活性粉末混凝土(RPC) 在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與前景[J]

1、活性粉末混凝土（RPC）在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與前景柯開展 蔡文堯（福建省建筑科學(xué)研究院，福建 福州 350002）摘 要 活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete,簡稱RPC）是一種新型超高強水泥基復(fù)合材料。它具有超高的力學(xué)性質(zhì)，優(yōu)異的耐久性1、較低的收縮和徐變性能。本文介紹RPC的基本設(shè)計原理、力學(xué)特征和所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益，著重闡述它的在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用及發(fā)展?jié)摿湍壳把芯恐写嬖诘膯栴}。關(guān)鍵詞 活性粉末混凝土；應(yīng)用；發(fā)展；存在問題 活性粉末混凝土（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3060MPa的抗折強度，有

2、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(shè)施中有廣闊的應(yīng)用前景。1 RPC的基本設(shè)計原理 它的基本設(shè)計思想是：通過提高材料組份的細(xì)度與活性，減少材料內(nèi)部的缺陷（空隙與微裂縫），獲得超高強度與高耐久性。 RPC的制備采取了以下措施：（1）   通過去除粗骨料提高水泥砂漿的力學(xué)性能，消除骨料與水泥砂漿的界面過渡，提高基質(zhì)的勻質(zhì)性。（2） 優(yōu)化顆粒級配，使基體的堆積密度增大，以提高拌合物的密實度。（3）凝固以后通過熱養(yǎng)護使RPC的反應(yīng)性得以充分發(fā)揮，以改善微結(jié)構(gòu)。（4） 摻加微細(xì)的鋼纖維以提高韌性，RPC200中摻入的纖維

3、長度為13mm，直徑約0.150.20mm，體積摻量為1.5%3%。（5） 保持?jǐn)嚢韬蜐沧⒌姆椒ㄅc程序盡可能地與現(xiàn)在習(xí)慣的做法相接近，以便于工程應(yīng)用。 2 RPC的性能特點2.1 超高的力學(xué)性能2RPC材料的顯著特點是強度更高、韌性更大。200MPa級RPC材料的抗壓強度為170230MPa，是HSC的24倍；抗折強度為3060MPa，是HSC的46倍；斷裂能達(dá)到15000 40000J/m2,而NC的斷裂能只有120 J/m2?？梢奟PC具有優(yōu)良的韌性和力學(xué)特性（如表1）。表1 RPC、HSC、NC的力學(xué)特性比較3 4混凝土種類抗壓強度/MP²抗折強度/MP²彈性模量/G

4、Pa斷裂能/J/ m²RPC8004907054570563741200020000RPC200170230306040601500040000HPC601006103040140NC20502530401202.2耐久性RPC中的空隙量極小，使得空氣滲透數(shù)低，水分吸收特別值小，因面具有超高的耐久性，其耐久性能比普通混凝土以及高性能混凝土好得多。從表1、表2中可見，利用FRPC（纖維活性粉末混凝土）對腐蝕介質(zhì)的抵抗固體核廢料儲存器，其使用壽命高達(dá)500年。加拿大對RPC200進(jìn)行過300次快速融循環(huán)，最高4C,最低-18C，變化速度6C/h，試樣絲毫未受損，50次冰鹽凍融重量損失率平

5、均低于8g/m²,而魁北克省的允許標(biāo)準(zhǔn)為800g/m²,因此可基本忽略不計。表2 RPC、HSC、NC耐久性比較性能普通混凝土（NC）高強混凝土(HSC)活性粉末混凝土(RPC)空氣滲透系數(shù)1401202.5水分吸收特性2.70.40.2氯離子擴展1.10.60.02碳化深度1020凍融剝落>10009007磨耗系數(shù)4.02.81.3 2.3良好的環(huán)保性能RPC是一種符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求的環(huán)保材料。表3可見，在同等承載力條件下，RPC材料的水泥用量幾乎是普通混凝土與HSC的1/2，因此同等量水泥生產(chǎn)過程中的CO2排放量也只有一半左右。對不可再生的自然資

6、源骨料的用量，RPC材料也只占HSC和普通混凝土的1/3與1/4。 表3 同等承載力條件下不同材料性能比較混凝土品種C30普通混凝土C60高強混凝土RPC200粉末混凝土計算等效載面厚/mm500400150混凝土體積/m³12610033單方膠凝材料用/(kg/m³)350400705CO2排放量/t444023骨料總用量/t230170602.4 良好的經(jīng)濟效益按當(dāng)?shù)兀ǜＶ莸貐^(qū)）可比價格計算，盡管FRPC的價格是普通混凝土的2.4倍，是高強混凝土的1.95倍，采用FRPC200粉末混凝土仍比普通混凝土節(jié)省37.2%，比高強混凝土節(jié)省35.6%，經(jīng)濟效益是十分巨

7、大的，這里還不包括因為重量減輕節(jié)省的施工成本、加快資金周轉(zhuǎn)等間接的經(jīng)濟效益，也不包括因為FRPC可以直接承受剪力，取消構(gòu)件中的附加抗剪鋼筋。3 RPC的工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用73.1 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)領(lǐng)域 RPC200有極高的抗壓強度、彈性模量和開裂強度使預(yù)應(yīng)力筋的強度得以充分利用，無需配防止預(yù)拉應(yīng)力下發(fā)生開裂的預(yù)應(yīng)力筋，并使錨具下的承壓面不致發(fā)生過大的壓縮變形，可大大減少預(yù)應(yīng)力損失。RPC200的另一顯著特性是徐變和收縮現(xiàn)象極其微小，這使其預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中由于材料收縮、徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失值降至最大?？梢哉fRPC200在預(yù)應(yīng)力利用中有良好的應(yīng)用前景。為解決在鐵路軌道接頭處和小半徑曲線段預(yù)應(yīng)力軌枕破壞較嚴(yán)重的問題

8、，用RPC試制的預(yù)應(yīng)力軌枕，靜載抗裂度有明顯提高，疲勞性能明顯改善。3.2 預(yù)制結(jié)構(gòu)產(chǎn)品領(lǐng)域使用RPC200可以有效減小結(jié)構(gòu)自重，在具有相同抗彎能力的前提下，RPC200結(jié)構(gòu)的重量僅為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的1/21/3，幾乎與鋼結(jié)構(gòu)相近。因此，完全可以用RPC來代替鑄鐵，生產(chǎn)現(xiàn)有許多鑄鐵制品，如井蓋、水算子、模具等，可以大幅度降低制品的自重，而不影響使用效果8。 工程實例有世界上第一座以RPC為材料的步行/自行車橋（圖1）位于加拿大魁北克省的謝布洛克（Sherbrooke）市。該橋于19961997年期間建成的。采用RPC鋼管混凝土桁架橋結(jié)構(gòu)。橋跨度60m，橋面寬4.2m。橋面板厚為30mm，每隔1

9、.7m設(shè)置高70mm的加強肋。桁架腹桿市直徑為150mm、壁厚為3mm的不銹鋼管、內(nèi)灌RPC200。下弦為RPC雙梁，梁高380mm；均按常規(guī)混凝土工藝預(yù)制。每個預(yù)制段長10m、高3m，運到現(xiàn)場后用后張預(yù)應(yīng)力拼裝。采用RPC的桁架橋，大大減輕了自重，提高了在高濕度環(huán)境、頻繁承受冰鹽腐蝕與抗凍融循環(huán)作用下的耐久性能。3.3 抗震結(jié)構(gòu)領(lǐng)域 RPC200可以作為一種很有前途的抗震結(jié)構(gòu)材料。這是由于更輕的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)降低了慣性荷載；結(jié)構(gòu)構(gòu)件橫截面高度的減少允許構(gòu)件在彈性范圍內(nèi)發(fā)生更大的變形；極高的斷裂能及高韌性使結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以吸收更多的地震能。應(yīng)用于框架節(jié)點將極大提高節(jié)點的抗震承載力，并徹底解決節(jié)點區(qū)鋼筋過

10、密、箍筋綁扎困難和混凝土難以澆筑密實等問題。3.4 鋼管混凝土領(lǐng)域 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，用它來做高層或超高層建筑的支柱，可大幅度減少截面尺寸，增加建筑物的使用面積與美觀。利用鋼管側(cè)限無纖維RPC，使其在凝固前受到壓縮，夾雜其中的空氣及早期的化學(xué)收縮大都被排除，此外在壓縮期間，某些拌合水也被擠出，使RPC的水膠比得以降低，從而提高了密實度。此外，由于影響RPC成本的主要因素是鋼纖維的價格，故無論是從力學(xué)觀點，還是從經(jīng)濟角度考慮，無纖維RPC鋼管混凝土都具有很大發(fā)展?jié)摿Α?.5 覆面鑲板領(lǐng)域 因RPC中不含粗骨料而具有高密實性與良好的工作性能，使

11、其與模板相接觸的表面具有很高的光潔度，外界的有害物質(zhì)很難侵蝕到RPC中，而且RPC中的著色劑等組份也不易向外折開利用，這一特點可制作515mm厚的建筑物覆面鑲板，這一類型的產(chǎn)品目前在色彩、構(gòu)造及外形上都具有多樣性。在市政工程中可以利用RPC200的高強度制成井蓋，厚度差不多在30mm，比起一般的鑄鐵井蓋更為經(jīng)濟實用，且力學(xué)性能更好。RPC比HSC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為密實，且空隙率與多余水分也都較少，所以抗火性能比HSC強，可用于抗高溫材料制作。但其高溫下的破壞現(xiàn)象和機理目前還沒有相關(guān)研究，急需開展初步的實驗研究，以核定RPC的抗火能力。3.6 核電站工程領(lǐng)域 由于RPC的空隙率極低，它不但能夠防止放

12、射性物質(zhì)從內(nèi)部泄漏，而且能夠抵御外部侵蝕性介質(zhì)的腐蝕，因此是制備新一代核廢料儲存容器的理想材料。法國就利用RPC這一性能對一座核電廠的冷卻塔進(jìn)行了改造。冷卻塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由橫縱梁交錯構(gòu)成的桁架支撐引導(dǎo)廢液的傾斜面板。因為廢料的侵蝕性極強，所以利用RPC材料抗?jié)B透性能好的特點，來替換原來已被嚴(yán)重腐蝕的桁架梁。3.7 大跨圓形屋頂結(jié)構(gòu)領(lǐng)域在房屋建設(shè)中，采用RPC200設(shè)計建造的大跨球形圓頂，可制成直徑為120m的凈空，這一建筑的設(shè)計原則是：由RPC200預(yù)制的后張法預(yù)應(yīng)力拱形梁連接其周圍的預(yù)應(yīng)力梁而組成環(huán)形傘狀支撐結(jié)構(gòu)。用30mm厚的RPC200硬化板覆蓋于拱梁上形成屋頂。梁板間像瓦那樣相互交疊，

13、預(yù)制板間留出空隙排放雨水。這一建筑結(jié)構(gòu)中由梁和板組成的屋蓋縱平均厚度僅為0.10m。3.8 下水道系統(tǒng)工程領(lǐng)域 由于RPC良好的耐磨性能和低滲透性，可用于生產(chǎn)各種耐腐蝕的壓力管和排水管道，在美國的下水道系統(tǒng)工程中得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。為適應(yīng)各種不同特點和用途的壓力管道，已開發(fā)出多種施工技術(shù)和方法。對于水平壓力管道，采用離心澆注法，充分利用了RPC的高抗壓強度、水密性和低滲透性。在豎直壓力管道中采用濕法澆注有效地利用了RPC的氣密性，減小了空氣滲透。用于制造涵洞和下水道的施工方法“干法澆注”和“頂部頂進(jìn)灌漿澆注法”正在進(jìn)一步的完善中。3.9 水工建筑物領(lǐng)域在水工建筑物中，主要將RPC用于提高壩面

14、的抗?jié)B性能和抗裂性能，以及高速水流作用的部位，如溢洪道、泄水孔、有壓輸水道、消力池、閘底板等。在國外許多壩用RPC進(jìn)行修補，纖維體積摻量一般在1.5%3.0%，在經(jīng)過一年運行后檢查，沒發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的磨蝕和剝落。工程實現(xiàn)表明RPC有很強的抗氣蝕能力和抗沖磨能力?？梢缘挚箛?yán)酷條件下的氣蝕和沖磨作用。例如在葛洲壩二江泄水閘和映秀灣電站攔河閘底板修補中試用，效果突出。3.10 港口和海洋工程領(lǐng)域人們最擔(dān)心的是海水環(huán)境中RPC的腐蝕問題，所以對這一領(lǐng)域中的應(yīng)用持慎重態(tài)度。然而日本和挪威的試用經(jīng)驗是令人鼓舞的。在日本用RPC做鋼管樁防蝕層，在海水中浸泡實驗表明RPC有很強的防蝕能力，剛管樁表明無銹蝕仍有金屬光

15、澤。在國外還用于海底輸氣管道的隧洞襯砌、海底核廢料庫的支護、海上采油平臺后張預(yù)應(yīng)力管道孔的封堵以及碼頭混凝土受海水腐蝕部位的修補等。4 RPC的應(yīng)用前景與當(dāng)前存在的關(guān)鍵技術(shù)問題RPC集鋼材強度大、韌性高和傳統(tǒng)混凝土抗火、抗腐蝕性強的優(yōu)點于一體。目前，它的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入到橋梁與路面工程、建筑工程、水利工程、特種結(jié)構(gòu)多個領(lǐng)域。歷史已經(jīng)多次證明，一種新材料的問世，必然伴隨著從本構(gòu)關(guān)系、計算方法、到測試技術(shù)，新理論新技術(shù)的發(fā)明或發(fā)現(xiàn)，必然伴隨著一個產(chǎn)業(yè)鏈的誕生，同時，也重新排列著各國的技術(shù)位置。我國的當(dāng)務(wù)之急必須首先在實際工程中成功應(yīng)用。當(dāng)前RPC研究中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題：（1） 界面問題。在長期的實驗研究中，我們感覺到纖維與基質(zhì)的界面問題是制約FRPC200發(fā)展的關(guān)鍵問題。（2） RPC的宏細(xì)觀本構(gòu)關(guān)系，至今仍無明確公認(rèn)的