1、RPC 活性粉末混凝土的研究与应用摘要：活性粉末混凝土是 20世纪 90年代,由法国学者 Richard等研究成功的一种新型水泥基复合材料。它是由级配石英细砂、石英粉、硅灰、水泥、超塑化剂与钢纤维等组成,在凝结与硬化过程中采取适当的成型养护工艺，比如加压、加热而获得。本文主要介绍了 RPC的研究及应用现状与 RPC的配制原理以及应用与研究中存在的问题，阐述了 RPC的发展趋势。 关键字：RPCC130 强度混凝土研究应用 中图分类号： TU377 文献标识码： A 引言： 随着社会科技快速发展，混凝土技术也得到了很大发展，高性能混凝土的应用也日益广泛。 标号为 C130的超强度混凝土可在水灰比
2、 14%至 16%、养护龄期 28天的条件下达到预期强度目标。水灰比的减小对混凝土强度的减弱影响,其最小限值为 14%，但在适当的材料配合比条件下,用水量及粗集料用量对混凝土强度的影响不十分显著。对于硅酸盐水泥、低发热普通水泥与前二种水泥中再掺入石膏粉的 3种水泥,硅酸盐水泥制作的混凝土强度最高。粗集料的种类对混凝土强度影响比较大,最大差值可达约 30%，从混凝土抗压强度和集料抗压回弹模量之间的相关分析可见,粗细集料的回弹模量对混凝土强度有一定程度的影响。 一、RPC 的研究以及应用现状 国外对 RPC的研究及应用现状 国外对 RPC 配制技术的研究已经比较成熟,由于 RPC具有较好的匀质性及
3、密实度,其抗压强度与耐久性均有较大幅度地提高,并研究了养护条件对 RPC力学性能的影响,以确定合适的养护条件。同时对 RPC 的微观结构也进行了研究,揭示其高强度及高耐久性的工作机理。RPC 不但能够防止放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,是制备新一代核废料储存容器的理想材料。由于它的良好耐磨性能与低渗透性,可以用于生产各种耐腐蚀的压力管与排水管道。现如今,国外对 RPC的研究重点已由基本性能转到了构件及结构的设计方法上,以求将这种超高性能混凝土尽快在结构应用中推广,相关工作正在进行,还没有形成系统的研究成果,更没有涉及到 RPC结构的抗震及抗火性能。RPC 在国外已有不少
4、工程实例,主要制品包括:法国 BOUYGUES公司与美国陆军工程师团合作，进行了 RPC制品的实际生产。Fde LARRARD提出基于最大密实度理论的固体悬浮模型，进行了 RPC配合比设计。美国 CPAR计划及法国与美国陆军工程师团合作生产的 RPC制品包括：大跨度预应力混凝土梁、压力管道及放射性固体废料储存容器。预应力混凝土梁中由 RPC材料承受剪切力，可完全取消附加的抗剪配筋，而且可以减少梁的截面和配筋量。采用 RPC的压力管道提高了工作压力，而且大大增强了对侵蚀性介质的抗侵蚀能力。用 RPC制备的固体肥料储存容器可长期储存中、低放射性肥料，其使用寿命可高达 500年。法国某核电站的冷却系
5、统采用 RPC 生产了 2500 多根预制梁，耗用混凝土 823m,同时还生产了大量核废料储存容器。加拿大在对 RPC配合比研究的基础上,94 年开始进行工业性试验,研究了无纤维 RPC钢管混凝土,并用于加拿大魁北克省 70米跨的Sherbrooke 人行混凝土桁架桥上。桥构件采用 30mm厚无纤维 RPC 桥面板、直径 150mm 的预应力 RPC钢管混凝土桁架、纤维 RPC加劲肋和纤维RPC梁,整个结构在现场进行组装。由于采用了 RPC,不仅大大减轻了桥梁结构的自重,同时提高了桥梁在高湿度环境、除冰盐腐蚀与冻融循环作用下的耐久性能。 2.国内对 RPC的研究及应用现状 国内近几年才开始 R
6、PC的研究,目前还没有工程应用实例。与国外采用水泥- 硅粉两组分胶凝材料不同,国内研究者结合我国 RPC的制备技术及经验,选择了水泥- 粉煤灰- 硅粉三组分胶凝材料体系。文献对 RPC的基本性能进行了较为系统的试验,主要考察了水胶比、粉煤灰、硅粉和钢纤维掺量对 RPC流动性和强度的影响,同时对养护温度、养护时间、凝结时间与开始热养护时刻对 RPC强度的影响进行了研究。为将 RPC实际应用,进一步开展了搅拌设施、高频振捣与脱模剂的试验研究，发展 RPC的原材料选择、制备技术及生产工艺，这是它能够在短短几年里就在国外工程建设领域里获得应用的关键。 总之，我国在超高强混凝土的研究与应用方面与国际上的
7、差距还不小，其中的原因主要有以下几点：（1）国产的减水剂质量差。高效减水剂是配制高强混凝土必不可少的成分，其质量的优劣直接影响到混凝土的性能，研制优质的高效减水剂对我国超高强混凝土技术的发展是极其重要的。 （2）高强混凝土的脆性较为严重，影响了它在工程中的应用。在RPC中掺加钢纤维或用钢管对 RPC施加侧向约束，可使 RPC的极限应变达到普通混凝土的 23 倍，有效地解决了高强混凝土脆性严重的问题，尤其是钢管约束的方法，还可施加沿钢管轴线方向的预应力，非常适合在工程实践中推广应用。 （3）高标号水泥应用较少。提高水泥标号，混凝土强度可随之提高，而我国生产高标号水泥的技术水平有限，目前配制高强混
8、凝土主要使用 525号水泥，625 号以上的水泥很少采用，限制了混凝土强度的提高。 （4）硅灰价格昂贵，使利用硅灰配制超高强混凝土的方法在工程应用中受到限制，因此，寻找价廉质优的活性掺料来替代硅灰，就显得十分重要。 （5）养护制度不完善，影响了混凝土强度的提高及其应用。热养护有利于提高 RPC 的抗压强度,对相同配比的 RPC ,高温(250 ) 养护的混凝土抗压强度最高,热养护(90 ) 次之,标准养护最低,相差达 30MPa 以上,而且养护制度对不同掺合料混凝土的强度影响也不同。目前,工程实践中由于技术水平及价格等因素的限制,对养护制度的重视普遍不足,这对超高强混凝土的强度及耐久性提高十分
9、不利,在今后的研究与应用中应给予足够的重视。 RPC 的配制原理以及应用与研究中存在的问题 （一）RPC 的配制原理 1.采用最大密实理论模型选择材料直径 对粉末堆积的研究表明，当大小均匀的球形颗粒粉末倒入容器时，即使进行面心立方或六方密堆排列，堆积密度也较低，一般小于 74。通过振动可以提高堆积密度，但即使采用最仔细的振动方式，最高振实密度也只能达到 62.8。为了提高堆积密度，常在较大的均一的颗粒之间加入细小的颗粒，先是粒径最大的球体堆积成最密填充，剩下的孔隙依次由小直径的球体填充下去，使球体间的孔隙减小，从而达到最大密实状态。在制备 RPC时，尽量选用本级颗粒的粒径变化范围较小而与相邻粒
10、级的平均粒径差比较大的材料。除此之外，提高密实度与抗压强度的另一种有效的途径是在新拌混泥土凝结前和凝结期间加压。 2.应用消除缺陷的指导思想选择骨料品种 在普通混凝土中，水泥石和集料的弹性模量不同，当应力、温度发生变化时，致使界面处形成细微的裂缝。在混凝土硬化前，水泥浆体中的水分向集料表面迁移，在集料的表面形成一层水膜，从而在硬化的混凝土中留下细小的缝隙。随着应力的增长，微裂缝不断扩展并伸向水泥石，最终导致水泥石的断裂。 3.掺入微钢纤维增大 RPC韧性 未掺钢纤维的 RPC收压应力应变曲线呈线弹性变化，破坏时呈明显的脆性破坏。掺入钢纤维可以提高韧性和延性。RPC200 中掺入钢纤维直径约为
11、0.15mm，长度为 312mm，体积参量为 1.53.0。对于在250以上温度养护的 RPC800,其力学性能的改善是通过掺入更短且形状不规则的钢纤维来获得。 （二）RPC 研究与应用中存在的问题 为了降低 RPC的生产成本及改善其工作性能，掺入粉煤灰后 RPC拌合物的流动度有较大的提高，但在掺入量较大时，随粉煤灰掺量的增加，拌合物流动度提高的幅度并不明显。随着拌合物粉煤灰掺量的增加，拌合物的粘稠性有很大的改善，在振捣过程中有较多的气泡溢出，拌合物的工作性能得到改善，减少 RPC中的孔隙等缺陷。并且在此过程中，RPC的抗折性能也有一定影响，这是由于掺入粉煤灰后拌合物的粘性降低，包裹在里面的气
12、泡比较容易溢出，减少了 RPC中的缺陷从而提高了 RPC的抗折强度。目前，活性粉末混凝土存在的主要问题，是由于超低水胶比而使它的自身收缩明显加大、采用热养护的影响较显著等，因而只适于预制生产，而不能现浇，在结构工程中的应用受到限制。 三、RPC 的发展趋势 RPC 具有极其优越的性能,可应用的领域也非常广泛。在土木工程领域中,随着我国高层建筑和大跨结构迅速增加,为 RPC 的应用提供了巨大的市场,且在结构及桥梁改造、特种结构工程中也具有广阔的应用前景。从工程应用的角度来看,RPC 在以下几个方面具有较好的发展与应用前景: 1.钢- 混凝土组合结构 我们都知道,钢筋混凝土的最大缺点是自重大,一般
13、的建筑中结构自重为有效荷载的 810 倍。而用钢纤维 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,用它制作高层或超高层建筑的结构构件,可大幅度减小截面尺寸和结构自重,增加建筑物的使用面积与美观,因此 RPC 钢管混凝土构件有着广阔的应用前景。2.预应力结构和构件 目前由于建筑结构对混凝土预制构件的需求量较多,因此预应力厂家如果投入适量的资金,对部分设备进行改造,完全可以生产上述活性粉末混凝土预制构件。利用 RPC 的超高强度与高韧性,能生产薄壁、细长、大跨等新颖形式的预制构件,可大幅度缩短工期和降低工程造价。3.特殊用途构件 RPC 的孔隙率极低,具有超高抗渗性及良好的
14、耐磨性,不但能够防止放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，可以用于生产核废料储存容器和各种耐腐蚀的压力管和排水管道,可大大降低造价, 并大幅度延长构件的使用寿命。 4. 建筑物的外装饰材料 RPC 的高密实性与良好的中作性能，使其与模板相结触的表面具有很高的光洁度，外界的有害介质很难侵入到 RPC中去，而且 RPC中的着色剂等组分也不易向外析出，利用这一特点可作建筑物的外装饰材料。 5.RPC 的早期强度发展快,后期强度极高,用于补强和修补工程中可替代钢材和昂贵的有机聚合物,既可保持混凝土体系的有机整体性,还可降低工程造价。 结束语： 与普通混凝土相比较，活性粉末混凝土可以减少材料用量，降低建筑成本，节约资源，减少生产、运输与施工能耗。采用活性粉末混凝土将对改善与保护人类环境作出重要贡献。 参考文献： 1 王勇华;活性粉末混凝土冲击压缩性能研究D;北京交通大学;2008年 2 蒋宗全;杨忠;郭晓安;刘士城;王文云;活性粉末混凝土配合比设计研究及生产工艺J;铁道建筑;2010 年 07期 3 石磊;C130 活性粉末混凝土的配制技术J;粉煤灰综合利用;2010年 06期 4许红梅;王忆宁;高性能混凝土施工质量控制措施J;铁道建筑;2010年 01期
