活性粉末混凝土的研究與應用進展

[摘　要] 　活性粉末混凝土是一種具有高強度、高耐久性及良好韌性的新型水泥基復合材料，具有廣闊的研究與應用前景。本文介紹了RPC 的配制原理和基本性能，概述了其研究與應用現狀;探討了目前研究中存在的問題，為將RPC 應用到現澆結構中，提出放寬對骨料粒徑和成型及養(yǎng)護條件的限制等措施；討論了RPC 的發(fā)展趨勢，認為應進一步對RPC 的抗震、抗火等抗災性能進行深入研究。

[關鍵詞] 　活性粉末混凝土；　高強度；　耐久性；　韌性；　抗震性能

1 　前言

    20 世紀混凝土科學與工程技術取得了重大成就，高性能混凝土的應用極大地推動了混凝土科技的進步，促進了人類社會的發(fā)展[ 1 ] 。隨著21 世紀混凝土工程的大型化、工程環(huán)境的復雜化以及應用領域的不斷擴大，人們對其提出了更高的要求，混凝土材料的高性能化和高功能化是21 世紀混凝土科學和工程技術發(fā)展的重要方向[ 1～3 ] 。

    高性能混凝土有較高的抗壓強度和耐久性，可以解決普通混凝土結構存在的自重大、耐久性低的缺點。但大量的研究和工程應用表明，高性能混凝土尚有許多亟待解決的問題:一是高性能混凝土的高脆性，且強度越高脆性越顯著，嚴重影響了結構的抗震性能，必須通過配筋來提高結構的延性，而大量配筋不僅降低了高性能混凝土的經濟效益，同時又帶來施工澆筑的困難;二是高性能混凝土的抗火性能較差，高溫下素混凝土試件常常發(fā)生爆裂現象，且隨過火溫度升高，混凝土的抗壓強度急劇下降，影響結構的抗火性能;三是由于高性能混凝土水灰比較低，往往產生較大的收縮變形，使結構過早地出現裂縫， 影響了結構的正常使用和耐久性。上述問題的存在一定程度上阻礙了高性能混凝土的進一步推廣應用，如何發(fā)展具有高強度、高耐久性和高抗災性能的混凝土結構，達到適用性和經濟效果的最佳，成為廣大工程技術人員夢寐以求的目標。1993 年，法國Bouygues 實驗室研制出一種超高抗壓強度、高耐久性及高韌性的新型水泥基復合材料，由于提高了組分的細度和反應活性， 因此被稱為活性粉末混凝土[ 4 ] ( Reactive Powder Concrete ，RPC) ，目前RPC 已成為國際工程材料領域一個新的研究熱點。RPC 作為一類新型混凝土， 不僅可獲得200MPa 或800MPa 的超高抗壓強度， 而且具有30MPa ～ 60MPa 的抗折強度，有效地克服了普通高性能混凝土的高脆性，RPC 的優(yōu)越性能使其在土木、石油、核電、市政、海洋等工程及軍事設施中有著廣闊的應用前景。

2 　RPC 的基本配制原理及研究與應用現狀

2.1 　RPC的基本配制原理與性能

    眾所周知，混凝土是由粗、細骨料和膠凝材料等混合而成的多相復合材料，其性能取決于水泥石、粗骨料及兩者間界面結合的程度。研究表明[ 4～8 ] ，粗骨料與砂漿之間的過渡區(qū)是混凝土結構的薄弱環(huán)節(jié)，過渡區(qū)存在的應力集中、收縮應力和較低的粘結力是影響混凝土受力性能及耐久性的主要因素，改善其組成結構是提高混凝土性能的重要途徑。RPC 正是以上述研究為基礎，對混凝土內部及過渡區(qū)作了改進，其基本配制原理如下：

(1) RPC 不使用粗骨料，選用最大粒徑為015mm 的石英砂為骨料，減小過渡區(qū)的范圍，在整體上提高了體系的勻質性， 從而改善RPC 的各項性能；

(2) 選用級配在011μm～1mm 的水泥和硅粉，通過提高組分的細度，使RPC 內部達到最大填充密實度，將材料初始缺陷降至最低；

(3) 采用高效減水劑降低水灰比，提高水泥漿強度，同時減小了用水量，大大降低了空隙率；

(4) 成型時施加壓力，有效減少了氣孔和化學收縮引起的孔隙，通過90 ℃的熱養(yǎng)護或250 ℃～400 ℃的蒸汽養(yǎng)護來加速粉末的水化反應，強化水化物的結合力；

(5) 摻入細而短的鋼纖維，提高了混凝土的抗彎折強度，提高了韌性。

     根據組分和制備條件的不同， RPC 分為RPC200 和RPC800 兩個強度等級，其中RPC200 的抗壓強度可達170MPa ～ 230MPa ， 而RPC800 的抗壓強度更是高達490MPa ～ 705MPa ，與鋼材強度相近，其力學性能及耐久性比普通高性能混凝土(High Performance Concrete ，HPC) 和普通混凝土(Ordinary Concrete ，OC) 有較大的提高，表1 比較了RPC、HPC 和OC 的主要力學性能和耐久性指標。

　　由上表可以看出，RPC 不僅具有較高的抗壓強度，而且由于混凝土內部孔隙率很小，所以有著優(yōu)良的抗氯離子滲透、抗碳化、抗腐蝕、抗?jié)B、抗凍及耐磨等耐久性。更為重要的是，摻加微細的鋼纖維后能顯著提高RPC 的抗折強度和吸收能量的能力，RPC200 的抗折強度達30MPa～60MPa ，是HPC 的6 倍左右， 其斷裂能平均達30kJ / m2 ， 而HPC 的斷裂能只有0.14kJ /m2 ，這就使RPC 具有更好的抗震耗能能力。

2.2 　RPC的研究及應用現狀

     國外對RPC 配制技術的研究已較成熟，文獻[ 4～10 ]對RPC的材料、配比、養(yǎng)護條件、耐久性和強度等方面進行了大量的試驗研究，結果表明由于RPC 具有較好的勻質性及密實度，其抗壓強度和耐久性均有較大幅度地提高，并研究了養(yǎng)護條件對RPC 力學性能的影響，以確定合適的養(yǎng)護條件;文獻[6 ]對RPC 的微觀結構進行了研究，揭示其高強度及高耐久性的工作機理;文獻[10 ]則對RPC 制成的放射性核廢料儲藏容器的性能進行了研究，指出RPC 不但能夠防止放射性物質從內部泄漏，而且能夠抵御外部侵蝕性介質的腐蝕，是制備新一代核廢料儲存容器的理想材料。另外，由于它的良好耐磨性能和低滲透性，可以用于生產各種耐腐蝕的壓力管和排水管道。目前，國外對RPC 的研究重點已由基本性能轉到了構件及結構的設計方法上，以求將這種超高性能混凝土盡快在結構應用中推廣，相關工作正在進行，還沒有形成系統(tǒng)的研究成果，更沒有涉及到RPC 結構的抗震及抗火性能。

    RPC 在國外已有不少工程實例，主要制品包括：大跨橋梁的預制構件、壓力管道及放射性固體廢料儲存容器。預制構件中采用RPC ，可以減少構件的截面和配筋；RPC 壓力管道則可提高工作壓力，且增強了對侵蝕性介質的抗侵蝕能力；用RPC 制備的固體廢料儲存容器可長期儲存中、低放射性廢料，其使用壽命可高達500 年。法國某核電站的冷卻系統(tǒng)采用RPC 生產了2500 多根預制梁，耗用混凝土823m3 ，同時還生產了大量核廢料儲存容器。加拿大在對RPC 配合比研究的基礎上，94 年開始進行工業(yè)性試驗，研究了無纖維RPC 鋼管混凝土，并用于加拿大魁北克省70 米跨的Sherbrooke 人行混凝土桁架橋上。橋構件采用30mm 厚無纖維RPC 橋面板、直徑150mm 的預應力RPC 鋼管混凝土桁架、纖維RPC 加勁肋和纖維RPC 梁，整個結構在現場進行組裝，見圖1 。由于采用了RPC ，不僅大大減輕了橋梁結構的自重，同時提高了橋梁在高濕度環(huán)境、除冰鹽腐蝕與凍融循環(huán)作用下的耐久性能。

圖1 　加拿大魁北克Sherbrooke 橋外觀及結構示意圖

　　國內近幾年才開始RPC 的研究，目前還沒有工程應用實例。與國外采用水泥- 硅粉兩組分膠凝材料不同，國內研究者結合我國HPC 的制備技術及經驗，選擇了水泥- 粉煤灰- 硅粉三組分膠凝材料體系[ 11 ，12 ] 。文獻[ 11～18 ]對RPC 的基本性能進行了較為系統(tǒng)的試驗，主要考察了水膠比、粉煤灰、硅粉和鋼纖維摻量對RPC 流動性和強度的影響，同時對養(yǎng)護溫度、養(yǎng)護時間、凝結時間和開始熱養(yǎng)護時刻對RPC 強度的影響進行了研究。研究結果表明： 粉煤灰的加入， 在極低水膠比(0.16) 的條件下，使混凝土工作度與成型密實程度得到明顯改善，通過適當時間的熱養(yǎng)護處理，可以獲得與水泥—硅粉兩組分膠凝系統(tǒng)相當強度和其他性能的效果。為將RPC 實際應用，進一步開展了攪拌設施、高頻振搗與脫模劑的試驗研究[ 12 ] ，發(fā)展RPC 的原材料選擇、制備技術及生產工藝，這是它能夠在短短幾年里就在國外工程建設領域里獲得應用的關鍵。文獻[13～16 ]對RPC 的本構關系進行了試驗研究，并與HPC 和OC 進行了比較，結果表明：RPC 的極限壓應變?yōu)镠PC 的2～3 倍。從結構抗震角度來看，這比具有極高的抗壓強度更為重要。在具有相同抗彎能力的前提下，采用RPC 結構重量僅為普通鋼筋混凝土結構的1/ 2～1/ 3 ，大大減輕了結構自重;同時，在未經加壓成型、標準養(yǎng)護條件下，其抗壓強度仍可達170MPa～230MPa ，但文獻并沒有給出RPC 本構關系的定量描述。文獻[17 ，18 ]研究指出：熱養(yǎng)護有利于提高RPC 的抗壓強度，對相同配比的RPC ，高溫(250 ℃) 養(yǎng)護的混凝土抗壓強度最高，熱養(yǎng)護(90 ℃) 次之，標準養(yǎng)護最低，相差達30MPa 以上，而且養(yǎng)護制度對不同摻合料混凝土的強度影響也不同。目前，工程實踐中由于技術水平及價格等因素的限制，對養(yǎng)護制度的重視普遍不足，這對超高強混凝土的強度及耐久性提高十分不利，在今后的研究與應用中應給予足夠的重視。

3 　RPC 應用與研究中存在的問題

    目前RPC 應用中存在的主要問題是:由于對骨料、水泥、摻合料的粒徑和成型及養(yǎng)護條件要求較嚴，因此只適宜預制生產，不能現場澆筑，使其工程應用范圍受到限制。如何結合我國國情開發(fā)活性粉末混凝土，盡快應用于我國的基礎設施建設，還應該在以下幾方面進行深入研究。

3.1 　最優(yōu)配比及制備工藝

    RPC在制備過程中需要加壓成型和蒸汽養(yǎng)護，這在現澆結構中很難實現，解決這一矛盾是下一步研究的重點。應結合我國國情，考慮實用性和經濟性，對現澆結構中RPC 的最優(yōu)配比及制備工藝開展研究，研究方向為: ①適當放寬對粗骨料粒徑的限制條件，使其介于RPC(400μm 石英砂) 與HPC(15mm ～25mm 碎石) 之間，這樣可以增加混凝土的流動性; ②采用與HPC 相同的養(yǎng)護條件; ③摻加超細粉煤灰或超細礦渣等摻合料部分代替硅灰;可以起到降低成本、保護環(huán)境的作用; ④可以添加納米級摻合料，使混凝土內部變?yōu)榻Y合更緊密的網狀結構，從而增強混凝土的韌性; ⑤與RPC 相同，摻入鋼纖維來提高混凝土韌性;還可以摻入碳纖維等智能材料，利用其自身的熱敏特性來實現對養(yǎng)護溫度的調節(jié)。雖然采用上述措施制備的混凝土強度不如RPC ，但若能實現制備手段方便實用，而抗壓強度在150MPa～200MPa 的高性能混凝土材料，將對其在現澆結構中的廣泛應用起到極大的推進作用。

3.2 　抗震性能

    高脆性是高性能混凝土的固有缺陷，只有通過改變混凝土的組成才能解決，目前主要通過微觀與宏觀復合的辦法來降低高性能混凝土的脆性。微觀復合是指添加具有較好柔韌性的氯丁橡膠等高分子材料，來改善混凝土的脆性，但它往往伴隨著強度和剛度的損失；宏觀復合：一是摻入鋼纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維等對混凝土改性；二是采用鋼管、鋼骨混凝土等組合結構形式來提高HPC 結構的延性。大量研究證明，這種宏觀復合形式的效果非常明顯，目前已在大跨空間結構、高層建筑和大跨橋梁上廣泛應用。雖然RPC 具有較好的韌性，但RPC 構件的抗震性能是否能滿足結構的抗震要求目前還沒有開展研究，因此應進一步考察RPC 主要受力構件的抗震性能。無纖維鋼管活性粉末混凝土這種構件形式已在加拿大魁北克省Sherbrooke 橋的桁架結構中應用，實踐證明鋼管中采用無纖維RPC 后可以減小構件的截面尺寸，是一種極具發(fā)展前景的構件形式。

3.3 　抗火性能

    抗火性能差是高性能混凝土的又一缺陷，到目前為止，雖然關于高溫下HPC 爆裂的本質和機理尚未形成統(tǒng)一的認識， 但都認可這樣的觀點，即混凝土中多余的水分和水泥石的脫水是影響爆裂的主要因素。在HPC 結構中，鋼筋保護層的爆裂直接導致構件截面面積減小，截面溫度場發(fā)生突變，并致使全部或部分鋼筋直接暴露于高溫環(huán)境下而迅速軟化，降低了構件的耐火性能，加速了構件的破壞歷程，導致結構過早破壞。目前，有關HPC 抗火性能及其災后損傷評估的研究還不完善，而RPC 比HPC 的內部結構更為密實，但孔隙率與多余水分也都減小，其高溫下的破壞現象和機理目前還沒有相關研究，急需開展初步的試驗研究，以考察RPC 的抗火能力。

4 　RPC 的發(fā)展趨勢

    綜上所述，RPC 具有極其優(yōu)越的性能，可應用的領域也非常廣泛。在土木工程領域中，隨著我國高層建筑和大跨結構迅速增加，為RPC 的應用提供了巨大的市場，且在結構及橋梁改造、特種結構工程中也具有廣闊的應用前景。從工程應用的角度來看，RPC 在以下幾個方面具有較好的發(fā)展和應用前景：

(1) 預應力結構和構件。目前由于建筑結構對混凝土預制構件的需求量較多，因此預應力廠家如果投入適量的資金，對部分設備進行改造，完全可以生產上述活性粉末混凝土預制構件。利用RPC 的超高強度與高韌性，能生產薄壁、細長、大跨等新穎形式的預制構件，可大幅度縮短工期和降低工程造價。

(2) 鋼- 混凝土組合結構。眾所周知，鋼筋混凝土的最大缺點是自重大，一般的建筑中結構自重為有效荷載的8～10倍。而用無纖維RPC 制成的鋼管混凝土，具有極高的抗壓強度、彈性模量和抗沖擊韌性，用它制作高層或超高層建筑的結構構件，可大幅度減小截面尺寸和結構自重，增加建筑物的使用面積與美觀，因此RPC 鋼管混凝土構件有著廣闊的應用前景。

(3) 特殊用途構件。RPC 的孔隙率極低，具有超高抗?jié)B性及良好的耐磨性，不但能夠防止放射性物質從內部泄漏，而且能夠抵御外部侵蝕性介質的腐蝕，可以用于生產核廢料儲存容器和各種耐腐蝕的壓力管和排水管道，不僅可大大降低造價， 而且可大幅度延長構件的使用壽命。另外，RPC 的早期強度發(fā)展快，后期強度極高，用于補強和修補工程中可替代鋼材和昂貴的有機聚合物，既可保持混凝土體系的有機整體性，還可降低工程造價。

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[作者簡介] 　王震宇(1971 - ) ，男，博士。

[單位地址] 　哈爾濱工業(yè)大學2 校區(qū)2546 信箱

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