活性粉末混凝土的力學(xué)性能及應(yīng)用

1、活性粉末混凝土的力學(xué)性能及應(yīng)用摘要:活性粉末混凝土是一種新型高性能混凝土，簡稱RPC(Reacfive Powder Concrere)國 內(nèi)外很多學(xué)者已開展了活性粉末混凝土的研究工作，已取得了一定的成果。本文就活性混凝 土的主要力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行闡述，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行分析。關(guān)鍵詞：活性粉末混凝土；力學(xué)性能；粉煤灰。1概述活性粉末混凝土 (RPC)是由世界最大的營造公司之一法國布伊格(Bouygues)公司以 Pierre Richard為首的研究小組在1993年率先研發(fā)成功的一種超高強(qiáng)、高韌性、高耐久性、 體積穩(wěn)定性良好的水泥基復(fù)合材料。由于增加了組分的細(xì)度和反膻活性，因此它被稱為活性 粉末混凝

2、土(Reaclive Powder Concrete,簡稱為 RPC)。世界上第一座以RPC為材料的步行/自行車橋位于加拿大魁北克省的謝布洛克 (Sherbmoke)市。該橋于19961997年期間建成的。采用RPC鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)。橋跨度 60m，橋面寬4. 2m。橋面板厚為30mm，每隔1. 7m設(shè)置高70mm的加強(qiáng)肋。桁架腹桿 是直徑為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(gè)預(yù)制段長10m、高3m，運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后用后張預(yù)應(yīng)力拼裝。1998 年8月在加拿大召開的高性能混凝土與活性粉末混凝土國際研討會(huì)上，就RPC的原

3、理、性 能和應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的討論，與會(huì)專家一致認(rèn)為：作為一種新型混凝土，RPC具有廣闊的應(yīng) 用前景。2 活性粉末混凝土的基本原理RPC是一種高強(qiáng)度、高韌性、低孔隙率和極低滲透性的超高性能混凝土。它主要由水 泥、石英砂、石英粉、硅灰、鋼纖維和高效減水劑組成，采用適當(dāng)?shù)某尚秃宛B(yǎng)護(hù)工藝制成的。 它的基本配制原理是：材料含有的微裂縫和孔隙等缺陷最少，就可以獲得由其組成材料所決 定的最大承載能力，并具有特別好的耐久性。根據(jù)這個(gè)原理，RPC所采用的原材料平均顆粒 尺寸在0.1 M m到1mm之間，目的是盡量減小混凝土中的孔間距，從而使拌合物更加密實(shí)。 RPC的制備采取了以下措施：(1)去除粗骨料以提高勻質(zhì)

4、性；(2)優(yōu)化顆粒級(jí)配，并且在凝固 前和凝固期間加壓，以提高拌合物的密實(shí)度；(3)凝固后以熱養(yǎng)護(hù)使RPC的反映性得到充分 發(fā)揮，改善微結(jié)構(gòu)；(4)摻加微細(xì)的鋼纖維以提高韌性。應(yīng)用前三條措施制備的基質(zhì)具有很 高的抗壓強(qiáng)度，但是其韌性并不比普通的混凝土高很多。摻加鋼纖維后明顯提高了抗彎拉強(qiáng) 度，同時(shí)可以獲得所需要的高韌性和延性。3活性粉末混凝土的性能特點(diǎn)RPC的顯著特點(diǎn)是它的高強(qiáng)度、高韌性、高抗彎折強(qiáng)度和高耐久性。RPC抗壓強(qiáng)度可 達(dá)到200MPa甚至更高（加壓及高溫養(yǎng)護(hù)，采用3mm的超短鋼纖維后其抗壓強(qiáng)度可達(dá) 800MPa）,是高性能混凝土的23倍；抗折強(qiáng)度可達(dá)到5060MPa，是高性能混凝土的

5、5 倍；彈性模量達(dá)50GPa以上，比高性能混凝土高得多；斷裂能達(dá)200004000J / m，而普 通混凝土的斷裂能只有130J / m?？梢奟PC具有優(yōu)良的韌性和力學(xué)特性。RPC的空隙量極 小，使得空氣滲透系數(shù)低，水分吸收量極小，因而具有超高的耐久性及抗?jié)B透性。4活性粉末混凝土的性能特點(diǎn)研究動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度由于RPC在配制過程中去除粗骨料、優(yōu)化顆粒級(jí)配及凝固階段的加壓措施等提高了其 密實(shí)度，而且采用了好的養(yǎng)護(hù)制度，充分改善了其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，所以RPC具有很高的抗 壓強(qiáng)度。RPC按其抗壓強(qiáng)度可以分為200MPa級(jí)、500MPa級(jí)和800MPa級(jí)。目前200MPa 級(jí)RPC已在工程中應(yīng)用，500MP

6、a級(jí)尚處在試驗(yàn)室研究階段，800MPa級(jí)則處在試驗(yàn)室試配 階段。RPC200雖然強(qiáng)度遠(yuǎn)低于RPC800，但韌性卻比RPC800好得多，故有更大的應(yīng)用潛力。近年來我國一些科研人員也成功配制出RPC200活性粉末混凝土。其中清華大學(xué)覃維祖 采用水泥、粉煤灰和硅灰三元膠凝材料體系對(duì)RPC開展了試驗(yàn)研究制備的RPC抗壓強(qiáng)度超 過200MPa，抗折強(qiáng)度50MPa，斷裂能為2100J / m。湖南大學(xué)何峰等采用200E的高溫養(yǎng) 護(hù)分別獲得了抗壓強(qiáng)度達(dá)229. 11MPa的無纖維RPC和抗壓強(qiáng)度達(dá)298. 6MPa的纖維RPC。 另外，謝友均等研制了摻超細(xì)粉煤灰的RPC200，其抗壓強(qiáng)度接近250MPa，抗

7、折強(qiáng)度達(dá)到 45MPa。同種配合比，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、熱水養(yǎng)護(hù)、高溫養(yǎng)護(hù)制度下，趙海君等分別配制出7d 強(qiáng)度為125MPa、141MPa、209MPa的RPC混凝土。另外，龍廣成等實(shí)驗(yàn)得出：RPC的抗折 強(qiáng)度隨其抗壓強(qiáng)度的增加而逐漸增大，兩者之間存在較好的線性關(guān)系，而且RPC的抗壓強(qiáng) 度在180210MPa之間，抗折強(qiáng)度可達(dá)25MPa以上，RPC的動(dòng)彈模量在5562GPa之間?？估瓘?qiáng)度北方交通大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室己經(jīng)試驗(yàn)成功了 200 M Pa級(jí)RPC材料，其抗折強(qiáng)度為2560 MPa，是高強(qiáng)混凝土的46倍。其彈性模量為4566 GPa，比高強(qiáng)混凝土高很多，該強(qiáng)度 級(jí)別的RPC材料的斷裂能高達(dá)200004

8、0000 J / m。RPC的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨著水膠 比的減小而增大。在RPC梁中，由于RPC中的鋼纖維可以承擔(dān)10%30%的外彎矩，所以RPC梁具有 良好的延性，RPC200和RPC800的抗折強(qiáng)度分別達(dá)到3060MPa和45140MPa，比普通混 凝土和高強(qiáng)混凝土高得多。RPC之所以會(huì)達(dá)到那么高的抗拉強(qiáng)度，主要是由于其內(nèi)部摻入了 纖維，大大減弱了混凝土開裂時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力集中，極大地提高了混凝土的韌性，另外，與 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高密實(shí)度也有關(guān)系。耐久性及抗?jié)B透性RPC200超強(qiáng)的耐久性能，是與其超低的水膠比、良好的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和極低的孔隙率 分不開的J。RPC材料微觀結(jié)構(gòu)良好，具有極低的孔隙

9、率，孔徑分布在納米級(jí)上，其氣體滲 透系數(shù)比傳統(tǒng)混凝土的低12個(gè)數(shù)量級(jí)。因而孔結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通水泥基材料，其氯離子 滲透系數(shù)分別為普通混凝土和高性能混凝土的1/50和1/30，具有很強(qiáng)的抗cl 一滲透能力， 結(jié)構(gòu)密實(shí)具有優(yōu)異的耐久性和抗?jié)B透性。主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一、RPC具有極好的抗凍融循環(huán)性能，經(jīng)300次凍融循環(huán)后其耐久性系數(shù)還小低于100；二、氯離子滲透導(dǎo)電量為Q=84lOO，可判定RPC抗氯離子滲透性為不滲透，說明鋼纖 維RPC抗?jié)B性能良好，具有極佳的耐久性。水膠比為0. 21的RPC混凝土抗氯離子滲透能 力要比水膠比為0. 25的HSC（高性能混凝土）大得多，RPC混凝土的抗化學(xué)侵蝕能

10、力要比HSC 大，且RPC混凝土具有抗液氮凍融的能力。收縮與徐變活性粉末混凝土的白干燥導(dǎo)致內(nèi)部相對(duì)濕度降低并產(chǎn)生自收縮，在210d齡期時(shí)可達(dá) 300txm / in左右，從而有可能使材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，影響結(jié)構(gòu)的使用壽命，由于目前工 程中都采用預(yù)制RPC構(gòu)件，可以克服這一缺點(diǎn)。從國外的研究結(jié)果可知，除了在熱養(yǎng)護(hù)期 間RPC表現(xiàn)出一定的收縮外，在熱養(yǎng)護(hù)后幾乎不產(chǎn)生收縮。另外值得注意的是，RPC200的 基本徐變也減少到普通混凝土或是高性能混凝土的10%左右。因?yàn)殇摾w維的摻入可以分散毛細(xì) 管的收縮應(yīng)力，有效防止局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)RPC的收縮起抑制作用，從而能夠阻礙 混凝土內(nèi)部微裂紋的繁衍、擴(kuò)展

11、，從而減少RPC裂縫的產(chǎn)生。環(huán)保性能活性粉末混凝土有良好的環(huán)保性能，在同等承載力條件下，換算成等效體積，RPC材料 的水泥用量幾乎是普通混凝土與HPC（高性能混凝土）的1 / 2,因此同等量水泥生產(chǎn)過程中的 CO排放量也只有一半左右。生產(chǎn)過程中不可再生的自然資源骨料的用量，RPC材料用量只 占HPC和普通混凝土的1/3與1/4。5活性粉末混凝土配合比根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料，RPC的最優(yōu)配合比應(yīng)在以下范圍:表1 最優(yōu)KPC配合比參數(shù)水膠比砂膠比減水劑摻合料鋼纖維粉煤荻水泥比硅灰水泥比0, &左右L- 1左右J 5% S0.筆 0.33 （I 2 0一 32% -3%（L 二 12mm）6對(duì)活性粉末混

12、凝土養(yǎng)護(hù)制度的研究動(dòng)態(tài)由大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與素RPC相似，RPC在高溫蒸氣養(yǎng)護(hù)下的抗壓強(qiáng)度高于熱水養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，而熱水養(yǎng)護(hù) 的又比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)高，高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)在各配比下的抗壓強(qiáng)度都要高出熱水養(yǎng)護(hù)40MPa以上，而熱水養(yǎng)護(hù)要高出標(biāo)準(zhǔn) 養(yǎng)護(hù)20MPa左右，但是綜合考慮，90C熱水養(yǎng)護(hù)最為適宜。這是由于提高養(yǎng)護(hù)溫度有利于充分發(fā)揮火山灰質(zhì)粉末 材料的火山灰效應(yīng)，加速RPC中水泥的水化，得到大量水化程度高且基體結(jié)構(gòu)致密的高強(qiáng)度、高韌性、低空隙率 和高耐久性的超高性能混凝土，較之高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)也更經(jīng)濟(jì)。7活性粉末混凝土的應(yīng)用與研究前景RPC集鋼材強(qiáng)度、韌性高和傳統(tǒng)混凝土耐火、耐腐蝕性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)于一體。目前它的應(yīng)用已

13、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)、軍事工程等多個(gè)領(lǐng)域。利用RPC的超高強(qiáng)度與高韌性，在不配筋或少量配筋的情況下能生產(chǎn)薄壁構(gòu)件、細(xì)長構(gòu)件和其他新穎結(jié)構(gòu) 形式的構(gòu)件，可代替鋼結(jié)構(gòu)從而大幅度降低工程造價(jià)。采用RPC可以顯著地降低結(jié)構(gòu)層高，用其制作的立交橋、過街天橋、城市輕軌高架橋、大跨度橋梁等，可 增加橋下凈空間，減少橋墩和基礎(chǔ)配筋，縮短引橋長度降低造價(jià)并縮短工期。RPC鋼管混凝上具有極高的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗沖擊韌性，可用它來制作高層或超高層建筑的柱子， 可大幅度減少截面尺寸增加建筑物的使用面積。利用RPC的超高抗腐蝕與抗拉性能，制造壓力管道和腐蝕性介質(zhì)的輸送管道。利用RPC的超高抗?jié)B性與高沖擊韌性，制造中低放射性核廢料儲(chǔ)藏容器，可延長使用壽命并降低發(fā)生泄漏 的概率。利用RPC極高的耐磨性，可用與高速公路或機(jī)場(chǎng)跑道，用于改造舊橋橋面或水庫泄洪道等。8 RPC在應(yīng)用發(fā)展中的所存在的問題工藝較其它混凝土復(fù)雜，成本昂貴。RPC由于水膠比很低，且為提高其韌性，需要摻 入鋼纖維，所以攪拌和成型往往較普通混凝土困難。硅灰的摻入、高效減水劑和鋼纖維的使以及較高的成型和養(yǎng)護(hù)條件，都提高了 RPC的生產(chǎn)成本，阻礙了它的推廣和使用。RPC的超低水膠比使其自身收縮加大。如何有效解決這個(gè)問題還將是以后研究工作的 一個(gè)方向。R