活性粉末混凝土(RPC) 在工程结构中的应用与前景[J]

1、活性粉末混凝土（RPC）在工程结构中的应用与前景柯开展 蔡文尧（福建省建筑科学研究院，福建 福州 350002）摘 要 活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete,简称RPC）是一种新型超高强水泥基复合材料。它具有超高的力学性质，优异的耐久性1、较低的收缩和徐变性能。本文介绍RPC的基本设计原理、力学特征和所产生的经济效益，着重阐述它的在结构工程中的应用及发展潜力和目前研究中存在的问题。关键词 活性粉末混凝土；应用；发展；存在问题 活性粉末混凝土（RPC）作为一类新型混凝土，不仅可获得200MPa或800MPa的超高抗压强度，而且具有3060MPa的抗折强度，有

2、效地克服了普通高性能混凝土的高脆性，RPC的优越性能使其在土木、石油、核电、市政、海洋等工程及军事设施中有广阔的应用前景。1 RPC的基本设计原理 它的基本设计思想是：通过提高材料组份的细度与活性，减少材料内部的缺陷（空隙与微裂缝），获得超高强度与高耐久性。 RPC的制备采取了以下措施：（1）   通过去除粗骨料提高水泥砂浆的力学性能，消除骨料与水泥砂浆的界面过渡，提高基质的匀质性。（2） 优化颗粒级配，使基体的堆积密度增大，以提高拌合物的密实度。（3）凝固以后通过热养护使RPC的反应性得以充分发挥，以改善微结构。（4） 掺加微细的钢纤维以提高韧性，RPC200中掺入的纤维

3、长度为13mm，直径约0.150.20mm，体积掺量为1.5%3%。（5） 保持搅拌和浇注的方法与程序尽可能地与现在习惯的做法相接近，以便于工程应用。 2 RPC的性能特点2.1 超高的力学性能2RPC材料的显著特点是强度更高、韧性更大。200MPa级RPC材料的抗压强度为170230MPa，是HSC的24倍；抗折强度为3060MPa，是HSC的46倍；断裂能达到15000 40000J/m2,而NC的断裂能只有120 J/m2。可见RPC具有优良的韧性和力学特性（如表1）。表1 RPC、HSC、NC的力学特性比较3 4混凝土种类抗压强度/MP²抗折强度/MP²弹性模量/G

4、Pa断裂能/J/ m²RPC8004907054570563741200020000RPC200170230306040601500040000HPC601006103040140NC20502530401202.2耐久性RPC中的空隙量极小，使得空气渗透数低，水分吸收特别值小，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。从表1、表2中可见，利用FRPC（纤维活性粉末混凝土）对腐蚀介质的抵抗固体核废料储存器，其使用寿命高达500年。加拿大对RPC200进行过300次快速融循环，最高4C,最低-18C，变化速度6C/h，试样丝毫未受损，50次冰盐冻融重量损失率平

5、均低于8g/m²,而魁北克省的允许标准为800g/m²,因此可基本忽略不计。表2 RPC、HSC、NC耐久性比较性能普通混凝土（NC）高强混凝土(HSC)活性粉末混凝土(RPC)空气渗透系数1401202.5水分吸收特性2.70.40.2氯离子扩展1.10.60.02碳化深度1020冻融剥落>10009007磨耗系数4.02.81.3 2.3良好的环保性能RPC是一种符合我国可持续发展战略要求的环保材料。表3可见，在同等承载力条件下，RPC材料的水泥用量几乎是普通混凝土与HSC的1/2，因此同等量水泥生产过程中的CO2排放量也只有一半左右。对不可再生的自然资

6、源骨料的用量，RPC材料也只占HSC和普通混凝土的1/3与1/4。 表3 同等承载力条件下不同材料性能比较混凝土品种C30普通混凝土C60高强混凝土RPC200粉末混凝土计算等效载面厚/mm500400150混凝土体积/m³12610033单方胶凝材料用/(kg/m³)350400705CO2排放量/t444023骨料总用量/t230170602.4 良好的经济效益按当地（福州地区）可比价格计算，尽管FRPC的价格是普通混凝土的2.4倍，是高强混凝土的1.95倍，采用FRPC200粉末混凝土仍比普通混凝土节省37.2%，比高强混凝土节省35.6%，经济效益是十分巨

7、大的，这里还不包括因为重量减轻节省的施工成本、加快资金周转等间接的经济效益，也不包括因为FRPC可以直接承受剪力，取消构件中的附加抗剪钢筋。3 RPC的工程结构应用73.1 预应力结构领域 RPC200有极高的抗压强度、弹性模量和开裂强度使预应力筋的强度得以充分利用，无需配防止预拉应力下发生开裂的预应力筋，并使锚具下的承压面不致发生过大的压缩变形，可大大减少预应力损失。RPC200的另一显著特性是徐变和收缩现象极其微小，这使其预应力构件中由于材料收缩、徐变引起的预应力损失值降至最大。可以说RPC200在预应力利用中有良好的应用前景。为解决在铁路轨道接头处和小半径曲线段预应力轨枕破坏较严重的问题

8、，用RPC试制的预应力轨枕，静载抗裂度有明显提高，疲劳性能明显改善。3.2 预制结构产品领域使用RPC200可以有效减小结构自重，在具有相同抗弯能力的前提下，RPC200结构的重量仅为钢筋混凝土结构的1/21/3，几乎与钢结构相近。因此，完全可以用RPC来代替铸铁，生产现有许多铸铁制品，如井盖、水算子、模具等，可以大幅度降低制品的自重，而不影响使用效果8。 工程实例有世界上第一座以RPC为材料的步行/自行车桥（图1）位于加拿大魁北克省的谢布洛克（Sherbrooke）市。该桥于19961997年期间建成的。采用RPC钢管混凝土桁架桥结构。桥跨度60m，桥面宽4.2m。桥面板厚为30mm，每隔1

9、.7m设置高70mm的加强肋。桁架腹杆市直径为150mm、壁厚为3mm的不锈钢管、内灌RPC200。下弦为RPC双梁，梁高380mm；均按常规混凝土工艺预制。每个预制段长10m、高3m，运到现场后用后张预应力拼装。采用RPC的桁架桥，大大减轻了自重，提高了在高湿度环境、频繁承受冰盐腐蚀与抗冻融循环作用下的耐久性能。3.3 抗震结构领域 RPC200可以作为一种很有前途的抗震结构材料。这是由于更轻的结构系统降低了惯性荷载；结构构件横截面高度的减少允许构件在弹性范围内发生更大的变形；极高的断裂能及高韧性使结构构件可以吸收更多的地震能。应用于框架节点将极大提高节点的抗震承载力，并彻底解决节点区钢筋过

10、密、箍筋绑扎困难和混凝土难以浇筑密实等问题。3.4 钢管混凝土领域 无纤维RPC制成的钢管混凝土，具有极高的抗压强度、弹性模量和抗冲击韧性，用它来做高层或超高层建筑的支柱，可大幅度减少截面尺寸，增加建筑物的使用面积与美观。利用钢管侧限无纤维RPC，使其在凝固前受到压缩，夹杂其中的空气及早期的化学收缩大都被排除，此外在压缩期间，某些拌合水也被挤出，使RPC的水胶比得以降低，从而提高了密实度。此外，由于影响RPC成本的主要因素是钢纤维的价格，故无论是从力学观点，还是从经济角度考虑，无纤维RPC钢管混凝土都具有很大发展潜力。3.5 覆面镶板领域 因RPC中不含粗骨料而具有高密实性与良好的工作性能，使

11、其与模板相接触的表面具有很高的光洁度，外界的有害物质很难侵蚀到RPC中，而且RPC中的着色剂等组份也不易向外折开利用，这一特点可制作515mm厚的建筑物覆面镶板，这一类型的产品目前在色彩、构造及外形上都具有多样性。在市政工程中可以利用RPC200的高强度制成井盖，厚度差不多在30mm，比起一般的铸铁井盖更为经济实用，且力学性能更好。RPC比HSC的内部结构更为密实，且空隙率与多余水分也都较少，所以抗火性能比HSC强，可用于抗高温材料制作。但其高温下的破坏现象和机理目前还没有相关研究，急需开展初步的实验研究，以核定RPC的抗火能力。3.6 核电站工程领域 由于RPC的空隙率极低，它不但能够防止放

12、射性物质从内部泄漏，而且能够抵御外部侵蚀性介质的腐蚀，因此是制备新一代核废料储存容器的理想材料。法国就利用RPC这一性能对一座核电厂的冷却塔进行了改造。冷却塔的内部结构是由横纵梁交错构成的桁架支撑引导废液的倾斜面板。因为废料的侵蚀性极强，所以利用RPC材料抗渗透性能好的特点，来替换原来已被严重腐蚀的桁架梁。3.7 大跨圆形屋顶结构领域在房屋建设中，采用RPC200设计建造的大跨球形圆顶，可制成直径为120m的净空，这一建筑的设计原则是：由RPC200预制的后张法预应力拱形梁连接其周围的预应力梁而组成环形伞状支撑结构。用30mm厚的RPC200硬化板覆盖于拱梁上形成屋顶。梁板间像瓦那样相互交叠，

13、预制板间留出空隙排放雨水。这一建筑结构中由梁和板组成的屋盖纵平均厚度仅为0.10m。3.8 下水道系统工程领域 由于RPC良好的耐磨性能和低渗透性，可用于生产各种耐腐蚀的压力管和排水管道，在美国的下水道系统工程中得到广泛的发展和应用。为适应各种不同特点和用途的压力管道，已开发出多种施工技术和方法。对于水平压力管道，采用离心浇注法，充分利用了RPC的高抗压强度、水密性和低渗透性。在竖直压力管道中采用湿法浇注有效地利用了RPC的气密性，减小了空气渗透。用于制造涵洞和下水道的施工方法“干法浇注”和“顶部顶进灌浆浇注法”正在进一步的完善中。3.9 水工建筑物领域在水工建筑物中，主要将RPC用于提高坝面

14、的抗渗性能和抗裂性能，以及高速水流作用的部位，如溢洪道、泄水孔、有压输水道、消力池、闸底板等。在国外许多坝用RPC进行修补，纤维体积掺量一般在1.5%3.0%，在经过一年运行后检查，没发现严重的磨蚀和剥落。工程实现表明RPC有很强的抗气蚀能力和抗冲磨能力。可以抵抗严酷条件下的气蚀和冲磨作用。例如在葛洲坝二江泄水闸和映秀湾电站拦河闸底板修补中试用，效果突出。3.10 港口和海洋工程领域人们最担心的是海水环境中RPC的腐蚀问题，所以对这一领域中的应用持慎重态度。然而日本和挪威的试用经验是令人鼓舞的。在日本用RPC做钢管桩防蚀层，在海水中浸泡实验表明RPC有很强的防蚀能力，刚管桩表明无锈蚀仍有金属光

15、泽。在国外还用于海底输气管道的隧洞衬砌、海底核废料库的支护、海上采油平台后张预应力管道孔的封堵以及码头混凝土受海水腐蚀部位的修补等。4 RPC的应用前景与当前存在的关键技术问题RPC集钢材强度大、韧性高和传统混凝土抗火、抗腐蚀性强的优点于一体。目前，它的应用已经进入到桥梁与路面工程、建筑工程、水利工程、特种结构多个领域。历史已经多次证明，一种新材料的问世，必然伴随着从本构关系、计算方法、到测试技术，新理论新技术的发明或发现，必然伴随着一个产业链的诞生，同时，也重新排列着各国的技术位置。我国的当务之急必须首先在实际工程中成功应用。当前RPC研究中存在的关键技术问题：（1） 界面问题。在长期的实验研究中，我们感觉到纤维与基质的界面问题是制约FRPC200发展的关键问题。（2） RPC的宏细观本构关系，至今仍无明确公认的