活性粉末混凝土的研究與應(yīng)用進(jìn)展

[摘　要] 　活性粉末混凝土是一種具有高強(qiáng)度、高耐久性及良好韌性的新型水泥基復(fù)合材料，具有廣闊的研究與應(yīng)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(yīng)用現(xiàn)狀;探討了目前研究中存在的問題，為將RPC 應(yīng)用到現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中，提出放寬對(duì)骨料粒徑和成型及養(yǎng)護(hù)條件的限制等措施；討論了RPC 的發(fā)展趨勢(shì)，認(rèn)為應(yīng)進(jìn)一步對(duì)RPC 的抗震、抗火等抗災(zāi)性能進(jìn)行深入研究。

[關(guān)鍵詞] 　活性粉末混凝土；　高強(qiáng)度；　耐久性；　韌性；　抗震性能

1 　前言

    20 世紀(jì)混凝土科學(xué)與工程技術(shù)取得了重大成就，高性能混凝土的應(yīng)用極大地推動(dòng)了混凝土科技的進(jìn)步，促進(jìn)了人類社會(huì)的發(fā)展[ 1 ] 。隨著21 世紀(jì)混凝土工程的大型化、工程環(huán)境的復(fù)雜化以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，人們對(duì)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(jì)混凝土科學(xué)和工程技術(shù)發(fā)展的重要方向[ 1～3 ] 。

    高性能混凝土有較高的抗壓強(qiáng)度和耐久性，可以解決普通混凝土結(jié)構(gòu)存在的自重大、耐久性低的缺點(diǎn)。但大量的研究和工程應(yīng)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(qiáng)度越高脆性越顯著，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的抗震性能，必須通過配筋來提高結(jié)構(gòu)的延性，而大量配筋不僅降低了高性能混凝土的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)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(xiàn)象，且隨過火溫度升高，混凝土的抗壓強(qiáng)度急劇下降，影響結(jié)構(gòu)的抗火性能;三是由于高性能混凝土水灰比較低，往往產(chǎn)生較大的收縮變形，使結(jié)構(gòu)過早地出現(xiàn)裂縫， 影響了結(jié)構(gòu)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(jìn)一步推廣應(yīng)用，如何發(fā)展具有高強(qiáng)度、高耐久性和高抗災(zāi)性能的混凝土結(jié)構(gòu)，達(dá)到適用性和經(jīng)濟(jì)效果的最佳，成為廣大工程技術(shù)人員夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。1993 年，法國Bouygues 實(shí)驗(yàn)室研制出一種超高抗壓強(qiáng)度、高耐久性及高韌性的新型水泥基復(fù)合材料，由于提高了組分的細(xì)度和反應(yīng)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(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。RPC 作為一類新型混凝土， 不僅可獲得200MPa 或800MPa 的超高抗壓強(qiáng)度， 而且具有30MPa ～ 60MPa 的抗折強(qiáng)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(shè)施中有著廣闊的應(yīng)用前景。

2 　RPC 的基本配制原理及研究與應(yīng)用現(xiàn)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(xì)骨料和膠凝材料等混合而成的多相復(fù)合材料，其性能取決于水泥石、粗骨料及兩者間界面結(jié)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(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，過渡區(qū)存在的應(yīng)力集中、收縮應(yīng)力和較低的粘結(jié)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(jié)構(gòu)是提高混凝土性能的重要途徑。RPC 正是以上述研究為基礎(chǔ)，對(duì)混凝土內(nèi)部及過渡區(qū)作了改進(jìn)，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(zhì)性， 從而改善RPC 的各項(xiàng)性能；

(2) 選用級(jí)配在011μm～1mm 的水泥和硅粉，通過提高組分的細(xì)度，使RPC 內(nèi)部達(dá)到最大填充密實(shí)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(qiáng)度，同時(shí)減小了用水量，大大降低了空隙率；

(4) 成型時(shí)施加壓力，有效減少了氣孔和化學(xué)收縮引起的孔隙，通過90 ℃的熱養(yǎng)護(hù)或250 ℃～400 ℃的蒸汽養(yǎng)護(hù)來加速粉末的水化反應(yīng)，強(qiáng)化水化物的結(jié)合力；

(5) 摻入細(xì)而短的鋼纖維，提高了混凝土的抗彎折強(qiáng)度，提高了韌性。

     根據(jù)組分和制備條件的不同， RPC 分為RPC200 和RPC800 兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，其中RPC200 的抗壓強(qiáng)度可達(dá)170MPa ～ 230MPa ， 而RPC800 的抗壓強(qiáng)度更是高達(dá)490MPa ～ 705MPa ，與鋼材強(qiáng)度相近，其力學(xué)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(xué)性能和耐久性指標(biāo)。

　　由上表可以看出，RPC 不僅具有較高的抗壓強(qiáng)度，而且由于混凝土內(nèi)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(xì)的鋼纖維后能顯著提高RPC 的抗折強(qiáng)度和吸收能量的能力，RPC200 的抗折強(qiáng)度達(dá)30MPa～60MPa ，是HPC 的6 倍左右， 其斷裂能平均達(dá)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(yīng)用現(xiàn)狀

     國外對(duì)RPC 配制技術(shù)的研究已較成熟，文獻(xiàn)[ 4～10 ]對(duì)RPC的材料、配比、養(yǎng)護(hù)條件、耐久性和強(qiáng)度等方面進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明由于RPC 具有較好的勻質(zhì)性及密實(shí)度，其抗壓強(qiáng)度和耐久性均有較大幅度地提高，并研究了養(yǎng)護(hù)條件對(duì)RPC 力學(xué)性能的影響，以確定合適的養(yǎng)護(hù)條件;文獻(xiàn)[6 ]對(duì)RPC 的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，揭示其高強(qiáng)度及高耐久性的工作機(jī)理;文獻(xiàn)[10 ]則對(duì)RPC 制成的放射性核廢料儲(chǔ)藏容器的性能進(jìn)行了研究，指出RPC 不但能夠防止放射性物質(zhì)從內(nèi)部泄漏，而且能夠抵御外部侵蝕性介質(zhì)的腐蝕，是制備新一代核廢料儲(chǔ)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(chǎn)各種耐腐蝕的壓力管和排水管道。目前，國外對(duì)RPC 的研究重點(diǎn)已由基本性能轉(zhuǎn)到了構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法上，以求將這種超高性能混凝土盡快在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中推廣，相關(guān)工作正在進(jìn)行，還沒有形成系統(tǒng)的研究成果，更沒有涉及到RPC 結(jié)構(gòu)的抗震及抗火性能。

    RPC 在國外已有不少工程實(shí)例，主要制品包括：大跨橋梁的預(yù)制構(gòu)件、壓力管道及放射性固體廢料儲(chǔ)存容器。預(yù)制構(gòu)件中采用RPC ，可以減少構(gòu)件的截面和配筋；RPC 壓力管道則可提高工作壓力，且增強(qiáng)了對(duì)侵蝕性介質(zhì)的抗侵蝕能力；用RPC 制備的固體廢料儲(chǔ)存容器可長期儲(chǔ)存中、低放射性廢料，其使用壽命可高達(dá)500 年。法國某核電站的冷卻系統(tǒng)采用RPC 生產(chǎn)了2500 多根預(yù)制梁，耗用混凝土823m3 ，同時(shí)還生產(chǎn)了大量核廢料儲(chǔ)存容器。加拿大在對(duì)RPC 配合比研究的基礎(chǔ)上，94 年開始進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，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(gòu)件采用30mm 厚無纖維RPC 橋面板、直徑150mm 的預(yù)應(yīng)力RPC 鋼管混凝土桁架、纖維RPC 加勁肋和纖維RPC 梁，整個(gè)結(jié)構(gòu)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝，見圖1 。由于采用了RPC ，不僅大大減輕了橋梁結(jié)構(gòu)的自重，同時(shí)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(jié)構(gòu)示意圖

　　國內(nèi)近幾年才開始RPC 的研究，目前還沒有工程應(yīng)用實(shí)例。與國外采用水泥- 硅粉兩組分膠凝材料不同，國內(nèi)研究者結(jié)合我國HPC 的制備技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)，選擇了水泥- 粉煤灰- 硅粉三組分膠凝材料體系[ 11 ，12 ] 。文獻(xiàn)[ 11～18 ]對(duì)RPC 的基本性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)，主要考察了水膠比、粉煤灰、硅粉和鋼纖維摻量對(duì)RPC 流動(dòng)性和強(qiáng)度的影響，同時(shí)對(duì)養(yǎng)護(hù)溫度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、凝結(jié)時(shí)間和開始熱養(yǎng)護(hù)時(shí)刻對(duì)RPC 強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究。研究結(jié)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(shí)程度得到明顯改善，通過適當(dāng)時(shí)間的熱養(yǎng)護(hù)處理，可以獲得與水泥—硅粉兩組分膠凝系統(tǒng)相當(dāng)強(qiáng)度和其他性能的效果。為將RPC 實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步開展了攪拌設(shè)施、高頻振搗與脫模劑的試驗(yàn)研究[ 12 ] ，發(fā)展RPC 的原材料選擇、制備技術(shù)及生產(chǎn)工藝，這是它能夠在短短幾年里就在國外工程建設(shè)領(lǐng)域里獲得應(yīng)用的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[13～16 ]對(duì)RPC 的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并與HPC 和OC 進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：RPC 的極限壓應(yīng)變?yōu)镠PC 的2～3 倍。從結(jié)構(gòu)抗震角度來看，這比具有極高的抗壓強(qiáng)度更為重要。在具有相同抗彎能力的前提下，采用RPC 結(jié)構(gòu)重量僅為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的1/ 2～1/ 3 ，大大減輕了結(jié)構(gòu)自重;同時(shí)，在未經(jīng)加壓成型、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，其抗壓強(qiáng)度仍可達(dá)170MPa～230MPa ，但文獻(xiàn)并沒有給出RPC 本構(gòu)關(guān)系的定量描述。文獻(xiàn)[17 ，18 ]研究指出：熱養(yǎng)護(hù)有利于提高RPC 的抗壓強(qiáng)度，對(duì)相同配比的RPC ，高溫(250 ℃) 養(yǎng)護(hù)的混凝土抗壓強(qiáng)度最高，熱養(yǎng)護(hù)(90 ℃) 次之，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)最低，相差達(dá)30MPa 以上，而且養(yǎng)護(hù)制度對(duì)不同摻合料混凝土的強(qiáng)度影響也不同。目前，工程實(shí)踐中由于技術(shù)水平及價(jià)格等因素的限制，對(duì)養(yǎng)護(hù)制度的重視普遍不足，這對(duì)超高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度及耐久性提高十分不利，在今后的研究與應(yīng)用中應(yīng)給予足夠的重視。

3 　RPC 應(yīng)用與研究中存在的問題

    目前RPC 應(yīng)用中存在的主要問題是:由于對(duì)骨料、水泥、摻合料的粒徑和成型及養(yǎng)護(hù)條件要求較嚴(yán)，因此只適宜預(yù)制生產(chǎn)，不能現(xiàn)場(chǎng)澆筑，使其工程應(yīng)用范圍受到限制。如何結(jié)合我國國情開發(fā)活性粉末混凝土，盡快應(yīng)用于我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，還應(yīng)該在以下幾方面進(jìn)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(hù)，這在現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中很難實(shí)現(xiàn)，解決這一矛盾是下一步研究的重點(diǎn)。應(yīng)結(jié)合我國國情，考慮實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中RPC 的最優(yōu)配比及制備工藝開展研究，研究方向?yàn)? ①適當(dāng)放寬對(duì)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(dòng)性; ②采用與HPC 相同的養(yǎng)護(hù)條件; ③摻加超細(xì)粉煤灰或超細(xì)礦渣等摻合料部分代替硅灰;可以起到降低成本、保護(hù)環(huán)境的作用; ④可以添加納米級(jí)摻合料，使混凝土內(nèi)部變?yōu)榻Y(jié)合更緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)護(hù)溫度的調(diào)節(jié)。雖然采用上述措施制備的混凝土強(qiáng)度不如RPC ，但若能實(shí)現(xiàn)制備手段方便實(shí)用，而抗壓強(qiáng)度在150MPa～200MPa 的高性能混凝土材料，將對(duì)其在現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用起到極大的推進(jìn)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(fù)合的辦法來降低高性能混凝土的脆性。微觀復(fù)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(qiáng)度和剛度的損失；宏觀復(fù)合：一是摻入鋼纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維等對(duì)混凝土改性；二是采用鋼管、鋼骨混凝土等組合結(jié)構(gòu)形式來提高HPC 結(jié)構(gòu)的延性。大量研究證明，這種宏觀復(fù)合形式的效果非常明顯，目前已在大跨空間結(jié)構(gòu)、高層建筑和大跨橋梁上廣泛應(yīng)用。雖然RPC 具有較好的韌性，但RPC 構(gòu)件的抗震性能是否能滿足結(jié)構(gòu)的抗震要求目前還沒有開展研究，因此應(yīng)進(jìn)一步考察RPC 主要受力構(gòu)件的抗震性能。無纖維鋼管活性粉末混凝土這種構(gòu)件形式已在加拿大魁北克省Sherbrooke 橋的桁架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，實(shí)踐證明鋼管中采用無纖維RPC 后可以減小構(gòu)件的截面尺寸，是一種極具發(fā)展前景的構(gòu)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(guān)于高溫下HPC 爆裂的本質(zhì)和機(jī)理尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)， 但都認(rèn)可這樣的觀點(diǎn)，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(jié)構(gòu)中，鋼筋保護(hù)層的爆裂直接導(dǎo)致構(gòu)件截面面積減小，截面溫度場(chǎng)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(gòu)件的耐火性能，加速了構(gòu)件的破壞歷程，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過早破壞。目前，有關(guān)HPC 抗火性能及其災(zāi)后損傷評(píng)估的研究還不完善，而RPC 比HPC 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，但孔隙率與多余水分也都減小，其高溫下的破壞現(xiàn)象和機(jī)理目前還沒有相關(guān)研究，急需開展初步的試驗(yàn)研究，以考察RPC 的抗火能力。

4 　RPC 的發(fā)展趨勢(shì)

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

(1) 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)和構(gòu)件。目前由于建筑結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土預(yù)制構(gòu)件的需求量較多，因此預(yù)應(yīng)力廠家如果投入適量的資金，對(duì)部分設(shè)備進(jìn)行改造，完全可以生產(chǎn)上述活性粉末混凝土預(yù)制構(gòu)件。利用RPC 的超高強(qiáng)度與高韌性，能生產(chǎn)薄壁、細(xì)長、大跨等新穎形式的預(yù)制構(gòu)件，可大幅度縮短工期和降低工程造價(jià)。

(2) 鋼- 混凝土組合結(jié)構(gòu)。眾所周知，鋼筋混凝土的最大缺點(diǎn)是自重大，一般的建筑中結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(jié)構(gòu)構(gòu)件，可大幅度減小截面尺寸和結(jié)構(gòu)自重，增加建筑物的使用面積與美觀，因此RPC 鋼管混凝土構(gòu)件有著廣闊的應(yīng)用前景。

(3) 特殊用途構(gòu)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(zhì)從內(nèi)部泄漏，而且能夠抵御外部侵蝕性介質(zhì)的腐蝕，可以用于生產(chǎn)核廢料儲(chǔ)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(jià)， 而且可大幅度延長構(gòu)件的使用壽命。另外，RPC 的早期強(qiáng)度發(fā)展快，后期強(qiáng)度極高，用于補(bǔ)強(qiáng)和修補(bǔ)工程中可替代鋼材和昂貴的有機(jī)聚合物，既可保持混凝土體系的有機(jī)整體性，還可降低工程造價(jià)。

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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(xué)2 校區(qū)2546 信箱

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