会随着水泥浆的移动而移动，不会产生裂缝。研究表明，微裂缝宽度与被水泥浆包裹的颗粒直径成正比;在R PC中，骨料的直径减小了50倍，可以极大地减小由力学(外荷载)、化学(自收加热养护，由于砂浆与骨料的膨胀率不同)引起的微裂缝的宽度［2］。

2.2 采用最大密实理论模型选择材料直径

RPC采用减水率高达29%以上的减水剂，且水胶比小于0.20，这样很大程度上就减少了用水量，但胶凝材料并不能完全水化，所以强度产生的另一个方法就是采用最大密实理论。对粉末堆积的研究表明［3］，当大小均匀的球形颗粒粉末倒入容器时，即使进行面心立方或六方密堆排列，堆积密度也较低，一般小于7 4%。通过振动可以提高堆积密度，但即使采用最仔细的振动方式，最高振实密度也只能达到62.8%。所以为提高堆积密度，RPC采用不同粒径的石英砂作为骨料，且胶材采用的水泥、粉煤灰、矿粉、硅灰也是按照在较大的均一的颗粒之间加入较小的颗粒，这样就可以使直径最大的球体堆积成最密填充，剩下的空隙依次由小直径的球体填充下去，使球体间的空隙减小，从而达到最大密实状态。

3 RPC配合比设计

查阅资料，选择设计密度为2 500 kg/m3，胶材总量为1 150 kg，水胶比设计为 0.14，由于水胶比为0.14，所以外加剂掺量为胶材的4%，钢纤维掺量为体积的10% ～14% 。所用原材料如下:山西襄汾鸿达建材生产的42.5级普通硅酸盐水泥，陕西众帮建材生产的I级粉煤灰，甘肃三远生产SiO2含量大于85%的硅灰，郑州禹建渡铜钢纤维，上海法拉德减水率大于29%的减水剂，河北广信矿产生产的SiO2大于97%石英砂。

初步确定粉煤灰掺量为胶材总量的16%，硅灰占胶材总量的18%，水泥用量为 759 kg，石英砂为1 033 kg，钢纤维为110 kg，其中石英砂由3种级配组成，分别为粗1.0～0.63 mm、中0.63～0.315 mm、细0.315 mm以下，其比例为粗:中:细=3∶5∶2。根据此配合比进行试拌，测得坍落度为200 mm，并对其成型试件在加速养护箱中进行养护。养护时温度最高控制为80℃，养护时间为72 h，试验结果如下:72 h抗压强度为152 MPa，抗折强度为21.5 MPa。根据此结果保持条件不变，进行如下试验。

(1)改变粉煤灰与硅灰占胶材总量的比例(表1)

表1 改变粉煤灰与硅灰比例的混凝土强度

(2)保持条件不变，对胶砂比进行调整(表2)

表2 改变砂胶比的混凝土强度

(3)保持条件不变，改变钢纤维的掺量(表3)

表3 改变钢纤维掺量的混凝土强度

4 试验结果讨论

当条件保持不变的情况下，对粉煤灰与硅灰占胶材总量的比例进行调整。当硅灰的比例增大时，RPC的抗压强度与抗折强度均有所增加，当粉煤灰的比例增大时，RPC的抗压强度与抗折强度均有所减小(建议硅灰与粉煤灰占胶凝材料总量不宜超过40%)，但硅灰单价远远高出粉煤灰单价，所以在选取配合比的时候要综合考虑。

当条件保持不变的情况下，在一定范围内胶砂比增大时，RPC的抗压强度与抗折强度均有所增加。同样考虑经济因素，选取配比时需要注意成本。本文选用胶砂比为1∶0.90。

当条件保持不变的情况下，在一定范围内，钢纤维掺量增大后RPC的抗折性能有较大的提高，强度略有增加。本文选用钢纤维占体积的1.4%。

当钢纤维的掺量保持不变的情况下，硅灰掺量的增加对抗折强度有较大的提高，并且钢纤维单价远远高出硅灰单价，所以要综合考虑成本，根据原材料的单价选出最佳配比。

试验中，随着粉煤灰所占胶材比例的增加，RPC的流动性有所提高;随着钢纤维掺量的增加，RPC的流动性有所降低，且会在现场实际生产应用RPC的时候易造成钢纤维沉底的现象。

综合上述因素，选择如下配合比为最终结果(质量比):

水泥∶粉煤灰∶硅灰∶石英砂∶外加剂∶水∶钢纤维=759∶207∶184∶1033∶46∶161∶110。

实际生产中，RPC的水胶比很小，这样对减水剂的质量和拌和的计量系统要求会很高，需注意。

大西客运专线自2011年3月已有部分标段开始使用自行研究的配合比生产RPC人行道步行板，其力学性能及外观质量完全达到一流水平。

5 结语

RPC作为一种新型的材料，由于其良好的力学性能与耐久性，将会越来越广泛应用于各个领域。但是配制RPC所需的部分原材料具有特殊性，这在一定程度上阻碍了其发展，比如:石英砂能否用干净的河沙代替，钢纤维能否用纤维代替，或者掺入矿物外加剂能否取得更好的工作性能等，这些都需要进一步研究和探索。

［1］中华人民共和国铁道部.科技基［2006］129号 客运专线活性粉末混凝土(RPC)人行道挡板、盖板暂行技术条件［S］.北京:中国铁道出版社，2006.

［2］吴炎海，何雁斌.活性粉末混凝土(RPC200)的配制试验研究［J］.中国公路学报2003(4):44-99.

［3］周美玲.材料工程基础［M］.北京:北京工业大学出版社，2001.

［4］何雁斌，吴炎海.活性粉末混凝土(RPC200)的材料选用及制作技术［J］.福建建筑，2003，42(1):70-72.

［5］毕巧巍，杨兆鹏.活性粉末混凝土的研究与应用概述［J］.山西建筑，2008(17):5-6.

［6］柯开展，蔡文尧.活性粉末混凝土(RPC)在工程结构中的应用与前景［J］.福建建材，2006(10):16-17.

［7］王俊昌，江波.活性粉末混凝土的发展现状和机理研究［J］.山西建筑，2007，33(30):189-190.

［8］安明哲，王庆生，丁建彤.活性粉末混凝土的配置原理及应用前景［J］.建筑技术，2000(32):35-36.

［9］蒋宗全，杨 忠，郭晓安，刘士城，王文云.活性粉末混凝土配合比设计研究及生产工艺［J］.铁道建筑，2010(6):142-143.

［10］屈文俊，邬生吉，秦宇航.活性粉末混凝土力学性能试验［J］.建筑科学与工程学报，2008(4):13-18.