活性粉末混凝土研究綜述

崔天祥

摘要：活性粉末混凝土（RPC）是20世紀(jì)90年代開發(fā)出來的一種具有超高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性的新型混凝土?；钚苑勰┗炷翍{借優(yōu)異的性能，得到了國內(nèi)外眾多研究人員的親睞，發(fā)展前景廣闊。本文主要對(duì)活性粉末混凝土在力學(xué)和耐久性能方面進(jìn)行分析，并對(duì)活性粉末混凝土在工程中的應(yīng)用進(jìn)行展望。

Abstract： Reactive powder concrete （RPC） is a new type of concrete with ultra-high strength， high toughness and high durability developed in the 1990s. Reactive powder concrete has been favored by many researchers at home and abroad due to its excellent performance， and has a broad development prospect. This article mainly analyzes the mechanics and durability of reactive powder concrete， and prospects the application of reactive powder concrete in engineering.

關(guān)鍵詞：活性粉末混凝土;力學(xué)性能;耐久性能

Key words： reactive powder concrete;mechanical properties;durability

中圖分類號(hào)：TU528? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）23-0256-02

0? 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，現(xiàn)代建筑挑戰(zhàn)著更高、更大的跨度，并且越來越多的結(jié)構(gòu)構(gòu)件被應(yīng)用到極端環(huán)境之中，因此對(duì)混凝土材料的性能提出了更高的要求。為了滿足建筑結(jié)構(gòu)的需求，具有超高力學(xué)性能及耐久性能的混凝土-超高性能混凝土（UHPC）應(yīng)運(yùn)而生。Richard[1]等人剔除了UHPC中的粗骨料，并摻加了高活性的火山灰材料，因此被稱為活性粉末混凝土（RPC）。

RPC自問世以來便得到了廣泛的關(guān)注，得益于其優(yōu)異的耐久性能及力學(xué)性能，國內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)RPC力學(xué)性能，耐久性能進(jìn)行大量的研究，國外已經(jīng)將RPC大量運(yùn)用在橋梁、房建等具體工程項(xiàng)目之中。國內(nèi)眾多學(xué)者已經(jīng)對(duì)其材料的性能、優(yōu)化配制技術(shù)、養(yǎng)護(hù)制度等方面有了諸多研究，目前在實(shí)際工程方面也有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了很多成功案例。

本文作者對(duì)國內(nèi)外研究人員RPC研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，為RPC進(jìn)一步運(yùn)用到更多工程實(shí)際提供參考。介紹了國內(nèi)外對(duì)RPC配置技術(shù)、優(yōu)化配比、材料性能研究等多個(gè)方面的研究進(jìn)展。并分析了RPC的廣闊應(yīng)用前景。

1? RPC性能研究

作為一種超高強(qiáng)材料，RPC最高抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到800MPa，被稱為RPC800，對(duì)比高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度只能達(dá)到100MPa，RPC同時(shí)擁有超高的彎曲強(qiáng)度，可以運(yùn)用到抗壓、抗彎強(qiáng)度大的構(gòu)件之中。RPC與普通混凝土立方體試塊類似，具有同樣的尺寸效應(yīng)，目前成型RPC立方體試塊尺寸分為70.7mm×70.7mm×70.7mm和100mm×100mm×100mm兩種。

1.1 RPC力學(xué)性能研究

Dugat J等通過試驗(yàn)研制出RPC200和RPC800，對(duì)其力學(xué)性能、彈性模量等進(jìn)行了研究，最終確定了最佳纖維摻量。Yazici H等添加活性摻合料代替部分水泥并采用不同的養(yǎng)護(hù)條件，研究了 RPC 的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)，結(jié)果表明RPC擁有優(yōu)異的力學(xué)性能。Yazici H等在已有研究基礎(chǔ)上，研究了蒸汽加壓對(duì)RPC的力學(xué)性能的影響規(guī)律，并通過SEM探討了微觀結(jié)構(gòu)變化。Tomasz Zdeb等使用三種不同比表面積水泥制備RPC，并通過研究分析了的不同水泥制成的RPC的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)比表面積對(duì)其力學(xué)性能影響較大。Yazici H等通過蒸汽加壓的方式制備RPC并研究其力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果表明蒸汽加壓可以提高RPC抗壓強(qiáng)度，但是會(huì)降低RPC的韌性和彎曲強(qiáng)度。

清華大學(xué)的覃維祖教授于1999年將活性粉末混凝土引進(jìn)中國，國內(nèi)的研究人員也對(duì)RPC的力學(xué)性能進(jìn)行了多方面的研究。何峰[2]等通過對(duì)原材料種類及配合比設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行研究，成功研制出抗壓強(qiáng)度達(dá)到298.6MPa的RPC。龍廣成[3]等研究了養(yǎng)護(hù)制度對(duì)RPC強(qiáng)度的影響，通過試驗(yàn)對(duì)比熱養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)兩種條件下RPC抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明：熱養(yǎng)護(hù)條件下RPC強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下RPC強(qiáng)度提高了40%。黃政宇[4]等通過養(yǎng)護(hù)條件對(duì)RPC強(qiáng)度影響的研究中發(fā)現(xiàn)：對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，熱養(yǎng)護(hù)對(duì)RPC的抗壓強(qiáng)度提高有幫助，對(duì)摻有不同摻合料的混凝土養(yǎng)護(hù)條件對(duì)其強(qiáng)度會(huì)有不同影響。鄭文忠[5]等研究RPC配合比對(duì)其強(qiáng)度的影響，調(diào)整了不同材料對(duì)RPC性能的影響，發(fā)現(xiàn)影響RPC力學(xué)性能的最主要因素是水膠比。謝友軍[6]等在RPC中摻入了超細(xì)粉煤灰代替石英砂，使用100°C的熱水養(yǎng)護(hù)，測得RPC抗壓強(qiáng)度達(dá)到200MPa。彭燕周等在RPC中摻入磷渣粉，通過試驗(yàn)測試其抗壓、抗彎和耐久性能，研究結(jié)果表明摻入磷渣粉的RPC具有優(yōu)異的力學(xué)和耐久性能。

畢巧巍[7]等在制備活性粉末混凝土過程中摻加了兩種纖維，試驗(yàn)結(jié)果表明：兩種纖維混雜后摻入能夠在一定程度上提高RPC的力學(xué)性能。黃育[8]等通過研究了影響RPC抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的因素，結(jié)果表明鋼纖維有利于提高活性粉末混凝土的強(qiáng)度，同時(shí)鋼纖維的形狀不同對(duì)RPC的強(qiáng)度提高程度也不同。

1.2 RPC耐久性能研究

RPC不僅具有超高的抗壓強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，同時(shí)還具備優(yōu)異的耐久性能。Roux通過電化學(xué)溶液試驗(yàn)測得RPC的氯離子擴(kuò)散系數(shù)是20×1014m2/s。Lee等通過凍融循環(huán)來對(duì)比RPC和抗凍混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量損失，經(jīng)過600次凍融循環(huán)后RPC的動(dòng)彈性模量剩余96%，抗凍混凝土則剩余75%。Wang等研究了RPC經(jīng)過1500次氯鹽凍融循環(huán)試驗(yàn)后試件破壞情況，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)3000nm以上的微裂紋增加明顯。Liu通過研究發(fā)現(xiàn)只采用干熱養(yǎng)護(hù)，RPC早期干縮明顯，他提出用高熱加高濕養(yǎng)護(hù)RPC的極限收縮率可以降低40%以上，多種養(yǎng)護(hù)制度混合可以減小RPC早期收縮。

曹青[9]和施惠生[10]在RPC中摻入了礦物摻合料，并進(jìn)行了氯離子滲透試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，摻加礦物摻合料可以提高RPC抗?jié)B透性能和密實(shí)性，但會(huì)降低其強(qiáng)度，摻加礦物摻合料不僅可以節(jié)約成本，還可以幫助節(jié)能減排。范云廷[11]和梁勇[12]研究發(fā)現(xiàn)摻加玄武巖纖維可以有效的提高RPC的抗氯離子滲透能力，并通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水膠比0.22，玄武巖纖維體積摻量為0.1%時(shí)RPC抗氯離子滲透能力最好。黃政宇和楊吳生[13]將經(jīng)過養(yǎng)護(hù)后的RPC試塊分別放置在自來水和人工海水中浸泡180天，測得其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度較浸泡前有小幅度提高，結(jié)果表明RPC抗侵蝕能力顯著。閆光杰[14]等對(duì)RPC200進(jìn)行抗?jié)B性能研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)RPC的抗?jié)B性能大于P16，質(zhì)量和動(dòng)彈性模量幾乎沒有損失?？芗蚜羀15]等通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)RPC具有良好的抗硫酸鈉侵蝕和抗凍融性能，并通過SEM研究了RPC的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)RPC的微觀結(jié)構(gòu)更為致密，使其擁有超高的強(qiáng)度和更好的耐侵蝕能力。周瑞忠[16]等對(duì)RPC的疲勞與斷裂性能進(jìn)行了深入研究，并提出了RPC疲勞強(qiáng)度計(jì)算方法。

綜上所述，國內(nèi)外眾多研究人員在RPC力學(xué)性能及耐久性能方面的進(jìn)行了大量的研究，研究表明：RPC具有超高的力學(xué)性能與優(yōu)異的耐久性能，為RPC廣泛運(yùn)用在工程建筑之中提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

2? RPC在工程中的應(yīng)用

國外對(duì)RPC建筑應(yīng)用較早，早在1994年10月，加拿大對(duì)RPC200進(jìn)行小批量生產(chǎn)，并獲得成功，由此證明RPC工業(yè)化生產(chǎn)的可行性。并于1997年在加拿大Sherbrooke建成了世界上第一座RPC人行橋，于1999年獲得了Nova獎(jiǎng)提名。2001年美國在伊利諾斯州建成了一個(gè)由活性粉末混凝土制成的直徑18米的圓形屋蓋，相較于鋼結(jié)構(gòu)拼裝需要35天，現(xiàn)場拼接僅用時(shí)11天，大大縮短了工期，并獲得了2003年的Nova獎(jiǎng)提名。2002年在韓國首爾建成了一座跨度為120m的RPC人行天橋，該橋沒有布置普通鋼筋，主跨全部由RPC材料制成，建造規(guī)模和難度大大超過了Sherbrooke橋，成為RPC工程應(yīng)用的里程碑式建筑。2008年法國僅用時(shí)一個(gè)月就建成了一座高跨比1/38，跨度70m的Anges 步行橋，該橋僅有144t，大大降低了橋身自重。

國內(nèi)RPC應(yīng)用主要在韌性道板、鐵路橋梁和溝槽蓋板上。2005年沈陽某工廠設(shè)計(jì)制作了84根預(yù)制梁于預(yù)制構(gòu)件，采用抗壓強(qiáng)度為125MPa的RPC材料。2016年，我國第一座由RPC制成的過街天橋在長沙北辰三角洲驗(yàn)收成功，橋面厚度僅20cm，設(shè)置兩個(gè)橋墩，該橋水泥使用量僅為普通混凝土一半，符合可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)理念。

3? 結(jié)論

①RPC擁有遠(yuǎn)超于傳統(tǒng)混凝土的強(qiáng)度和耐久性能，超高的強(qiáng)度使其可以應(yīng)用在大跨度和高承載能力的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件中，優(yōu)異的耐久性還可以運(yùn)用到極端的環(huán)境中。但由于對(duì)RPC結(jié)構(gòu)與載荷尚未研究透徹，復(fù)雜的組成材料和養(yǎng)護(hù)工藝使得造價(jià)成本較高，目前RPC材料并未廣泛運(yùn)用在工程建筑之中。

②由于施工現(xiàn)場條件限制，目前很難達(dá)到RPC成型所需的熱養(yǎng)護(hù)條件，所以目前只能制作一些RPC預(yù)制構(gòu)件，可以嘗試改變養(yǎng)護(hù)制度，采用常溫養(yǎng)護(hù)制作RPC。

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