活性粉末混凝土的力学性能及应用

1、活性粉末混凝土的力学性能及应用摘要:活性粉末混凝土是一种新型高性能混凝土，简称RPC(Reacfive Powder Concrere)国 内外很多学者已开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 土的主要力学性质进行阐述，并对其应用前景进行分析。关键词：活性粉末混凝土；力学性能；粉煤灰。1概述活性粉末混凝土 (RPC)是由世界最大的营造公司之一法国布伊格(Bouygues)公司以 Pierre Richard为首的研究小组在1993年率先研发成功的一种超高强、高韧性、高耐久性、 体积稳定性良好的水泥基复合材料。由于增加了组分的细度和反膻活性，因此它被称为活性 粉末混凝

2、土(Reaclive Powder Concrete,简称为 RPC)。世界上第一座以RPC为材料的步行/自行车桥位于加拿大魁北克省的谢布洛克 (Sherbmoke)市。该桥于19961997年期间建成的。采用RPC钢管混凝土桁架结构。桥跨度 60m，桥面宽4. 2m。桥面板厚为30mm，每隔1. 7m设置高70mm的加强肋。桁架腹杆 是直径为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。1998 年8月在加拿大召开的高性能混凝土与活性粉末混凝土国际研讨会上，就RPC的原

3、理、性 能和应用进行了广泛的讨论，与会专家一致认为：作为一种新型混凝土，RPC具有广阔的应 用前景。2 活性粉末混凝土的基本原理RPC是一种高强度、高韧性、低孔隙率和极低渗透性的超高性能混凝土。它主要由水 泥、石英砂、石英粉、硅灰、钢纤维和高效减水剂组成，采用适当的成型和养护工艺制成的。 它的基本配制原理是：材料含有的微裂缝和孔隙等缺陷最少，就可以获得由其组成材料所决 定的最大承载能力，并具有特别好的耐久性。根据这个原理，RPC所采用的原材料平均颗粒 尺寸在0.1 M m到1mm之间，目的是尽量减小混凝土中的孔间距，从而使拌合物更加密实。 RPC的制备采取了以下措施：(1)去除粗骨料以提高匀质

4、性；(2)优化颗粒级配，并且在凝固 前和凝固期间加压，以提高拌合物的密实度；(3)凝固后以热养护使RPC的反映性得到充分 发挥，改善微结构；(4)掺加微细的钢纤维以提高韧性。应用前三条措施制备的基质具有很 高的抗压强度，但是其韧性并不比普通的混凝土高很多。掺加钢纤维后明显提高了抗弯拉强 度，同时可以获得所需要的高韧性和延性。3活性粉末混凝土的性能特点RPC的显著特点是它的高强度、高韧性、高抗弯折强度和高耐久性。RPC抗压强度可 达到200MPa甚至更高（加压及高温养护，采用3mm的超短钢纤维后其抗压强度可达 800MPa）,是高性能混凝土的23倍；抗折强度可达到5060MPa，是高性能混凝土的

5、5 倍；弹性模量达50GPa以上，比高性能混凝土高得多；断裂能达200004000J / m，而普 通混凝土的断裂能只有130J / m。可见RPC具有优良的韧性和力学特性。RPC的空隙量极 小，使得空气渗透系数低，水分吸收量极小，因而具有超高的耐久性及抗渗透性。4活性粉末混凝土的性能特点研究动态抗压强度由于RPC在配制过程中去除粗骨料、优化颗粒级配及凝固阶段的加压措施等提高了其 密实度，而且采用了好的养护制度，充分改善了其内部微观结构，所以RPC具有很高的抗 压强度。RPC按其抗压强度可以分为200MPa级、500MPa级和800MPa级。目前200MPa 级RPC已在工程中应用，500MP

6、a级尚处在试验室研究阶段，800MPa级则处在试验室试配 阶段。RPC200虽然强度远低于RPC800，但韧性却比RPC800好得多，故有更大的应用潜力。近年来我国一些科研人员也成功配制出RPC200活性粉末混凝土。其中清华大学覃维祖 采用水泥、粉煤灰和硅灰三元胶凝材料体系对RPC开展了试验研究制备的RPC抗压强度超 过200MPa，抗折强度50MPa，断裂能为2100J / m。湖南大学何峰等采用200E的高温养 护分别获得了抗压强度达229. 11MPa的无纤维RPC和抗压强度达298. 6MPa的纤维RPC。 另外，谢友均等研制了掺超细粉煤灰的RPC200，其抗压强度接近250MPa，抗

7、折强度达到 45MPa。同种配合比，在标准养护、热水养护、高温养护制度下，赵海君等分别配制出7d 强度为125MPa、141MPa、209MPa的RPC混凝土。另外，龙广成等实验得出：RPC的抗折 强度随其抗压强度的增加而逐渐增大，两者之间存在较好的线性关系，而且RPC的抗压强 度在180210MPa之间，抗折强度可达25MPa以上，RPC的动弹模量在5562GPa之间。抗拉强度北方交通大学结构实验室己经试验成功了 200 M Pa级RPC材料，其抗折强度为2560 MPa，是高强混凝土的46倍。其弹性模量为4566 GPa，比高强混凝土高很多，该强度 级别的RPC材料的断裂能高达200004

8、0000 J / m。RPC的抗折强度和抗压强度随着水胶 比的减小而增大。在RPC梁中，由于RPC中的钢纤维可以承担10%30%的外弯矩，所以RPC梁具有 良好的延性，RPC200和RPC800的抗折强度分别达到3060MPa和45140MPa，比普通混 凝土和高强混凝土高得多。RPC之所以会达到那么高的抗拉强度，主要是由于其内部掺入了 纤维，大大减弱了混凝土开裂时所产生的应力集中，极大地提高了混凝土的韧性，另外，与 其内部结构的高密实度也有关系。耐久性及抗渗透性RPC200超强的耐久性能，是与其超低的水胶比、良好的内部微观结构和极低的孔隙率 分不开的J。RPC材料微观结构良好，具有极低的孔隙

9、率，孔径分布在纳米级上，其气体渗 透系数比传统混凝土的低12个数量级。因而孔结构远远优于普通水泥基材料，其氯离子 渗透系数分别为普通混凝土和高性能混凝土的1/50和1/30，具有很强的抗cl 一渗透能力， 结构密实具有优异的耐久性和抗渗透性。主要表现在两个方面：一、RPC具有极好的抗冻融循环性能，经300次冻融循环后其耐久性系数还小低于100；二、氯离子渗透导电量为Q=84lOO，可判定RPC抗氯离子渗透性为不渗透，说明钢纤 维RPC抗渗性能良好，具有极佳的耐久性。水胶比为0. 21的RPC混凝土抗氯离子渗透能 力要比水胶比为0. 25的HSC（高性能混凝土）大得多，RPC混凝土的抗化学侵蚀能

10、力要比HSC 大，且RPC混凝土具有抗液氮冻融的能力。收缩与徐变活性粉末混凝土的白干燥导致内部相对湿度降低并产生自收缩，在210d龄期时可达 300txm / in左右，从而有可能使材料内部产生微裂纹，影响结构的使用寿命，由于目前工 程中都采用预制RPC构件，可以克服这一缺点。从国外的研究结果可知，除了在热养护期 间RPC表现出一定的收缩外，在热养护后几乎不产生收缩。另外值得注意的是，RPC200的 基本徐变也减少到普通混凝土或是高性能混凝土的10%左右。因为钢纤维的掺入可以分散毛细 管的收缩应力，有效防止局部的应力集中现象，对RPC的收缩起抑制作用，从而能够阻碍 混凝土内部微裂纹的繁衍、扩展

11、，从而减少RPC裂缝的产生。环保性能活性粉末混凝土有良好的环保性能，在同等承载力条件下，换算成等效体积，RPC材料 的水泥用量几乎是普通混凝土与HPC（高性能混凝土）的1 / 2,因此同等量水泥生产过程中的 CO排放量也只有一半左右。生产过程中不可再生的自然资源骨料的用量，RPC材料用量只 占HPC和普通混凝土的1/3与1/4。5活性粉末混凝土配合比根据现有的文献资料，RPC的最优配合比应在以下范围:表1 最优KPC配合比参数水胶比砂胶比减水剂掺合料钢纤维粉煤荻水泥比硅灰水泥比0, &左右L- 1左右J 5% S0.笔 0.33 （I 2 0一 32% -3%（L 二 12mm）6对活性粉末混

12、凝土养护制度的研究动态由大量实验发现，与素RPC相似，RPC在高温蒸气养护下的抗压强度高于热水养护和标准养护，而热水养护 的又比标准养护高，高温蒸汽养护在各配比下的抗压强度都要高出热水养护40MPa以上，而热水养护要高出标准 养护20MPa左右，但是综合考虑，90C热水养护最为适宜。这是由于提高养护温度有利于充分发挥火山灰质粉末 材料的火山灰效应，加速RPC中水泥的水化，得到大量水化程度高且基体结构致密的高强度、高韧性、低空隙率 和高耐久性的超高性能混凝土，较之高温蒸汽养护也更经济。7活性粉末混凝土的应用与研究前景RPC集钢材强度、韧性高和传统混凝土耐火、耐腐蚀性强的优点于一体。目前它的应用已

13、经进入到桥梁与路 面工程、建筑工程、水利工程、特种结构、军事工程等多个领域。利用RPC的超高强度与高韧性，在不配筋或少量配筋的情况下能生产薄壁构件、细长构件和其他新颖结构 形式的构件，可代替钢结构从而大幅度降低工程造价。采用RPC可以显著地降低结构层高，用其制作的立交桥、过街天桥、城市轻轨高架桥、大跨度桥梁等，可 增加桥下净空间，减少桥墩和基础配筋，缩短引桥长度降低造价并缩短工期。RPC钢管混凝上具有极高的抗压强度、弹性模量和抗冲击韧性，可用它来制作高层或超高层建筑的柱子， 可大幅度减少截面尺寸增加建筑物的使用面积。利用RPC的超高抗腐蚀与抗拉性能，制造压力管道和腐蚀性介质的输送管道。利用RPC的超高抗渗性与高冲击韧性，制造中低放射性核废料储藏容器，可延长使用寿命并降低发生泄漏 的概率。利用RPC极高的耐磨性，可用与高速公路或机场跑道，用于改造旧桥桥面或水库泄洪道等。8 RPC在应用发展中的所存在的问题工艺较其它混凝土复杂，成本昂贵。RPC由于水胶比很低，且为提高其韧性，需要掺 入钢纤维，所以搅拌和成型往往较普通混凝土困难。硅灰的掺入、高效减水剂和钢纤维的使以及较高的成型和养护条件，都提高了 RPC的生产成本，阻碍了它的推广和使用。RPC的超低水胶比使其自身收缩加大。如何有效解决这个问题还将是以后研究工作的 一个方向。R