大摻量礦物微細(xì)粉活性粉末混凝土的研究綜述

謝彪XIE Biao

（中鐵城建集團(tuán)第一工程有限公司，太原030024）

0 引言

隨著建筑行業(yè)的飛快發(fā)展，對(duì)建筑材料的性能要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)鋼筋混凝土的強(qiáng)度和性能，對(duì)于一些有特殊要求的建筑已遠(yuǎn)不能滿足。高效減水劑的廣泛應(yīng)用以及優(yōu)質(zhì)活性礦物細(xì)粉的加入，使得高強(qiáng)混凝土應(yīng)運(yùn)而生。但其早期強(qiáng)度發(fā)展迅速，開(kāi)裂及倒縮現(xiàn)象顯著，并且隨著混凝土強(qiáng)度的不斷提高，混凝土的抗拉強(qiáng)度低、韌性差的缺點(diǎn)愈加顯著。為此，人們?cè)诨炷林屑尤肟估瓘?qiáng)度高、極限延伸率大的各種纖維，從而形成纖維混凝土。纖維混凝土具有較高抗拉、抗彎強(qiáng)度，良好的任性和延性。但當(dāng)粗骨料粒徑較大時(shí)，纖維的抗拉“橋梁”作用受到阻礙，為了獲得性能更加優(yōu)異的混凝土，20世紀(jì)末，法國(guó)的布伊格（Bouygues）公司研制成功了活性粉末混凝土（簡(jiǎn)稱RPC）。它是集高強(qiáng)混凝土和纖維混凝土的優(yōu)勢(shì)于一體，剔除粗骨料，代以石英砂為骨料，摻入適量短纖維和活性礦物摻合料，采用高效減水劑來(lái)降低水膠比，配以成型加壓、加熱養(yǎng)護(hù)等措施，制備出的具有超高強(qiáng)、低脆性、高耐久性的新型水泥基復(fù)合材料。隨后活性粉末混凝土便成為了國(guó)際工程領(lǐng)域的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，但是水泥、硅灰等材料，低溫水化速度慢，造價(jià)也相對(duì)較高，為此便形成了以大摻量的礦物微細(xì)粉代替部分水泥和硅灰的大摻量礦物微細(xì)粉活性粉末混凝土，如此良好的工作性能，使得活性粉末混凝土在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。

1 活性粉末混凝土的制備原理及改善性能方法

構(gòu)件所獲得的最大承載力取決于微裂縫的數(shù)量及孔隙的大小，這也正是活性粉末混凝土產(chǎn)生高強(qiáng)的原因，它的基本配置原理和改善性能方法如下：

1.1 剔除粗骨料，代之以平均粒徑250um的細(xì)砂

傳統(tǒng)混凝土的粗骨料粒徑較大，在混凝土和骨料的界面上產(chǎn)生微裂縫，另外當(dāng)溫度、荷載變化時(shí)，二者的收縮變形不一致，從而使裂縫產(chǎn)生，降低強(qiáng)度。但是活性粉末混凝土剔除粗骨料代之細(xì)砂，由于骨料粒徑較小，自身存在缺陷的概率也低，同時(shí)沒(méi)有粗骨料，構(gòu)建的勻質(zhì)性提高。從而提高活性粉末混凝土的強(qiáng)度。

1.2 摻入礦物微細(xì)粉及高效減水劑

活性粉末混凝土常摻的礦物微細(xì)粉包括硅灰、粉煤灰、礦渣、石灰石粉等。通過(guò)礦物微細(xì)粉和高效減水劑的雙摻，使得活性粉末混凝土在較低水膠比的情況下，達(dá)到最大填充密實(shí)度，另外礦物微細(xì)粉中的硅灰水化生成水化硅酸鈣凝膠，可有效改善界面區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)。由于活性粉末混凝土水膠比極低，水泥和硅灰不能水化完全，但是粉煤灰水化速度慢，可使體系形成一個(gè)良好的水化環(huán)境，在一定程度上改善了活性粉末混凝土的性能。

1.3 采用加壓及熱養(yǎng)護(hù)

在活性粉末混凝土凝結(jié)過(guò)程中施加一定的壓力，可以有效地減少活性粉末混凝土中氣孔的數(shù)量，還可以排出一定量的多余水份，提高漿體的密實(shí)性，在凝固后采用熱養(yǎng)護(hù)，可以加速水化反應(yīng)及火山灰效應(yīng)的程度，改善微觀結(jié)構(gòu)，提高界面粘結(jié)力。

1.4 加入較短鋼纖維，提高延性及韌性

鋼纖維的抗拉強(qiáng)度較高，可以彌補(bǔ)混凝土抗拉強(qiáng)度差的缺點(diǎn)，當(dāng)活性粉末混凝土材料出現(xiàn)較小的裂縫的時(shí)候，高彈性模量的鋼纖維與混凝土基體之間的粘結(jié)力，具有一定的阻裂作用。

2 活性粉末混凝土的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

活性粉末混凝土由于其優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能，使得其在諸多工程實(shí)際中的得到應(yīng)用。1997年加拿大Sherbrooke市建成了一座跨徑60m的RPC人行橋。當(dāng)?shù)貧夂驐l件惡劣，最低溫度可達(dá)零下40度，雪天還要經(jīng)常撒鹽水，對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性要求很高。由于采用RPC，減輕橋梁自重，提高其在除冰鹽腐蝕與凍融循環(huán)作用下的耐久性能，這一應(yīng)用，極大地推動(dòng)了RPC在橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用。2002年澳大利亞建成一座跨徑15m，寬度為21m的預(yù)應(yīng)力RPC公路橋，這是RPC真正應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的標(biāo)志。2006年美國(guó)建成一座高等RPC單跨簡(jiǎn)支梁橋，并獲得06年度波特蘭水泥協(xié)會(huì)橋梁獎(jiǎng)。我國(guó)對(duì)RPC的研究起步較晚，但是發(fā)展很快，北京交通大學(xué)的鄭遵暢等對(duì)摻加玄武巖纖維的活性粉末混凝土基本性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，探究了不同玄武巖纖維體積摻量下活性粉末混凝土的力學(xué)以及耐久性能。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李建平等對(duì)超細(xì)礦粉活性粉末混凝土性能進(jìn)行研究，在參照前人獲得的RPC配合比的基礎(chǔ)上，通過(guò)正交試驗(yàn)，成功配置出滿足性能要求的超細(xì)礦粉活性粉末混凝土，并研究了其抗?jié)B、抗凍性。中南大學(xué)的李會(huì)艷等對(duì)聚丙烯酸酯對(duì)活性粉末混凝土性能的影響進(jìn)行研究，得出摻加聚丙烯酸酯可以有效改善符合漿體的流動(dòng)性，同時(shí)也可降低減水劑的飽和點(diǎn)。我國(guó)對(duì)RPC的應(yīng)用在鐵路領(lǐng)域應(yīng)用較多，例如，2006年青藏鐵路多年凍土區(qū)首先試用了RPC人形道板，2007年在遷曹鐵路上使用了20m跨度的T型RPC梁，在冀港鐵路線上采用了跨度為32m的預(yù)應(yīng)力RPC梁?；赗PC的高強(qiáng)、高性能，使得其極具推廣價(jià)值并具有廣闊的應(yīng)用前景。在土木工程領(lǐng)域，高層和大跨結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展，為RPC的應(yīng)用提供了巨大的空間，此外在特種結(jié)構(gòu)工程的施工中，也擁有廣闊的應(yīng)用前景。利用RPC的超高強(qiáng)度及韌性，在不配筋或者少配筋的情況下，生產(chǎn)薄壁制品、細(xì)長(zhǎng)構(gòu)建，可替代工業(yè)廠房的鋼屋架和高層、超高層建筑的上部鋼結(jié)構(gòu)，大幅降低造價(jià)。利用RPC的超高抗?jié)B性與抗拉性能，可替代鋼材制造壓力管道、中低放射性核廢料儲(chǔ)存器，既降低風(fēng)險(xiǎn)又延長(zhǎng)壽命。

四大摻量礦物微細(xì)粉活性粉末混凝土配制思想。

國(guó)內(nèi)外對(duì)活性粉末混凝土的研究，一般選用水泥和硅灰構(gòu)成粉體堆積，但是這種情況存在水泥用量大，且粉體堆積效率不高的問(wèn)題，如果用礦物摻合料來(lái)代替一部分水泥和硅灰，不但可以降低成本，而且具有良好的生態(tài)效益。所謂大摻量活性粉末混凝土是指粉煤灰等礦物細(xì)粉摻量超過(guò)膠凝材料總量40%以上的活性粉末混凝土。粉煤灰、礦渣、石灰石粉等大多是工業(yè)廢渣，將其作為礦物摻合料應(yīng)用于混凝土中具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，因而得到了越來(lái)越多的關(guān)注。大摻量礦物微細(xì)粉活性粉末混凝土的配置思想是剔除粗骨料、優(yōu)化細(xì)骨料的級(jí)配，通過(guò)摻加大量顆粒分布良好的礦物細(xì)粉來(lái)取代用量較高的水泥，在改善均勻性的同時(shí)達(dá)到最佳的密實(shí)狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上添加摻量及長(zhǎng)徑比適宜的鋼纖維，以此來(lái)改善活性粉末混凝土的脆性。一般認(rèn)為礦物摻合料的粒徑越小越有利于其水化，但是如果過(guò)度追求超細(xì)的礦物摻合料，不但增加了施工成本而且還會(huì)增加粉磨電耗，既不經(jīng)濟(jì)又不環(huán)保。況且粒徑較小的多種礦物摻合料添加到一起，如果沒(méi)有形成良好的級(jí)配的話，同樣不利于混凝土的發(fā)展，不能達(dá)到理想的預(yù)期效果。所以在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中既要考慮到性能因素也要考慮到經(jīng)濟(jì)因素。

3 RPC存在的問(wèn)題

3.1 雖然RPC的研究國(guó)內(nèi)外都趨于成熟，但在嚴(yán)酷環(huán)境下活性粉末混凝土中的鋼纖維存在銹蝕的危險(xiǎn)，這無(wú)疑對(duì)RPC的耐久性及力學(xué)性能造成影響，尋找性能好又不易腐蝕的纖維來(lái)代替鋼纖維是未來(lái)RPC的發(fā)展方向。

3.2 混雜纖維RPC應(yīng)該得到推廣，混在纖維RPC中高模量纖維對(duì)提高混凝土的力學(xué)性能具有一定的優(yōu)越性，低模量纖維對(duì)提高混凝土的任性及耐久性具有一定的優(yōu)越性?；祀s纖維RPC能有效形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，所以用混雜纖維來(lái)代替單一纖維來(lái)制備活性粉末混凝土具有更廣闊的應(yīng)用前景。

3.3 高溫養(yǎng)護(hù)條件在一定程度上阻礙了RPC的發(fā)展，一般實(shí)驗(yàn)室難以達(dá)到高溫養(yǎng)護(hù)條件，高溫養(yǎng)護(hù)增加了RPC在野外和實(shí)際工程澆筑時(shí)的困難。如何探究RPC在標(biāo)養(yǎng)條件下達(dá)到高強(qiáng)性能，應(yīng)成為以后RPC的研究方向之一。

3.4 造價(jià)偏高。硅灰、鋼纖維等摻合料價(jià)格偏高，從而使RPC的整體造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通混凝土。如何在保持高強(qiáng)、高性能的基礎(chǔ)上有效地降低造價(jià)也是RPC亟待解決的問(wèn)題之一。

4 結(jié)論和應(yīng)用前景展望

RPC作為一種新型的超高強(qiáng)、高性能的水泥基復(fù)合材料，在高層、橋梁、管道等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景，RPC具有超高的力學(xué)性能，優(yōu)異的耐久性能，這必將使得RPC在未來(lái)的新型水泥基復(fù)合材料領(lǐng)域成為主力軍。利用既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的礦物微細(xì)粉來(lái)取代用量較大的水泥，可以很好地解決水泥水化和自重較大的問(wèn)題，如何解決活性粉末混凝土中鋼纖維的銹蝕，以及高溫養(yǎng)護(hù)條件的限制是今后活性粉末混凝土應(yīng)該研究的問(wèn)題，另外硅灰、石英砂的材料造價(jià)偏高，這無(wú)疑限制了其大量普及，尋找造價(jià)相對(duì)較低但性能相當(dāng)?shù)慕ㄖ牧蟻?lái)取代一部分硅灰和石英砂，應(yīng)該成為今后活性粉末混凝土的研究新方向。

[1]張揚(yáng).活性粉末混凝土流變性能的數(shù)值分析[D].北京交通大學(xué)，2012：25-48.

[2]劉暢.活性粉末混凝土偏心受壓構(gòu)件破壞機(jī)理的試驗(yàn)研究[D].北京交通大學(xué)，2012：14-35.

[3]肖銳.摻超細(xì)水泥的活性粉末混凝土[J].混凝土，2013（23）：56-76.

[4]王福星.活性粉末混凝土研究新進(jìn)展[J].公路交通科技，2013（45）：23-45.