RPC混凝土用于快速拼裝施工中的可行性分析

1北京市市政專業(yè)設(shè)計(jì)院股份公司 北京 100037

摘要：活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡稱RPC）是繼高強(qiáng)、高性能混凝土之后研制成功的集超高強(qiáng)度、高耐久性于一身的新型水泥基復(fù)合材料。在土木工程領(lǐng)域中，隨著高層建筑和大跨結(jié)構(gòu)迅速增加，為RPC的應(yīng)用和推廣提供了巨大的市場。筆者通過理論分析、模擬試驗(yàn)等方式對RPC材料與鋼材結(jié)合能力進(jìn)行測定，并據(jù)此論證RPC材料應(yīng)用于快速拼裝施工中的可行性。

關(guān)鍵詞：RPC混凝土；快速施工；可行性分析

1 RPC混凝土概述

1.1 RPC混凝土的概念

RPC混凝土也叫活性粉末混凝土（reactive powder concrete），定義：以細(xì)砂為骨料，摻入大量硅灰等礦物摻合料、高效減水劑和微細(xì)鋼纖維，薄弱的界面得到大幅度加強(qiáng)，使斷裂能提高兩個(gè)數(shù)量級以上，成為一種高強(qiáng)度、高韌性、低孔隙率的混凝土材料。是于1993年由法國Bouygues公司Richard等人率先研制出來的[1]。

1.2 國內(nèi)外RPC混凝土研究現(xiàn)狀

由于活性粉末混凝土具有超高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性、良好的體積穩(wěn)定性和環(huán)保性能，因此可應(yīng)用的領(lǐng)域極為廣泛 [4]。這在國內(nèi)外引起了材料界和工程界的關(guān)注，并進(jìn)一步研究如何將這種材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用于土木工程中。

國外對RPC配制技術(shù)的研究較為成熟，有關(guān)RPC的材料、配比、養(yǎng)護(hù)條件、耐久性和強(qiáng)度等方面研究成果表明，由于RPC具有較好的勻質(zhì)性及密實(shí)度，抗壓強(qiáng)度和耐久性等均有大幅提高；養(yǎng)護(hù)條件對RPC力學(xué)性能的影響很大，確定了合適的養(yǎng)護(hù)條件[1]、[2]、[5～6]。目前，國外對RPC的研究重點(diǎn)已從基本性能轉(zhuǎn)移到了構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法上，以求將這種材料盡快在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中推廣 [3]。

當(dāng)前國內(nèi)也有很多單位開展了對RPC材料的研究，清華大學(xué)最早開始研究RPC材料，東南大學(xué)、北京交通大學(xué)、中南大學(xué)等都相繼開始研究RPC的配合比及成型工藝。很多學(xué)者開始研究RPC的構(gòu)件性能，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算，并在實(shí)際工程中開始使用RPC結(jié)構(gòu)，雖然僅作為輔助構(gòu)件，但RPC的優(yōu)越性仍然顯露無疑。

在對RPC的本構(gòu)關(guān)系的試驗(yàn)研究中，與普通高性能混凝土（HPC）和普通混凝土（OC）進(jìn)行比較，結(jié)果表明：RPC的極限壓應(yīng)變是HPC的2～3倍。在相同抗彎強(qiáng)度的前提下，RPC結(jié)構(gòu)重量僅為普通鋼混結(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)等條件下，RPC的抗壓強(qiáng)度仍可達(dá)170MPa～230MPa。

1.3 國內(nèi)RPC混凝土研究存在問題

我國對RPC的研究雖然起步較晚，但也取得了一定的成績。就目前而言，RPC在研究中存在著以下幾個(gè)問題。

（1）缺少優(yōu)質(zhì)摻料。

（2）制作成本高，制備工藝復(fù)雜。

（3）自收縮較大。

（4）缺少明確公認(rèn)的RPC本構(gòu)關(guān)系。

（5）雖然RPC具有較好的韌性，但RPC構(gòu)件的抗震性能能否滿足結(jié)構(gòu)的抗震要求目前還未可知，相關(guān)研究工作還沒開展，因此應(yīng)進(jìn)一步考察RPC受力構(gòu)件的抗震性能[3]；

（6）目前有關(guān)高性能混凝土抗火性能及災(zāi)后損傷評估的研究還不完善，而活性粉末混凝土在高溫下的破壞現(xiàn)象和機(jī)理目前還沒有相關(guān)研究，急需開展相關(guān)的試驗(yàn)研究，以考察RPC的抗火性能[3]；

（7）缺少完備的規(guī)范制度。

（8）要提出針對RPC這種新材料的活性測試技術(shù)，就必須解決缺乏相對穩(wěn)定的操作規(guī)程、相應(yīng)的數(shù)據(jù)解釋文件及標(biāo)準(zhǔn)參考值的現(xiàn)狀；

（9）大比尺構(gòu)件模型試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際原型工程測試結(jié)果的對比資料仍然是一片空白。

2 RPC混凝土用于快速拼裝施工的優(yōu)點(diǎn)

隨著國家經(jīng)濟(jì)的房展，城市交通壓力日益增大；在現(xiàn)況城市交通網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工，會(huì)影響到城市正常的交通運(yùn)營。在這種背景下，快速拼裝施工的優(yōu)點(diǎn)不言而喻。拼裝施工就像搭積木一樣，把整體結(jié)構(gòu)劃分為多種結(jié)構(gòu)預(yù)制單元，再通過栓接、焊接、二次澆筑接頭等方式在現(xiàn)場快速拼裝成形，大大節(jié)省了現(xiàn)場作業(yè)的時(shí)間，減少了城區(qū)內(nèi)施工對于交通的影響。同時(shí)，該施工工藝具有：廠制單元質(zhì)量高、尺寸精度好、現(xiàn)場施工快捷、工藝簡單、極大的節(jié)省了施工工期等特點(diǎn)。

但是現(xiàn)有的拼裝施工中由于混凝土材料本身的缺點(diǎn)，預(yù)制單元多采用鋼結(jié)構(gòu)，增加了工程投資。

而活性粉末混凝土（RPC）特殊的性能可以彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，筆者從RPC材料自身特性出發(fā)，挖掘其在拼裝施工領(lǐng)域的適用性。

2.1高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性

RPC的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到200MPa ～800MPa；抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到20MPa～50MPa；彈性模量為40Gpa～60Gpa；斷裂韌性高達(dá)40000J/m2，是普通混凝土的250倍，可與金屬鋁媲美；氯離子滲透性是高強(qiáng)混凝土的1/25，抗?jié)B透能力極強(qiáng)；預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土梁的抗彎強(qiáng)度與其自重之比接近于鋼梁。RPC在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用可以解決目前的高強(qiáng)與高性能混凝土抗拉強(qiáng)度不夠高、脆性大、體積穩(wěn)定性不良等缺點(diǎn)，同時(shí)還可以解決鋼結(jié)構(gòu)的投資高、防火性能差、易銹蝕等問題。

2.2 RPC與鋼材結(jié)合性能優(yōu)越

普通混凝土在復(fù)雜應(yīng)力及疲勞荷載作用下，結(jié)合處易開裂、剪力鍵失效等，這是其用于拼裝施工中的主要弊病。

而筆者通過查閱國內(nèi)外資料、模型分析、試件試驗(yàn)等方法，分析發(fā)現(xiàn)RPC材料兼顧了混凝土材料和鋼材的部分優(yōu)點(diǎn)，非常適合運(yùn)用到鋼—砼組合構(gòu)件中，其優(yōu)越的性能也通過鋼筋拔出試驗(yàn)、剪力鍵推出試驗(yàn)、板受彎試驗(yàn)等得到了驗(yàn)證。現(xiàn)總結(jié)出以下結(jié)論：

（1）RPC本身超高的強(qiáng)度和致密性，使得粘結(jié)強(qiáng)度比普通混凝土高了很多，并且在鋼筋拔出試驗(yàn)中沒有出現(xiàn)劈裂破壞。

試驗(yàn)均采用立方體RPC試塊，只是鋼筋直徑和布置位置有所不同。試驗(yàn)均以鋼筋被拉斷或鋼筋拔出作為最終破壞形式，RPC混凝土完好，未出現(xiàn)明顯裂縫。

部分試塊保護(hù)層厚度小到1厘米，在拉拔力試驗(yàn)中，仍然沒有混凝土被劈裂的現(xiàn)象產(chǎn)生，說明RPC材料的抗劈裂性能很好，能夠很好地握裹住鋼筋，而且可以看出RPC超高的致密性可以更好地保護(hù)鋼筋不被腐蝕。

（2）對RPC混凝土與普通混凝土的鋼筋拔出做對比試驗(yàn)，驗(yàn)證了RPC對鋼筋的握裹力明顯高于普通混凝土。

RPC與HRB500鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度規(guī)律與普通混凝土和普通鋼筋的粘結(jié)性能一致，都是與相對保護(hù)層厚度成正比，與相對錨固長度成反比，與鋼筋直徑成反比，只是因?yàn)镽PC本身超高的強(qiáng)度和致密性，使得粘結(jié)強(qiáng)度比普通混凝土高了很多。在鋼筋被拔出至破壞的過程中，變形鋼筋肋間的混凝土主要是受拉力作用，所以RPC的抗拉強(qiáng)度對粘結(jié)強(qiáng)度有一定的影響。粘結(jié)強(qiáng)度隨著RPC強(qiáng)度的提高而提高。

（3）RPC剪力鍵推出試驗(yàn)中，多組試驗(yàn)結(jié)果均是剪力釘被剪斷，RPC沒有出現(xiàn)明顯裂縫；證明在剪力鍵傳力體系中RPC的安全性能較高。

試驗(yàn)采用經(jīng)典剪力鍵推出試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢τ诩袅︶斨睆?、剪力釘間距等進(jìn)行了分組。

按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2003）第11.3.1條的規(guī)定，對于栓釘剪力連接件進(jìn)行驗(yàn)算。

由于RPC混凝土超高的抗壓強(qiáng)度，使得公式左邊的值遠(yuǎn)高于普通混凝土。

RPC混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取為130N/mm2，普通混凝土采用C50，即普通混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取為22.4N/ mm2；帶入公式發(fā)現(xiàn)RPC的計(jì)算結(jié)果是普通混凝土的2.4倍。而采用普通混凝土計(jì)算發(fā)現(xiàn)，（混凝土承載力），（鋼栓釘承載力）。普通混凝土與鋼栓釘?shù)某休d力基本相等。故RPC混凝土的承載力為鋼栓釘?shù)亩兑陨?，所以推出試?yàn)中，剪力釘被剪斷，RPC沒有出現(xiàn)明顯裂縫。

（4）RPC板件的正截面受彎與普通混凝土的適筋梁正截面受彎破壞狀態(tài)一樣，只是RPC出現(xiàn)裂縫后，還能繼續(xù)承擔(dān)部分荷載，不會(huì)發(fā)生混凝土突然斷裂的情況，說明RPC具有較好的延性，這對工程應(yīng)用有著重要意義。

綜上所述，RPC混凝土與鋼構(gòu)件結(jié)合的性能較強(qiáng)，在常規(guī)驗(yàn)證試驗(yàn)中均表現(xiàn)出了超越普通混凝土的優(yōu)良特性?？梢栽O(shè)想，通過合理的構(gòu)造設(shè)計(jì)，我們把一個(gè)大體量的混凝土結(jié)構(gòu)拆分為多個(gè)小規(guī)模構(gòu)件，在各小構(gòu)件連接處預(yù)埋鋼連接件；在施工現(xiàn)場通過快速的栓接、焊接等工藝迅速組裝構(gòu)件，形成整體受力的結(jié)構(gòu)；然后在不影響交通運(yùn)營的基礎(chǔ)上，對連接部位進(jìn)行現(xiàn)澆處理，用混凝土保護(hù)住鋼構(gòu)件，完成整個(gè)施工流程。

這種做法既保證了混凝土結(jié)構(gòu)的整體性和可靠性，又盡可能的減小施工占地的時(shí)間和空間，節(jié)省了造價(jià)、工期，可謂一舉多得的好方案。

3 RPC混凝土用于快速拼裝施工存在的問題

RPC良好的性能，使其應(yīng)用于拼裝施工領(lǐng)域的潛力極大，在論證了RPC的優(yōu)點(diǎn)后我們也從存在問題的角度分析一下其存在的問題及今后研究的方向。

3.1較高的造價(jià)和嚴(yán)格的制作工藝

這是RPC材料應(yīng)用于工程領(lǐng)域最大的絆腳石。由于國內(nèi)對于RPC材料運(yùn)用起步較晚，不具備大型工業(yè)化生產(chǎn)的能力，使得RPC材料在國內(nèi)造價(jià)過高。

RPC材料配料、攪拌、養(yǎng)護(hù)等要求均比普通混凝土嚴(yán)格，制作工藝的不成熟和苛刻的制作條件要求限制了這一材料的推廣。

不過隨著技術(shù)的更新和市場化運(yùn)作的開始，RPC材料一定能從試驗(yàn)性材料轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌鰪V泛推廣材料。

3.2缺乏規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)

RPC材料在國內(nèi)尚屬于開發(fā)階段，國內(nèi)還沒有針對這種材料的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，制約著RPC投放市場的進(jìn)度。隨著更多相關(guān)科研成果、試驗(yàn)工程的出現(xiàn)，RPC的規(guī)范化進(jìn)程也會(huì)越來越快。

3.3缺少實(shí)際工程

盡管RPC材料在國際上已經(jīng)運(yùn)用到實(shí)際工程中，并作為主受力構(gòu)件已經(jīng)開始運(yùn)營，但是國內(nèi)僅僅將其用于局部構(gòu)件或者附屬構(gòu)件中，暫時(shí)沒有把RPC作為主受力構(gòu)件的工程案例。

4 結(jié)論

RPC作為一種新興材料應(yīng)用于快速拼裝施工領(lǐng)域是可行的，也是非常有潛力的。其優(yōu)越的性能為土木工程業(yè)打開了一片新的領(lǐng)域，雖然目前存在著一些技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面的問題，但隨著土木工程業(yè)對其研究的深入，我們對于RPC的前景充滿信心。

參考文獻(xiàn)：

[1]P.Richard，M.Cheyrezy.Reactive powder concrete with high ductility and 200Mpa～800Mpa compressive strength，ACI SP 144，1994，507-518.

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

[3]王震宇，陳松來，袁杰.活性粉末混凝土的研究與應(yīng)用發(fā)展[J].混凝土，2003，11（168）：39-44.

[4]覃維祖.活性粉末混凝土的研究[J].石油工程建設(shè)，2002（3）

[5] Marcel Cbeyrezy，Vincent Maret，Laurent Frouin.Micro structural Analysis of RPC.Cement and Concrete Composites，1995，Vol.25（7）：1491-1500

[6] V.Matte，C.Richet，M.Moranville.Characterization of reactive powder concrete as a candidate for the storage of nuclear wastes.Symposium on High-Performance and Reactive Powder Concrete，Sherbrooke，Canada，1998，Vol.3：75-88