活性粉末混凝土的制備原理與特性

孫志光

（中國建筑第八工程局有限公司，北京 100097）

1 引言

在結(jié)構(gòu)工程向大型化、復(fù)雜化和功能化發(fā)展的趨勢(shì)下，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)的要求不斷提高。然而高強(qiáng)度等級(jí)未能解決混凝土低拉壓比問題，通常以提高配筋率的方式加以彌補(bǔ)。高配筋率增大了澆筑施工難度，同時(shí)，鋼筋約束條件下混凝土收縮應(yīng)力加劇開裂，加劇外界侵蝕介質(zhì)滲入，降低混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。此外，對(duì)于高強(qiáng)混凝土，骨料—水泥石界面過渡區(qū)仍然是降低力學(xué)性能和耐久性的主要薄弱環(huán)節(jié)。

針對(duì)以上問題，上世紀(jì)末由法國布伊格（Bouygues）公司基于“高致密水泥基均勻體系”（DSP）模型和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料原理，以水泥、硅粉、石英砂（400～600μm）、高效減水劑和鋼纖維等為主要組成材料，在凝結(jié)硬化過程中，配以施壓、熱處理等養(yǎng)護(hù)制備工藝，研發(fā)了一種超高強(qiáng)、低脆性和耐久性優(yōu)異的新型高性能混凝土——活性粉末混凝土（RPC）。

雖然 RPC 的研究與應(yīng)用尚不足二十年，但其兼具了鋼材強(qiáng)度大、韌性高和混凝土耐火、耐腐蝕性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，已成為國際工程材料領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一[1,2]。本文通過分析活性粉末混凝土的配制、微觀結(jié)構(gòu)和性能的基本原理，明確活性粉末混凝土力學(xué)性能和耐久性特征，針對(duì)RPC 的工程應(yīng)用性能，提出尚需解決的問題。

2 基本原理

通常混凝土是由砂、石、水泥、水、礦物摻合料和化學(xué)外加劑六相配制的復(fù)合材料，其中水泥石—粗骨料界面過渡區(qū)具有 Ca(OH)2結(jié)晶粗大和孔隙率高等特點(diǎn)，表現(xiàn)為應(yīng)力集中、粘結(jié)力低，成為影響混凝土力學(xué)性能及耐久性的主要因素。因此，提升界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)特征是實(shí)現(xiàn)混凝土高性能化的最重要途徑之一。RPC 通過剔除粗骨料，提高膠凝材料活性，優(yōu)化顆粒密堆積結(jié)構(gòu)，能夠減小內(nèi)部缺陷，從而獲得優(yōu)良力學(xué)性能和耐久性。

2.1 剔除粗骨料，提高均勻性，減少缺陷

對(duì)于固體材料，通常理論強(qiáng)度約為彈性模量的 0.1～0.2倍，但實(shí)測值僅為彈性模量的 (0.1～0.2)×10-3倍，相差甚遠(yuǎn)，其原因在于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在大量缺陷。在新拌混凝土階段，骨料表面聚集水膜，硬化混凝土局部孔隙率顯著增大，此外，泌水也使骨料下表面形成水囊，結(jié)構(gòu)混凝土未承受荷載作用情況下，界面過渡區(qū)便充滿微裂縫。由于水泥石與骨料的彈性模量存在差異，當(dāng)應(yīng)力和溫度變化時(shí)，水泥石和骨料變形量不同，水泥石—骨料界面出現(xiàn)剪應(yīng)力和拉應(yīng)力，誘發(fā)微裂縫。隨著應(yīng)力增加，微裂縫不斷擴(kuò)展，逐步延伸至水泥石，最終導(dǎo)致水泥石斷裂。提高 RPC 材料的均勻性是消除混凝土固有缺陷的有效方法，主要途徑如下：

（1）降低骨料粒徑和含量，改善結(jié)構(gòu)均勻性。

國外研究表明，荷載作用下，混凝土微觀裂縫寬度與骨料粒徑呈正比關(guān)系[3]。剔除普通混凝土粗骨料（通常最大粒徑為 9～80mm），僅以石英砂作為細(xì)骨料，使骨料粒徑減至約2%，荷載作用、收縮和高溫養(yǎng)護(hù)等因素引發(fā)的微裂縫寬度顯著減小，改善了界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)特征，材料宏觀性能提升。

相比于石英砂間隙，水泥漿體積富余度比約為 120%，石英砂無法形成骨架結(jié)構(gòu)，在漿體收縮過程中，石英砂隨漿體移動(dòng)，有效減小了石英砂與水泥石間開裂傾向[3,4]。

粗骨料與水泥石彈性模量比約等于 3，以致粗骨料與水泥石形變特性不一致，界面過渡區(qū)易形成微觀裂縫。RPC 骨料與水泥石的彈性模量之比在 1～1.4 之間，形變一致性顯著提高。

（2）改善漿體水化微觀結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化骨料—水泥石界面。

大摻量高活性礦物摻合料（硅粉）是 RPC 配制的主要特征之一，硅粉具有三個(gè)作用：① 優(yōu)化密堆積結(jié)構(gòu)，提高密實(shí)度；② “滾珠效應(yīng)”可提升流變特性；③ 高火山灰活性，與 Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，細(xì)化 Ca(OH)2晶體尺寸，優(yōu)化 Ca(OH)2取向排列；降低 C-S-H 凝膠鈣硅比，提高漿體強(qiáng)度，強(qiáng)化界面過渡區(qū)。

RPC200 物理力學(xué)性能演變發(fā)展規(guī)律研究表明硅灰最佳摻量為 25%～35%[5]，火山灰效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn) RPC 中硅灰增強(qiáng)作用極高，高溫養(yǎng)護(hù)條件下，強(qiáng)度貢獻(xiàn)率約為 40%。

此外，硅灰有益于提高鋼纖維與水泥基基體間粘結(jié)力，何峰等研究表明摻入 20%～30% 硅灰可使鋼纖維與基體界面粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到峰值[7-11]。

2.2 提高堆積密度

大量研究表明優(yōu)化顆粒級(jí)配，采用多級(jí)粒徑分布，堆積密度最優(yōu)時(shí)，材料內(nèi)部微觀缺陷最少。應(yīng)用流變學(xué)和密堆積結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論來決定高效減水劑最佳摻量。改善拌合工藝，使拌合物組分分布均勻、流動(dòng)性優(yōu)良。在凝結(jié)過程中，對(duì)RPC 材料施壓養(yǎng)護(hù)，可以使內(nèi)部氣體和自由水排出，消除部分收縮孔隙，降低孔隙率，進(jìn)一步提高密實(shí)度[12]。

2.3 高溫養(yǎng)護(hù)改善水化微觀結(jié)構(gòu)

RPC 材料的水化微觀結(jié)構(gòu)特征受養(yǎng)護(hù)溫度的顯著影響。Marcel Cheyrezy 的研究表明 20℃ 養(yǎng)護(hù)至 28d 齡期，C-S-H 凝膠鏈短，火山灰二次水化程度低；水化結(jié)構(gòu)決定于高溫養(yǎng)護(hù)和加壓狀態(tài)，火山灰反應(yīng)在 200～250℃ 之間時(shí)加強(qiáng)，提高養(yǎng)護(hù)溫度可增加 C-S-H 凝膠鏈長[13,16,17]。硅粉反應(yīng)活性依賴于高溫養(yǎng)護(hù)和持續(xù)時(shí)間，養(yǎng)護(hù)溫度是水化微觀結(jié)構(gòu)的主要決定因素之一[14]。

研究表明，在 20～90℃ 常壓養(yǎng)護(hù)條件下，RPC200 水化產(chǎn)物呈無定形態(tài)，提高養(yǎng)護(hù)溫度，火山灰二次水化效應(yīng)加強(qiáng)，100nm 以上孔體積降低，孔結(jié)構(gòu)細(xì)化。在 250～400℃ 壓力養(yǎng)護(hù)條件下，RPC 800 水化產(chǎn)物 C-S-H 凝膠脫水，生成硬硅鈣石晶體。

2.4 復(fù)合鋼纖維，提高韌性

相對(duì)于普通混凝土，無纖維 RPC 僅具有高強(qiáng)度，但韌性未有明顯改善?；w和纖維屬兩類材料，鋼纖維使 RPC 成為各向異性材料，纖維可以阻滯水泥基料在荷載裂縫擴(kuò)展。在承受荷載前期，以水泥基基體受力為主，鋼纖維約束水泥基體裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。伴隨荷載增大，基體逐漸開裂，一部分基體退出工作，橫跨裂縫的鋼纖維繼續(xù)承受荷載作用，破壞荷載提高。超過極限荷載后，裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，鋼纖維不斷拉斷或拔出，過程中承載能力緩慢下降，荷載—位移曲線包絡(luò)面積增大，斷裂能、斷裂韌性和裂縫張開位移提高，材料破壞呈現(xiàn)出延性[18]。

鋼纖維對(duì) RPC 增強(qiáng)作用程度與鋼纖維材質(zhì)、數(shù)量、形貌、分布方向以及與基體粘結(jié)力等密切相關(guān)。研究表明鋼纖維增強(qiáng)作用與直徑呈反比；一定范圍內(nèi)，與鋼纖維摻入量呈正比，且對(duì)抗彎強(qiáng)度作用遠(yuǎn)高于抗壓強(qiáng)度，但過量摻入鋼纖維，將降低 RPC 工作性。因此，應(yīng)綜合考慮 RPC 工作性和力學(xué)性能進(jìn)行鋼纖維摻量設(shè)計(jì)。通常，RPC 鋼纖維直徑為0.15～0.18mm，長 3～12mm，摻量為 2%～6%（體積）比較合理。

3 性能特點(diǎn)

RPC 抗壓強(qiáng)度為 200～800 MPa，抗拉強(qiáng)度 25～150 MPa，斷裂能高達(dá) 30 kJ/m2，是一種超高力學(xué)性能混凝土。目前，工程界通常將 RPC 材料劃分為 RPC200 和 RPC800 兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，前者采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，后者采用高溫高壓養(yǎng)護(hù)。RPC200、RPC800、高強(qiáng)混凝土與普通混凝土力學(xué)性能對(duì)比見表 1[1,4]，可以看出：相對(duì)高強(qiáng)混凝土（HSC）和普通混凝土（NSC），RPC 抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和斷裂能均有顯著提升，韌性得以優(yōu)化。

表1 RPC200、RPC800、HSC 與 NSC 的力學(xué)性能對(duì)比分析

圖1 給出了 RPC 和高性能混凝土（High-performance Concrete，HPC）的典型應(yīng)力—應(yīng)變曲線[19]，分析可知 RPC受壓構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度和變形性能遠(yuǎn)優(yōu)于 HPC。鋼管約束和預(yù)應(yīng)力進(jìn)一步提升了 RPC 抗壓強(qiáng)度和延性，明示了 RPC 材料更為高效和合理利用途徑。

圖1 RPC 和 HPC 抗壓強(qiáng)度-應(yīng)變?nèi)€

嚴(yán)酷服役環(huán)境下，耐久性是衡量材料品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。近年來，國內(nèi)外已開展了相關(guān)研究，主要研究方向包括RPC 的抗?jié)B性、抗侵蝕性、抗凍性和耐磨性等方面[20,21]。

優(yōu)良的孔結(jié)構(gòu)使 RPC 材料具有低滲透性、高抗侵蝕介質(zhì)滲入性能和耐磨性，表 2 給出了 RPC 與其它幾種混凝土的耐久性指標(biāo)的比較[22]。

4 工程應(yīng)用

表2 NSC、HPC、RPC 耐久性對(duì)比

近年來，國內(nèi)外對(duì) RPC 材料進(jìn)行了多領(lǐng)域應(yīng)用探索。加拿大魁北克省利用 RPC 材料建成世界上第一座公路橋——Sherbrooke 橋，其采用 RPC 鋼管桁架結(jié)構(gòu)，單跨跨徑 60m，橋?qū)挾?4.2m。橋面板厚度 30mm，間隔 1.7m 設(shè)置加強(qiáng)肋，加強(qiáng)肋高 70mm。桁架腹桿采用直徑 15cm、壁厚 3mm 不銹鋼管，內(nèi)部灌注 PRC200，下弦采用 RPC 雙梁。常規(guī)預(yù)制件長 10m、高 3m，現(xiàn)場后張預(yù)應(yīng)力拼裝。圖 2～4 分別給出Sherbrooke 橋的設(shè)計(jì)示意圖、實(shí)景圖和上部結(jié)構(gòu)[18,23]。

圖2 Sherbrooke 橋設(shè)計(jì)示意圖

圖3 Sherbrooke 橋?qū)嵕皥D

圖4 Sherbrooke 橋上部結(jié)構(gòu)形式

法國拉法基公司率先將 RPC 材料作為結(jié)構(gòu)材料和裝飾材料商業(yè)化，該產(chǎn)品成功應(yīng)用于和平橋主跨結(jié)構(gòu)（圖 5）。和平橋具有建設(shè)速度快，自重輕的特點(diǎn)，標(biāo)志著 RPC 在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到了新的高度[18]。

圖5 和平橋全景圖

此外，美國已建成直徑 18m 的 RPC 無鋼筋圓形屋蓋，施工工期縮短至普通鋼結(jié)構(gòu)的 1/3，澳大利亞已建成第一座RPC 公路橋——Shepherds Creek Road Bridge，法國成功制備了 RPC 核廢料容器，葡萄牙利用 RPC 材料建造防護(hù)堤等海防結(jié)構(gòu)，日本利用 RPC 預(yù)制箱梁建成了 Sakata-Mirai 步行橋。由于優(yōu)異的抗腐蝕性和抗?jié)B性，RPC 在壓力管道和下水道等領(lǐng)域同樣得到了廣泛應(yīng)用。目前，我國 RPC 材料的工程應(yīng)用尚處于起步階段，在高速鐵路、青藏鐵路和北京五環(huán)等工程中已有推廣應(yīng)用。

5 存在的問題

國內(nèi)外 RPC 材料性能和工程應(yīng)用性能已有大量研究成果，然而，總體而言，RPC 研究和應(yīng)用仍存在如下幾方面的問題，亟需完善：

（1）設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、質(zhì)量控制與檢驗(yàn)等標(biāo)準(zhǔn)缺失。

由于缺少材料設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、質(zhì)量控制與檢驗(yàn)等標(biāo)準(zhǔn)，RPC 取材、設(shè)計(jì)和制備等工藝過程無規(guī)范可依，針對(duì) RPC性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和檢測方法的缺失，以致不同單位制備的同種RPC 材料性能差異較大。

（2）RPC 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和方法滯后。

目前，國內(nèi)外未有 RPC 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，設(shè)計(jì)方法以普通混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范為準(zhǔn)，很大程度上限制了 RPC優(yōu)異性能的發(fā)揮。因此，深入研究 RPC 材料工作性、力學(xué)性能和耐久性，構(gòu)建針對(duì) RPC 材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和施工技術(shù)規(guī)范是亟待解決的技術(shù)問題。

（3）收縮大，且不易現(xiàn)場澆筑。

低水膠比、高膠凝材料用量和高溫養(yǎng)護(hù)等因素導(dǎo)致 RPC收縮量大，同時(shí)給現(xiàn)場澆筑施工造成一定困難。

（4）制備工藝復(fù)雜、成本過高。

大摻量的鋼纖維、硅灰和高效減水劑，高品質(zhì)原材料和復(fù)雜的制備工藝，以及特殊的成型和養(yǎng)護(hù)等因素，使 RPC 材料的生產(chǎn)成本過高，一定程度上阻礙了大范圍的推廣應(yīng)用。

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