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活性粉末混凝土的研究與應(yīng)用進(jìn)展

[摘 要]  活性粉末混凝土是一種具有高強(qiáng)度、高耐久性及良好韌性的新型水泥基復(fù)合材料,具有廣闊的研究與應(yīng)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(yīng)用現(xiàn)狀;探討了目前研究中存在的問題,為將RPC 應(yīng)用到現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中,提出放寬對(duì)骨料粒徑和成型及養(yǎng)護(hù)條件的限制等措施;討論了RPC 的發(fā)展趨勢(shì),認(rèn)為應(yīng)進(jìn)一步對(duì)RPC 的抗震、抗火等抗災(zāi)性能進(jìn)行深入研究。

[關(guān)鍵詞]  活性粉末混凝土; 高強(qiáng)度; 耐久性; 韌性; 抗震性能

1  前言

    20 世紀(jì)混凝土科學(xué)與工程技術(shù)取得了重大成就,高性能混凝土的應(yīng)用極大地推動(dòng)了混凝土科技的進(jìn)步,促進(jìn)了人類社會(huì)的發(fā)展[ 1 ] 。隨著21 世紀(jì)混凝土工程的大型化、工程環(huán)境的復(fù)雜化以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,人們對(duì)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(jì)混凝土科學(xué)和工程技術(shù)發(fā)展的重要方向[ 1~3 ] 。

    高性能混凝土有較高的抗壓強(qiáng)度和耐久性,可以解決普通混凝土結(jié)構(gòu)存在的自重大、耐久性低的缺點(diǎn)。但大量的研究和工程應(yīng)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(qiáng)度越高脆性越顯著,嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的抗震性能,必須通過配筋來提高結(jié)構(gòu)的延性,而大量配筋不僅降低了高性能混凝土的經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)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(qiáng)度急劇下降,影響結(jié)構(gòu)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(gòu)過早地出現(xiàn)裂縫, 影響了結(jié)構(gòu)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(jìn)一步推廣應(yīng)用,如何發(fā)展具有高強(qiáng)度、高耐久性和高抗災(zāi)性能的混凝土結(jié)構(gòu),達(dá)到適用性和經(jīng)濟(jì)效果的最佳,成為廣大工程技術(shù)人員夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。1993 年,法國(guó)Bouygues 實(shí)驗(yàn)室研制出一種超高抗壓強(qiáng)度、高耐久性及高韌性的新型水泥基復(fù)合材料,由于提高了組分的細(xì)度和反應(yīng)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(guó)際工程材料領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。RPC 作為一類新型混凝土, 不僅可獲得200MPa 或800MPa 的超高抗壓強(qiáng)度, 而且具有30MPa ~ 60MPa 的抗折強(qiáng)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(shè)施中有著廣闊的應(yīng)用前景。

2  RPC 的基本配制原理及研究與應(yīng)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(xì)骨料和膠凝材料等混合而成的多相復(fù)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(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),過渡區(qū)存在的應(yīng)力集中、收縮應(yīng)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(gòu)是提高混凝土性能的重要途徑。RPC 正是以上述研究為基礎(chǔ),對(duì)混凝土內(nèi)部及過渡區(qū)作了改進(jìn),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(xiàng)性能;

(2) 選用級(jí)配在011μm~1mm 的水泥和硅粉,通過提高組分的細(xì)度,使RPC 內(nèi)部達(dá)到最大填充密實(shí)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(qiáng)度,同時(shí)減小了用水量,大大降低了空隙率;

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

(5) 摻入細(xì)而短的鋼纖維,提高了混凝土的抗彎折強(qiáng)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(gè)強(qiáng)度等級(jí),其中RPC200 的抗壓強(qiáng)度可達(dá)170MPa ~ 230MPa , 而RPC800 的抗壓強(qiáng)度更是高達(dá)490MPa ~ 705MPa ,與鋼材強(qiáng)度相近,其力學(xué)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(xué)性能和耐久性指標(biāo)。

表1

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

     國(guó)外對(duì)RPC 配制技術(shù)的研究已較成熟,文獻(xiàn)[ 4~10 ]對(duì)RPC的材料、配比、養(yǎng)護(hù)條件、耐久性和強(qiáng)度等方面進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究,結(jié)果表明由于RPC 具有較好的勻質(zhì)性及密實(shí)度,其抗壓強(qiáng)度和耐久性均有較大幅度地提高,并研究了養(yǎng)護(hù)條件對(duì)RPC 力學(xué)性能的影響,以確定合適的養(yǎng)護(hù)條件;文獻(xiàn)[6 ]對(duì)RPC 的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,揭示其高強(qiáng)度及高耐久性的工作機(jī)理;文獻(xiàn)[10 ]則對(duì)RPC 制成的放射性核廢料儲(chǔ)藏容器的性能進(jìn)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(chǔ)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(guó)外對(duì)RPC 的研究重點(diǎn)已由基本性能轉(zhuǎn)到了構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法上,以求將這種超高性能混凝土盡快在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中推廣,相關(guān)工作正在進(jìn)行,還沒有形成系統(tǒng)的研究成果,更沒有涉及到RPC 結(jié)構(gòu)的抗震及抗火性能。

    RPC 在國(guó)外已有不少工程實(shí)例,主要制品包括:大跨橋梁的預(yù)制構(gòu)件、壓力管道及放射性固體廢料儲(chǔ)存容器。預(yù)制構(gòu)件中采用RPC ,可以減少構(gòu)件的截面和配筋;RPC 壓力管道則可提高工作壓力,且增強(qiáng)了對(duì)侵蝕性介質(zhì)的抗侵蝕能力;用RPC 制備的固體廢料儲(chǔ)存容器可長(zhǎng)期儲(chǔ)存中、低放射性廢料,其使用壽命可高達(dá)500 年。法國(guó)某核電站的冷卻系統(tǒng)采用RPC 生產(chǎn)了2500 多根預(yù)制梁,耗用混凝土823m3 ,同時(shí)還生產(chǎn)了大量核廢料儲(chǔ)存容器。加拿大在對(duì)RPC 配合比研究的基礎(chǔ)上,94 年開始進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn),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(gòu)件采用30mm 厚無纖維RPC 橋面板、直徑150mm 的預(yù)應(yīng)力RPC 鋼管混凝土桁架、纖維RPC 加勁肋和纖維RPC 梁,整個(gè)結(jié)構(gòu)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝,見圖1 。由于采用了RPC ,不僅大大減輕了橋梁結(jié)構(gòu)的自重,同時(shí)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

圖1  加拿大魁北克Sherbrooke 橋外觀及結(jié)構(gòu)示意圖

  國(guó)內(nèi)近幾年才開始RPC 的研究,目前還沒有工程應(yīng)用實(shí)例。與國(guó)外采用水泥- 硅粉兩組分膠凝材料不同,國(guó)內(nèi)研究者結(jié)合我國(guó)HPC 的制備技術(shù)及經(jīng)驗(yàn),選擇了水泥- 粉煤灰- 硅粉三組分膠凝材料體系[ 11 ,12 ] 。文獻(xiàn)[ 11~18 ]對(duì)RPC 的基本性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗(yàn),主要考察了水膠比、粉煤灰、硅粉和鋼纖維摻量對(duì)RPC 流動(dòng)性和強(qiáng)度的影響,同時(shí)對(duì)養(yǎng)護(hù)溫度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、凝結(jié)時(shí)間和開始熱養(yǎng)護(hù)時(shí)刻對(duì)RPC 強(qiáng)度的影響進(jìn)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(shí)程度得到明顯改善,通過適當(dāng)時(shí)間的熱養(yǎng)護(hù)處理,可以獲得與水泥—硅粉兩組分膠凝系統(tǒng)相當(dāng)強(qiáng)度和其他性能的效果。為將RPC 實(shí)際應(yīng)用,進(jìn)一步開展了攪拌設(shè)施、高頻振搗與脫模劑的試驗(yàn)研究[ 12 ] ,發(fā)展RPC 的原材料選擇、制備技術(shù)及生產(chǎn)工藝,這是它能夠在短短幾年里就在國(guó)外工程建設(shè)領(lǐng)域里獲得應(yīng)用的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[13~16 ]對(duì)RPC 的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并與HPC 和OC 進(jìn)行了比較,結(jié)果表明:RPC 的極限壓應(yīng)變?yōu)镠PC 的2~3 倍。從結(jié)構(gòu)抗震角度來看,這比具有極高的抗壓強(qiáng)度更為重要。在具有相同抗彎能力的前提下,采用RPC 結(jié)構(gòu)重量?jī)H為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的1/ 2~1/ 3 ,大大減輕了結(jié)構(gòu)自重;同時(shí),在未經(jīng)加壓成型、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下,其抗壓強(qiáng)度仍可達(dá)170MPa~230MPa ,但文獻(xiàn)并沒有給出RPC 本構(gòu)關(guān)系的定量描述。文獻(xiàn)[17 ,18 ]研究指出:熱養(yǎng)護(hù)有利于提高RPC 的抗壓強(qiáng)度,對(duì)相同配比的RPC ,高溫(250 ℃) 養(yǎng)護(hù)的混凝土抗壓強(qiáng)度最高,熱養(yǎng)護(hù)(90 ℃) 次之,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)最低,相差達(dá)30MPa 以上,而且養(yǎng)護(hù)制度對(duì)不同摻合料混凝土的強(qiáng)度影響也不同。目前,工程實(shí)踐中由于技術(shù)水平及價(jià)格等因素的限制,對(duì)養(yǎng)護(hù)制度的重視普遍不足,這對(duì)超高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度及耐久性提高十分不利,在今后的研究與應(yīng)用中應(yīng)給予足夠的重視。

3  RPC 應(yīng)用與研究中存在的問題

    目前RPC 應(yīng)用中存在的主要問題是:由于對(duì)骨料、水泥、摻合料的粒徑和成型及養(yǎng)護(hù)條件要求較嚴(yán),因此只適宜預(yù)制生產(chǎn),不能現(xiàn)場(chǎng)澆筑,使其工程應(yīng)用范圍受到限制。如何結(jié)合我國(guó)國(guó)情開發(fā)活性粉末混凝土,盡快應(yīng)用于我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),還應(yīng)該在以下幾方面進(jìn)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(hù),這在現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中很難實(shí)現(xiàn),解決這一矛盾是下一步研究的重點(diǎn)。應(yīng)結(jié)合我國(guó)國(guó)情,考慮實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性,對(duì)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中RPC 的最優(yōu)配比及制備工藝開展研究,研究方向?yàn)? ①適當(dāng)放寬對(duì)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(dòng)性; ②采用與HPC 相同的養(yǎng)護(hù)條件; ③摻加超細(xì)粉煤灰或超細(xì)礦渣等摻合料部分代替硅灰;可以起到降低成本、保護(hù)環(huán)境的作用; ④可以添加納米級(jí)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(gòu),從而增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)護(hù)溫度的調(diào)節(jié)。雖然采用上述措施制備的混凝土強(qiáng)度不如RPC ,但若能實(shí)現(xiàn)制備手段方便實(shí)用,而抗壓強(qiáng)度在150MPa~200MPa 的高性能混凝土材料,將對(duì)其在現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用起到極大的推進(jìn)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(fù)合的辦法來降低高性能混凝土的脆性。微觀復(fù)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(qiáng)度和剛度的損失;宏觀復(fù)合:一是摻入鋼纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維等對(duì)混凝土改性;二是采用鋼管、鋼骨混凝土等組合結(jié)構(gòu)形式來提高HPC 結(jié)構(gòu)的延性。大量研究證明,這種宏觀復(fù)合形式的效果非常明顯,目前已在大跨空間結(jié)構(gòu)、高層建筑和大跨橋梁上廣泛應(yīng)用。雖然RPC 具有較好的韌性,但RPC 構(gòu)件的抗震性能是否能滿足結(jié)構(gòu)的抗震要求目前還沒有開展研究,因此應(yīng)進(jìn)一步考察RPC 主要受力構(gòu)件的抗震性能。無纖維鋼管活性粉末混凝土這種構(gòu)件形式已在加拿大魁北克省Sherbrooke 橋的桁架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用,實(shí)踐證明鋼管中采用無纖維RPC 后可以減小構(gòu)件的截面尺寸,是一種極具發(fā)展前景的構(gòu)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(guān)于高溫下HPC 爆裂的本質(zhì)和機(jī)理尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí), 但都認(rèn)可這樣的觀點(diǎn),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(gòu)中,鋼筋保護(hù)層的爆裂直接導(dǎo)致構(gòu)件截面面積減小,截面溫度場(chǎng)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(gòu)件的耐火性能,加速了構(gòu)件的破壞歷程,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過早破壞。目前,有關(guān)HPC 抗火性能及其災(zāi)后損傷評(píng)估的研究還不完善,而RPC 比HPC 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為密實(shí),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(jī)理目前還沒有相關(guān)研究,急需開展初步的試驗(yàn)研究,以考察RPC 的抗火能力。

4  RPC 的發(fā)展趨勢(shì)

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

(1) 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)和構(gòu)件。目前由于建筑結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土預(yù)制構(gòu)件的需求量較多,因此預(yù)應(yīng)力廠家如果投入適量的資金,對(duì)部分設(shè)備進(jìn)行改造,完全可以生產(chǎn)上述活性粉末混凝土預(yù)制構(gòu)件。利用RPC 的超高強(qiáng)度與高韌性,能生產(chǎn)薄壁、細(xì)長(zhǎng)、大跨等新穎形式的預(yù)制構(gòu)件,可大幅度縮短工期和降低工程造價(jià)。

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

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

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[作者簡(jiǎn)介]  王震宇(1971 - ) ,男,博士。

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12月27日廣東水泥市場(chǎng)價(jià)格行情動(dòng)態(tài)

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2024-12-28 15:47:08