活性粉末混凝土的研究與應用進展

[摘　要] 　活性粉末混凝土是一種具有高強度、高耐久性及良好韌性的新型水泥基復合材料，具有廣闊的研究與應用前景。本文介紹了RPC 的配制原理和基本性能，概述了其研究與應用現(xiàn)狀;探討了目前研究中存在的問題，為將RPC 應用到現(xiàn)澆結(jié)構中，提出放寬對骨料粒徑和成型及養(yǎng)護條件的限制等措施；討論了RPC 的發(fā)展趨勢，認為應進一步對RPC 的抗震、抗火等抗災性能進行深入研究。

[關鍵詞] 　活性粉末混凝土；　高強度；　耐久性；　韌性；　抗震性能

1 　前言

20 世紀混凝土科學與工程技術取得了重大成就，高性能混凝土的應用極大地推動了混凝土科技的進步，促進了人類社會的發(fā)展[ 1 ] 。隨著21 世紀混凝土工程的大型化、工程環(huán)境的復雜化以及應用領域的不斷擴大，人們對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 世紀混凝土科學和工程技術發(fā)展的重要方向[ 1～3 ] 。

高性能混凝土有較高的抗壓強度和耐久性，可以解決普通混凝土結(jié)構存在的自重大、耐久性低的缺點。但大量的研究和工程應用表明，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，且強度越高脆性越顯著，嚴重影響了結(jié)構的抗震性能，必須通過配筋來提高結(jié)構的延性，而大量配筋不僅降低了高性能混凝土的經(jīng)濟效益，同時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，混凝土的抗壓強度急劇下降，影響結(jié)構的抗火性能;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)構過早地出現(xiàn)裂縫，影響了結(jié)構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一步推廣應用，如何發(fā)展具有高強度、高耐久性和高抗災性能的混凝土結(jié)構，達到適用性和經(jīng)濟效果的最佳，成為廣大工程技術人員夢寐以求的目標。1993 年，法國Bouygues 實驗室研制出一種超高抗壓強度、高耐久性及高韌性的新型水泥基復合材料，由于提高了組分的細度和反應活性，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域一個新的研究熱點。RPC 作為一類新型混凝土，不僅可獲得200MPa 或800MPa 的超高抗壓強度，而且具有30MPa ～ 60MPa 的抗折強度，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施中有著廣闊的應用前景。

2 　RPC 的基本配制原理及研究與應用現(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、細骨料和膠凝材料等混合而成的多相復合材料，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)構的薄弱環(huán)節(jié)，過渡區(qū)存在的應力集中、收縮應力和較低的粘結(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)構是提高混凝土性能的重要途徑。RPC 正是以上述研究為基礎，對混凝土內(nèi)部及過渡區(qū)作了改進，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 的各項性能；

(2) 選用級配在011μm～1mm 的水泥和硅粉，通過提高組分的細度，使RPC 內(nèi)部達到最大填充密實度，將材料初始缺陷降至最低；

(3) 采用高效減水劑降低水灰比，提高水泥漿強度，同時減小了用水量，大大降低了空隙率；

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

(5) 摻入細而短的鋼纖維，提高了混凝土的抗彎折強度，提高了韌性。

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

由上表可以看出，RPC 不僅具有較高的抗壓強度，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，摻加微細的鋼纖維后能顯著提高RPC 的抗折強度和吸收能量的能力，RPC200 的抗折強度達30MPa～60MPa ，是HPC 的6 倍左右，其斷裂能平均達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的研究及應用現(xiàn)狀

國外對RPC 配制技術的研究已較成熟，文獻[ 4～10 ]對RPC的材料、配比、養(yǎng)護條件、耐久性和強度等方面進行了大量的試驗研究，結(jié)果表明由于RPC 具有較好的勻質(zhì)性及密實度，其抗壓強度和耐久性均有較大幅度地提高，并研究了養(yǎng)護條件對RPC 力學性能的影響，以確定合適的養(yǎng)護條件;文獻[6 ]對RPC 的微觀結(jié)構進行了研究，揭示其高強度及高耐久性的工作機理;文獻[10 ]則對RPC 制成的放射性核廢料儲藏容器的性能進行了研究，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RPC 的研究重點已由基本性能轉(zhuǎn)到了構件及結(jié)構的設計方法上，以求將這種超高性能混凝土盡快在結(jié)構應用中推廣，相關工作正在進行，還沒有形成系統(tǒng)的研究成果，更沒有涉及到RPC 結(jié)構的抗震及抗火性能。

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

國內(nèi)近幾年才開始RPC 的研究，目前還沒有工程應用實例。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 的制備技術及經(jīng)驗，選擇了水泥- 粉煤灰- 硅粉三組分膠凝材料體系[ 11 ，12 ] 。文獻[ 11～18 ]對RPC 的基本性能進行了較為系統(tǒng)的試驗，主要考察了水膠比、粉煤灰、硅粉和鋼纖維摻量對RPC 流動性和強度的影響，同時對養(yǎng)護溫度、養(yǎng)護時間、凝結(jié)時間和開始熱養(yǎng)護時刻對RPC 強度的影響進行了研究。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程度得到明顯改善，通過適當時間的熱養(yǎng)護處理，可以獲得與水泥—硅粉兩組分膠凝系統(tǒng)相當強度和其他性能的效果。為將RPC 實際應用，進一步開展了攪拌設施、高頻振搗與脫模劑的試驗研究[ 12 ] ，發(fā)展RPC 的原材料選擇、制備技術及生產(chǎn)工藝，這是它能夠在短短幾年里就在國外工程建設領域里獲得應用的關鍵。文獻[13～16 ]對RPC 的本構關系進行了試驗研究，并與HPC 和OC 進行了比較，結(jié)果表明：RPC 的極限壓應變?yōu)镠PC 的2～3 倍。從結(jié)構抗震角度來看，這比具有極高的抗壓強度更為重要。在具有相同抗彎能力的前提下，采用RPC 結(jié)構重量僅為普通鋼筋混凝土結(jié)構的1/ 2～1/ 3 ，大大減輕了結(jié)構自重;同時，在未經(jīng)加壓成型、標準養(yǎng)護條件下，其抗壓強度仍可達170MPa～230MPa ，但文獻并沒有給出RPC 本構關系的定量描述。文獻[17 ，18 ]研究指出：熱養(yǎng)護有利于提高RPC 的抗壓強度，對相同配比的RPC ，高溫(250 ℃) 養(yǎng)護的混凝土抗壓強度最高，熱養(yǎng)護(90 ℃) 次之，標準養(yǎng)護最低，相差達30MPa 以上，而且養(yǎng)護制度對不同摻合料混凝土的強度影響也不同。目前，工程實踐中由于技術水平及價格等因素的限制，對養(yǎng)護制度的重視普遍不足，這對超高強混凝土的強度及耐久性提高十分不利，在今后的研究與應用中應給予足夠的重視。

3 　RPC 應用與研究中存在的問題

目前RPC 應用中存在的主要問題是:由于對骨料、水泥、摻合料的粒徑和成型及養(yǎng)護條件要求較嚴，因此只適宜預制生產(chǎn)，不能現(xiàn)場澆筑，使其工程應用范圍受到限制。如何結(jié)合我國國情開發(fā)活性粉末混凝土，盡快應用于我國的基礎設施建設，還應該在以下幾方面進行深入研究。

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，這在現(xiàn)澆結(jié)構中很難實現(xiàn)，解決這一矛盾是下一步研究的重點。應結(jié)合我國國情，考慮實用性和經(jīng)濟性，對現(xiàn)澆結(jié)構中RPC 的最優(yōu)配比及制備工藝開展研究，研究方向為: ①適當放寬對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性; ②采用與HPC 相同的養(yǎng)護條件; ③摻加超細粉煤灰或超細礦渣等摻合料部分代替硅灰;可以起到降低成本、保護環(huán)境的作用; ④可以添加納米級摻合料，使混凝土內(nèi)部變?yōu)榻Y(jié)合更緊密的網(wǎng)狀結(jié)構，從而增強混凝土的韌性; 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現(xiàn)對養(yǎng)護溫度的調(diào)節(jié)。雖然采用上述措施制備的混凝土強度不如RPC ，但若能實現(xiàn)制備手段方便實用，而抗壓強度在150MPa～200MPa 的高性能混凝土材料，將對其在現(xiàn)澆結(jié)構中的廣泛應用起到極大的推進作用。

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合的辦法來降低高性能混凝土的脆性。微觀復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，但它往往伴隨著強度和剛度的損失；宏觀復合：一是摻入鋼纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維等對混凝土改性；二是采用鋼管、鋼骨混凝土等組合結(jié)構形式來提高HPC 結(jié)構的延性。大量研究證明，這種宏觀復合形式的效果非常明顯，目前已在大跨空間結(jié)構、高層建筑和大跨橋梁上廣泛應用。雖然RPC 具有較好的韌性，但RPC 構件的抗震性能是否能滿足結(jié)構的抗震要求目前還沒有開展研究，因此應進一步考察RPC 主要受力構件的抗震性能。無纖維鋼管活性粉末混凝土這種構件形式已在加拿大魁北克省Sherbrooke 橋的桁架結(jié)構中應用，實踐證明鋼管中采用無纖維RPC 后可以減小構件的截面尺寸，是一種極具發(fā)展前景的構件形式。

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，雖然關于高溫下HPC 爆裂的本質(zhì)和機理尚未形成統(tǒng)一的認識，但都認可這樣的觀點，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)構中，鋼筋保護層的爆裂直接導致構件截面面積減小，截面溫度場發(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，降低了構件的耐火性能，加速了構件的破壞歷程，導致結(jié)構過早破壞。目前，有關HPC 抗火性能及其災后損傷評估的研究還不完善，而RPC 比HPC 的內(nèi)部結(jié)構更為密實，但孔隙率與多余水分也都減小，其高溫下的破壞現(xiàn)象和機理目前還沒有相關研究，急需開展初步的試驗研究，以考察RPC 的抗火能力。

4 　RPC 的發(fā)展趨勢

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

(1) 預應力結(jié)構和構件。目前由于建筑結(jié)構對混凝土預制構件的需求量較多，因此預應力廠家如果投入適量的資金，對部分設備進行改造，完全可以生產(chǎn)上述活性粉末混凝土預制構件。利用RPC 的超高強度與高韌性，能生產(chǎn)薄壁、細長、大跨等新穎形式的預制構件，可大幅度縮短工期和降低工程造價。

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

(3) 特殊用途構件。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，而且可大幅度延長構件的使用壽命。另外，RPC 的早期強度發(fā)展快，后期強度極高，用于補強和修補工程中可替代鋼材和昂貴的有機聚合物，既可保持混凝土體系的有機整體性，還可降低工程造價。

[參考文獻]

[ 1 ]楊久俊，吳科如. 混凝土科學未來發(fā)展的思考[J ] . 混凝土，2001 ， (3) :3 - 9.

[ 2 ] P. K. Mehta ，Concrete in the Service of the Modern World ， ISBN 041 921 450X ，1996.

[ 3 ]Pierre2Claude Aitcin ，Cements of yesterday and today :Concrete of to2 morrow ，Cement and Concrete Research ，2000 ， (30) :1349 - 1359.

[ 4 ] P. Richard ，M. Cheyrezy ，Reactive powder concrete with high ductili2 ty and 200MPa～800MPa compressive strength ，ACI SP 144 ，1994 ， 507 - 518.

[ 5 ] Pierre Richard ， Marcel Cbeyrezy ， Composition of Reactive Powder Concrete ，Cement and Concrete Research ，1995 ，Vol. 25 (7) : 1501 - 1511.

[ 6 ] Marcel cheyrezy ， Vincent Maret ， Laurent Frouin. Microstructural Analysis of RPC. Cement and Concrete Research ，1995 ，Vol. 25 (7) : 1491 - 1500.

[ 7 ] A. Feylessoufi. Water Environment and Nanostructural Network in a Reactive Powder Conerete ，Cement and Concrete Composites ，1996 ， (18) : 23 - 29.

[ 8 ] B. Scheubel ，W. Nachtwey ，Development of Cement Technology and Its Influence on the Refractory Kiln Lining ，Refra Kolloquium ，Berlin ， Germany ，1997 :25 - 43.

[ 9 ] O.Bayard ， Fracture mechanics of reactive powder concrete : material modelling and experimental investigations ， Engineering Fracture Me2 chanics ，2003 ， (70) :839 - 851.

[ 10 ]V. Matte ，C. Richet ，M. Moranville. Characterization of reactive pow2 der concrete as a candidate for the storage of nuclear wastes. Sympo2 sium on Higt2Performance and Reactive Powder Concretes ， Sher2 brooke ，Canada ，1998 ，Vol. 3 :75 - 88.

[ 11 ]覃維祖，曹峰. 一種超高性能混凝土- 活性粉末混凝土[J ] . 工業(yè)建筑，1999 ，29 (4) :16 - 18.

[ 12 ]覃維祖. 活性粉末混凝土的研究[J ] . 石油工程建設，2002 ，28 (3) :1 - 3.

[13 ]朱英磊. 活性粉末混凝土的性能研究及應用[J ] . 混凝土，2000 ， (7) :31 - 35.

[ 14 ]安明哲，王慶生. 活性粉末混凝土的配制原理及應用前景[J ] . 建筑技術，2001 ，32 (1) :15 - 16.

[ 15 ]朱航征. 活性粉末混凝土(RPC) 的開發(fā)與應用[J ] . 建筑技術開發(fā)， 2002 ，29 (1) :61 - 64.

[16 ]劉娟紅，宋少民，梅世剛. RPC 高性能水泥基復合材料的配制與性能研究[J ] . 武漢理工大學學報，2001 ，23 (11) :14 - 19.

[17 ]何峰，黃政宇. 養(yǎng)護制度對活性粉末混凝土(RPC) 強度的影響研究[J ] . 混凝土，2000 ， (2) :31 - 34.

[18 ]何峰，黃政宇. 200MPa～300MPa 活性粉末混凝土(RPC) 的研制技術研究[J ] . 混凝土與水泥制品，2000 ， (4) :12 - 14.

[作者簡介] 　王震宇(1971 - ) ，男，博士。

[單位地址] 　哈爾濱工業(yè)大學2 校區(qū)2546 信箱

[聯(lián)系電話] 　 ; 0451 - 6283856 ; E - mail : zhenyuwang @ hit . edu. cn