活性粉末混凝土研究：一項超高強技術(shù)的開發(fā)

2005-03-23 00:00  留言

活性粉末混凝土（RPC）是一種正在開發(fā)中的復(fù)合材料，它將使混凝土產(chǎn)業(yè)最優(yōu)化地使用材料，產(chǎn)生經(jīng)濟效益，并建造出堅固、耐久和對環(huán)境高度敏感的結(jié)構(gòu)。一項把活性粉末混凝土和高性能混凝土（HPC）物理、力學和耐久性進行對比的研究顯示：RPC具有比HPC更高的強度（包括抗壓強度和抗彎強度）和更低的滲透性。

本文回顧了現(xiàn)有的有關(guān)RPC的文獻資料，提供了把RPC和HPC進行對比研究的實驗結(jié)果，并且闡述了RPC的特殊優(yōu)點，及其潛在的應(yīng)用。

HPC不僅僅是一種由水泥、水和集料組成的簡單混合料。通常，它包含一些性能特殊的礦物組分和化學外加劑，從而使混凝土獲得許多特殊的性能。HPC的開發(fā)研究，具體實現(xiàn)了一種全新的混凝土科學、全新的外加劑科學和使用先進設(shè)備對混凝土微結(jié)構(gòu)進行的檢測技術(shù)。

HPC實現(xiàn)的最高抗壓強度范圍為：120—150MPa。但是，這種等級強度的混凝土，粗集料已成為其最薄弱的環(huán)節(jié)。為了進一步提高混凝土的抗壓強度，只有把粗集料從其組分中去除，這種思路已被應(yīng)用于當今眾所周知的RPC。

RPC是九十年代初在法國開發(fā)成功的。1997年，在加拿大建成的Sherbrooke大橋，是全球首個RPC結(jié)構(gòu)。RPC是一種超高強和高韌性的膠凝復(fù)合材料，具有先進的力學和物理性能。它組成的特殊混凝土，通過對其拌合物所有顆粒的精確級配優(yōu)化，使其微結(jié)構(gòu)獲得最高的密實度。它廣泛使用高細度硅灰的火山灰活性，并對波特蘭水泥化學進行優(yōu)化，使其產(chǎn)生強度最高的水化產(chǎn)物。

RPC的理念，首先是由P. Richard 和M. Cheyrezy 開發(fā)出來的，并首次在九十年代初，由法國Bouygues（布依格公司）實驗室的研究人員將其付諸實施。RPC的現(xiàn)場使用，是用在加拿大魁北克省Sherbrooke市的Sherbrooke大橋橋面人行走道和自行車車道。1999年的建筑創(chuàng)新論壇上，RPC被提名為Nova獎。由于RPC具有良好的抗?jié)B透性能，在歐洲已被成功應(yīng)用于核廢料的隔離和密封。要求用于印度核電廠核廢料密封結(jié)構(gòu)的HPC，應(yīng)具有中等抗壓強度、中等彈性值、均勻的密實度、良好的工作性和高耐久性。因此，有必要對RPC的有關(guān)強度和耐久性進行評估，以便建議采用RPC作為印度核廢料的密封結(jié)構(gòu)。本項研究就是旨在開發(fā)出一種能適用于核廢料密封結(jié)構(gòu)的，并具有先進材料性能的RPC基本配合比設(shè)計。

RPC的基本組成

RPC是由高細度的微粉材料（水泥、砂、石英粉和硅灰）、綱纖維（任選的）和外加劑組合而成的。最佳的外加劑用量，可降低水膠比（W/B），并改善混凝土的工作性。通過對干微粉顆粒堆積的優(yōu)化，可獲得一種非常密實的基體材料，其密實度可以使RPC具有超高強度和超高耐久性，RPC的抗壓強度范圍為200-800MPa。

Richard 和Cheyrezy 列出了以下開發(fā)研究RPC的原則：

i．為提高勻質(zhì)性，去除粗集料；

ii．利用具有火山灰活性的硅灰；

iii．為提高密實度，需優(yōu)化顆粒的混合級配；

iv．為降低水灰比，又提高工作性，需優(yōu)化外加劑的應(yīng)用；

v．施加壓力（凝結(jié)前和凝結(jié)過程中），提高密實度；

vi．為提高微結(jié)構(gòu)的性能，需采用凝結(jié)后加熱處理（養(yǎng)護）；

vii．摻加微綱纖維，提高韌性。

RPC的初步配合比設(shè)計，涉及到創(chuàng)建一個致密的顆粒狀構(gòu)架。顆粒配合比設(shè)計的優(yōu)化，可以通過使用堆積模型或顆粒尺寸分布軟件，諸如LISA得以實現(xiàn)。目前，已有一種推薦使用的實驗性方法，進行RPC的配合比設(shè)計。

決定RPC拌合物質(zhì)量的主要參數(shù)是需水量（獲得最低混凝土流動性的用水量）。事實上，拌合物的孔隙指數(shù)與需水量和混凝土中的氣泡量有關(guān)。根據(jù)最低需水量選定一種配合比設(shè)計后，就可以通過采用相對密度指數(shù)（do/ds），分析出最佳用水量。這里do和ds分別代表混凝土的密實度和經(jīng)搗實的拌合物（無水或空氣）的密實度。相對密實度顯示了混凝土的堆積程度，其最高值是1。就RPC而言，其配合比設(shè)計應(yīng)使其堆積密實度達到最高。

RPC需通過熱養(yǎng)護，來提高其微結(jié)構(gòu)的性能。而熱養(yǎng)護也只是簡單地在其達到正常凝結(jié)后，在常壓下對混凝土進行加熱（一般溫度是90^oC）。這種養(yǎng)護會大大加速火山灰活性反應(yīng)，從而改善所形成的水化產(chǎn)物的微結(jié)構(gòu)。凝結(jié)前的加壓，也是建議采用的一種獲得高強的手段。

RPC的高強，會使其變得非常脆。一般來說，在RPC中摻加綱質(zhì)微纖維，可提高其韌性。常用的標準直綱纖維長13mm，直徑0.15mm，摻加率為體積的1.5-3%。最經(jīng)濟的摻量為體積的2%，約155kg/m3。

RPC的力學性能和耐久性

RPC包括兩種系列的混凝土，即RPC200系列和RPC800系列。在其不同的領(lǐng)域內(nèi)，分別能提供令人倍感興趣的潛在用途。如果摻加綱纖維，可使RPC具有很高的抗彎強度。

以材料的單位體積在斷裂時，吸收的能量為測量單位的斷裂韌性而言，由于RPC的斷裂韌性較高，因此，RPC表現(xiàn)出很高的韌性。除了它特殊的力學特性外，RPC還具有超高密實度的微結(jié)構(gòu)，其良好的防水和耐久性特征也很突出。因此，可用于工業(yè)和核廢料儲存設(shè)施。

由于RPC具有特低的孔隙率、滲透性、有限的收縮和強抗腐蝕性，因此，它具有超高的耐久性。與HPC相比，幾乎無液體或氣體能穿透RPC。它既可用在有化學侵蝕性的環(huán)境中，也可用在其他混凝土的使用壽命受到極大限制的物理磨損環(huán)境中。

RPC的局限性

在典型的RPC配合比設(shè)計中，傳統(tǒng)混凝土中最廉價的組分基本被去除，代之以最昂貴的材料。就材料的規(guī)格尺寸而言，用于RPC的細砂相當于傳統(tǒng)混凝土中的粗集料，波特蘭水泥起到了細集料的作用，而硅灰則起到了水泥的作用。僅就優(yōu)化的礦物組分而言，就使其成本比傳統(tǒng)混凝土大增（約比HPC增加5-10倍）。RPC可應(yīng)用于能大大節(jié)省結(jié)構(gòu)重量的領(lǐng)域，以及應(yīng)用于某些顯著的材料特性能得以充分利用的場合。由于RPC高耐久性，它甚至可以取代那些使用受壓綱結(jié)構(gòu)的耐久性有風險的應(yīng)用領(lǐng)域（如海洋環(huán)境中）。由于RPC還處于剛開發(fā)的起步期，因此，其長期性能還是個未知數(shù)，有待進一步驗證。

實驗性調(diào)查研究

RPC和HPC的配合比設(shè)計

RPC和HPC的配合比選擇過程如下：

準備了大量的試驗性配合比，以便獲得良好的RPC和HPC的配合比設(shè)計

采用顆粒規(guī)格優(yōu)化軟件LISA，配制RPC和HPC試驗性拌合物

根據(jù)對現(xiàn)有文獻資料的研究，獲得各種配合比設(shè)計的拌合物

以良好的工作性和理想的攪拌時間為依據(jù)，選擇最佳的配合比設(shè)計

最終的RPC和HPC配合比設(shè)計見下表。

RPC 和 HPC的配合比

材料	配合比
	RPC	RPC-F*	HPC	HPC-F**
水泥	1.00	1.00	1.00	1.00
硅灰	0.25	0.25	0.12	0.12
石英粉	0.31	0.31	-	-
標準2級砂	0.581.09	1.09	-	-
標準3級砂	0.58	0.58	-	-
河砂	-	-	2.40	2.40
20mm集料	-	-	1.40	1.40
10mm集料	-	-	1.50	1.50
30mm鋼纖維	-	0.2	-	-
36mm鋼纖維	-	-	-	0.20
外加劑（聚丙烯酸基型）	0.03	0.03	0.023	0.023
水	0.25	0.25	0.4	0.4

* 纖維RPC ** 纖維HPC

需對新拌混凝土拌合物的工作性和密實度進行記錄。有些RPC試件凝結(jié)后，采用在水溫為90^oC的水池中進行熱養(yǎng)護，直至進行測試。一般的RPC和HPC試件，則在室溫下的水池中進行養(yǎng)護。

根據(jù)以下參數(shù)，對RPC和HPC的性能進行了全程監(jiān)測。

抗壓強度（根據(jù)IS516 RPC為5cm立方體試塊，HPC為10 cm立方體試塊）

抗壓強度 (根據(jù)IS516 RPC為4×4×16cm棱柱體試件，HPC為10×10×50cm小梁試件）

吸水性（均采用15cm立方體試塊，按BS1881-122-1983標準進行測試）

采用德國儀器進行的非破損滲水性試驗（均采用15cm立方體試塊）

抗氯離子滲透試驗（按ASTM1202標準，均在直徑10cm，高5cm的圓盤上進行測試）

試驗結(jié)果

新拌混凝土性能

根據(jù)ASTM C109砂漿流動臺試驗，測得的RPC拌合物的工作性（含或不含纖維）范圍為：120-140%。而根據(jù)ASTM C231坍落度試驗，測得的HPC拌合物的工作性（含或不含纖維）范圍為：120-150-mm，新拌RPC和HPC拌合物的密實度范圍為：2500-2650kg/m3。

抗壓強度

通過對抗壓強度的研究分析顯示： RPC的抗壓強度比HPC的高。RPC的早期抗壓強度也很高。抗壓強度是一種材料耐久性的影響因數(shù)之一。

本項研究獲得的RPC的最高抗壓強度為200MPa。HPC的抗壓強度為75MPa。摻加纖維和使用熱養(yǎng)護，可提高RPC的抗壓強度30-50%，而摻加纖維的HPC，其抗壓強度沒有受到很大的影響。

抗彎強度

素RPC具有的抗壓強度一般也要比HPC的高。摻加綱纖維的RPC，其抗彎強度的增加，遠比HPC的高。

根據(jù)文獻資料，RPC200的抗彎強度可達到近40MPa，而本項研究獲得的抗彎強度較低，原因可能是所用的纖維（30mm）較長，而且直徑也相對較大。纖維增強RPC（適當?shù)睦w維種類），也具有應(yīng)用在不增加任何鋼筋的結(jié)構(gòu)中的潛力。這種鋼筋成本的降低，在某種程度上，可以補償因去除粗集料而增加的材料成本。

吸水性

RPC和HPC在吸水性方面的對比，無論RPC還是HPC，都有常見的隨齡期增長而吸水性降低的趨勢。但是，RPC吸水率與HPC相比是非常低的。RPC的這種質(zhì)量，是作為核廢料密封材料所需的重要性能之一。

摻加纖維和采用熱養(yǎng)護，一定程度上會增加吸水性。纖維的存在可能在纖維與水泥之間界面上產(chǎn)生通道，增加水的吸入。另一方面，熱養(yǎng)護會導(dǎo)致產(chǎn)生一個更開放的微結(jié)構(gòu)（與常規(guī)養(yǎng)護相比），從而增加吸水性。

滲水性

采用德國儀器設(shè)備進行的滲水性非破損評估，實際上只測出表面的滲透性，而不像采用常規(guī)測試方法，測出的是整體滲透性。

根據(jù)數(shù)據(jù)資料可以看出，所有RPC和HPC，都會隨著齡期的增加而使甚滲水性降低。與HPC相比，RPC8天時的滲水性，幾乎可以忽略不計，比HPC低7倍。在吸水性方面，只要使用了纖維，兩種混凝土的表面滲透性都會增加。

氯離子滲透

表10提供了經(jīng)28天養(yǎng)護后，通過快速氯離子滲透試驗的測試結(jié)果。該數(shù)據(jù)資料表明，當對混凝土進行熱養(yǎng)護時，氯離子滲透會增加。與其他混凝土相比，通過常規(guī)養(yǎng)護的RPC，其總電荷可以忽略不計。雖然采用熱養(yǎng)護的RPC，與采用常規(guī)養(yǎng)護的RPC相比，總電荷值有所增加，但就絕對值而言，仍是相當?shù)偷?，甚至可以忽略不計（?00庫侖）。RPC的這種抗氯離子滲透性能，使其適用于做核廢料密封結(jié)構(gòu)。

這些數(shù)據(jù)資料也進一步表明，摻加綱纖維會增加滲透性，原因可能是增加了混凝土的導(dǎo)電性。HPC也顯示出非常低的離子滲透性，但還是比RPC稍高些。

結(jié)論

RPC是一種新興技術(shù)的產(chǎn)物。它將開拓出一個嶄新的可稱之謂“高性能混凝土”的領(lǐng)域。由于它具有比HPC更優(yōu)的力學和耐久性性能，它在建筑業(yè)中具有很大的發(fā)展?jié)摿?，甚至在某些?yīng)用領(lǐng)域，可取代鋼材。

RPC的研究工作是基于某些基本原理的應(yīng)用，從而獲得了高勻質(zhì)性和高密實度，非常良好的工作性和微結(jié)構(gòu)，以及高耐久性。RPC所具有超密實的微結(jié)構(gòu)，使其具有良好的防水和耐久特性，因此，可合理地被選用于工業(yè)和核廢料儲存設(shè)施。

本項實驗性研究，把RPC 和HPC進行了對比，并得出了如下的結(jié)論：

本項RPC研究獲得的最高抗壓強度為198PMa，屬RPC200系列，其強度范圍在175-200PMa之間。

所獲得的最高抗彎強度為22MPa，比文獻提供的值40MPa低，原因可能是本項研究所用的纖維長度和直徑較大所致。

對RPC 和HPC的物理、力學和耐久性性能進行的對比測試顯示：RPC的抗壓強度和抗彎強度都比HPC的高，而滲透性則更低。

極低的滲水性和氯離子滲透性表明，RPC具有可用于儲存核廢料的優(yōu)質(zhì)材料的潛力。但是，RPC對來自核電廠重金屬和其他有毒廢料（諸如在堿介質(zhì)中的銫137離子）的放射性的抗?jié)B透性，還有待進一步研究，以確定其用在核廢料密封結(jié)構(gòu)中是否合格。

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