RPC混凝土力學(xué)性能研究進(jìn)展

李澤良

【摘 要】活性粉末混凝土是一種高強(qiáng)度、高韌性的新型超高性能水泥基復(fù)合材料，應(yīng)用前景非常廣闊?；趪鴥?nèi)外已有研究成果，總結(jié)了活性粉末混凝土力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀，簡要分析了目前研究中存在的不足和有待研究的問題，以期為其深入發(fā)展與應(yīng)用提供參考。

【關(guān)鍵詞】活性粉末混凝土；強(qiáng)度；斷裂韌性

0 引言

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡稱RPC）相較于普通混凝土，具有更高的強(qiáng)度和韌性。其抗壓強(qiáng)度可達(dá)到170～230MPa，是普通混凝土的3～5倍；其抗拉強(qiáng)度達(dá)到 50MPa，是高強(qiáng)混凝土的5倍；其斷裂韌性是普通混凝土的250倍，它是一種由級配良好的水泥、石英砂、活性摻合料、高效減水劑、鋼纖維與水拌合后經(jīng)濕熱養(yǎng)護(hù)而成的新型超高性能水泥基復(fù)合材料，在房屋建筑，市政工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對RPC的研究眾多，諸如尺寸效應(yīng)、單軸拉壓強(qiáng)度、雙軸和三軸力學(xué)性能、斷裂性能、配筋試件的抗拉性能以及構(gòu)件設(shè)計(jì)方法等?；谝延醒芯砍晒?，本文著重綜述了RPC力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀，簡要分析了目前研究中存在的問題，以期為RPC的深入發(fā)展與應(yīng)用提供參考。

1 RPC力學(xué)性能研究

RPC力學(xué)性能是影響RPC構(gòu)件和結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵因素，是推廣其工程應(yīng)用首先要探究的問題。RPC典型的力學(xué)特點(diǎn)是強(qiáng)度高、韌性好，學(xué)者們參照普通混凝土性能試驗(yàn)方法研究了其強(qiáng)度和斷裂韌性，取得了豐碩的結(jié)果。

1.1 強(qiáng)度

李居紅[3]綜合探討了水灰比、纖維種類及摻量、硅粉和石英粉摻量、齡期對RPC抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果表明，水灰比和硅粉、磨細(xì)石英粉摻量都增加的情況下，RPC抗壓、抗折強(qiáng)度逐漸減??；當(dāng)硅粉摻量增加，水灰比不變的情況下，齡期越大，抗壓強(qiáng)度越大。纖維種類不同，RPC強(qiáng)度性能各有差異。研究表明，細(xì)密鋼纖維大于粗鋼纖維，玻璃鋼纖維大于弓形鋼纖維。其他條件不變的情況下，纖維含量的增加對抗壓強(qiáng)度的影響不大。

鞠彥忠通過試驗(yàn)研究了RPC抗折強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，建立了不同鋼纖維體積含量的RPC受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€數(shù)學(xué)表達(dá)式，擬合了抗折強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的關(guān)系表達(dá)式[4]。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼纖維含量對RPC強(qiáng)度的影響各有不同，差異明顯。影響RPC強(qiáng)度最主要的因素是水膠比。當(dāng)鋼纖維含量為1.0～3.5%時(shí)，RPC抗折強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨著鋼纖維摻量的增加而增大。當(dāng)鋼纖維體積含量超過3.5%時(shí)，RPC抗折強(qiáng)度顯著增加，劈拉強(qiáng)度幾乎不變，抗壓強(qiáng)度有所下降。

高溫后混凝土力學(xué)性能對火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的損傷評估與鑒定加固具有重要意義。鑒于此，鄭文忠[5]對RPC摻不同聚丙烯纖維（PPF）體積量的試件進(jìn)行了軸心受拉試驗(yàn)、棱柱體受折試驗(yàn)、棱柱體受壓試驗(yàn)和立方體受壓試驗(yàn)，分析了PPF摻量對RPC高溫后殘余軸心抗拉強(qiáng)度、殘余抗折強(qiáng)度、殘余軸心抗壓強(qiáng)度和殘余立方體抗壓強(qiáng)度的影響。研究顯示，常溫下隨PPF摻量的增加，RPC強(qiáng)度逐漸下降。當(dāng)經(jīng)歷溫度高于200℃時(shí)，隨PPF摻量的增大RPC力學(xué)性能相應(yīng)提高；高溫后RPC殘余抗壓強(qiáng)度、殘余抗折強(qiáng)度和殘余軸心抗拉強(qiáng)度均隨經(jīng)歷溫度的升高先增大后減小。鄭文忠[5]等人還建立了高溫后各殘余強(qiáng)度隨溫度變化的計(jì)算式。

目前RPC強(qiáng)度指標(biāo)的取值研究尚未給出一般標(biāo)準(zhǔn)。RPC強(qiáng)度分級方法和材料分項(xiàng)系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)不同，限制了RPC在工程中的推廣應(yīng)用。呂雪源[1]提出以邊長70.7mm立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值作為RPC強(qiáng)度等級劃分依據(jù)。通過研究，建議RPC材料分項(xiàng)系數(shù)取1.3?；诖罅吭囼?yàn)數(shù)據(jù)和可靠性分析，給出了不同強(qiáng)度等級下RPC抗壓、拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、彎曲開裂應(yīng)變、峰值壓應(yīng)變、軸拉開裂應(yīng)變、受壓邊緣極限壓應(yīng)變、泊松比的具體取值，為RPC構(gòu)件設(shè)計(jì)提供了計(jì)算參數(shù)。1.2 斷裂韌性

作為高性能混凝土，RPC的斷裂韌性對提高結(jié)構(gòu)的延性，尤其是極端荷載下結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力具有重要的意義。然而，未摻纖維的RPC脆性比普通混凝土和高強(qiáng)混凝土更大，在高應(yīng)力或復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下易發(fā)生爆裂式脆性斷裂。目前學(xué)者和工程技術(shù)人員通過摻入纖維予以改善，研究熱點(diǎn)也主要涉及纖維種類和摻量。

張倩倩[6]采用三點(diǎn)抗彎實(shí)驗(yàn)，研究了不同鋼纖維摻量對RPC抗斷裂性能的影響。結(jié)果表明，摻入鋼纖維后，鋼纖維與RPC基體的界面過渡區(qū)經(jīng)過蒸養(yǎng)后有所改善，界面粘結(jié)強(qiáng)度增加，RPC抗斷裂能力提高。但隨著增加超過2%時(shí)，RPC抗斷裂能力沒有明顯提高變化。周瑞忠[7]也指出鋼纖維能夠有效改善材料的韌性。采用線彈性斷裂力學(xué)基本理論基于虛擬裂縫模型，分析了RPC和纖維增強(qiáng)RPC的斷裂特性。

由于鋼纖維對RPC斷裂韌性的改善效果有限，近來較多的研究采用了混雜纖維的方法。有學(xué)者通過三點(diǎn)彎曲斷裂試驗(yàn)，研究了單摻鋼纖維、鋼纖維-粗聚烯烴纖維混摻、鋼纖維-聚乙烯醇纖維混摻以及鋼纖維-粗聚烯烴-聚乙烯醇纖維混摻對改善活性粉末混凝土斷裂韌性的效果。研究發(fā)現(xiàn)：鋼纖維體積摻量為2%，粗聚烯烴或聚乙烯醇纖維摻量為10kg/m3時(shí)，與單摻鋼纖維相比，鋼纖維-粗聚烯烴纖維混摻峰值荷載提高了52.5%，斷裂能提高了136%斷裂韌度提高了112%。鋼纖維-聚乙烯醇纖維混摻試件峰值荷載提高了85%，斷裂能提高了88.6%，斷裂韌度提高了50.9%。纖維摻量合適時(shí)，鋼纖維與合成纖維混摻表現(xiàn)出良好的混雜效應(yīng)，鋼纖維體積摻率1%～1.5%，合成纖維總摻量9kg/m3時(shí)，對改善RPC斷裂性能效果最理想。

鄧宗才[8]同樣通過彎曲實(shí)驗(yàn)研究了鋼纖維與不同品種、不同摻量合成纖維混摻對RPC斷裂韌性的改善效果。結(jié)果表明：當(dāng)體積摻量1%或2%的鋼纖維與粗聚烯烴纖維或細(xì)聚乙烯醇纖維混摻時(shí)，可顯著改善RPC的彎曲韌性；體積摻量1%的鋼纖維與粗聚烯烴纖維、細(xì)聚乙烯醇纖維混摻時(shí)的韌性指標(biāo)比單摻鋼纖維分別提高49.8-140%和82.3-215.6%；從經(jīng)濟(jì)性看，體積摻量1%的鋼纖維與粗聚烯烴或者細(xì)聚乙烯醇纖維混摻時(shí)增韌效果更優(yōu)。

總的來說，關(guān)于RPC力學(xué)性能的研究已經(jīng)比較成熟，但多軸應(yīng)力狀態(tài)下RPC強(qiáng)度特性的研究還十分缺乏，需要進(jìn)行大量的多軸試驗(yàn)，給出各種應(yīng)力狀態(tài)下的本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)則；不同纖維混雜方式和摻量等對RPC斷裂韌性的改善效果也有待進(jìn)一步探討。

2 結(jié)語

國內(nèi)外學(xué)者對活性粉末混凝土力學(xué)性能進(jìn)行了廣泛的探討，證明了活性粉末混凝土具有強(qiáng)度高、斷裂韌性好的特點(diǎn)，但是以下問題制約了PRC技術(shù)在工程實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用：

（1）現(xiàn)行研究方法、計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)對RPC混凝土有很多不恰當(dāng)之處，沒有形成完備的測試標(biāo)準(zhǔn)。

（2）RPC混凝土工程應(yīng)用仍限于參考纖維高強(qiáng)混凝土加上經(jīng)驗(yàn)估算的方式進(jìn)行。

（3）RPC構(gòu)件的計(jì)算方法和性能指標(biāo)有待發(fā)展和完善。

今后需要對以上問題進(jìn)行深入的理論和試驗(yàn)研究，以推動活性粉末混凝土更廣泛、更合理的應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]呂雪源，王英，符程俊，等.活性粉末混凝土基本力學(xué)性能指標(biāo)取值[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，10：1-9.

[2]鞠彥忠，王德弘，張超.活性粉末混凝土的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，Z1：9-15.

[3]李居紅，郭勇，姜德民.活性粉末混凝土力學(xué)性能的研究[J].混凝土，2014，2：88-90+94.

[4]鞠彥忠，王德弘，李秋晨，等.鋼纖維摻量對活性粉末混凝土力學(xué)性能的影響[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2011，3：254-260.

[5]鄭文忠，李海艷，王英.高溫后不同聚丙烯纖維摻量活性粉末混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2012，9：119-126.

[6]張倩倩，魏亞，張景碩，等.鋼纖維摻量對活性粉末混凝土斷裂性能的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2014，1：24-29.

[7]周瑞忠，姚志雄，石成恩.活性粉末混凝土為基底材料的斷裂和疲勞試驗(yàn)研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2005，24（6）：40-44.

[8]鄧宗才，周冬至.Jumbe R.Daud.混摻纖維對改善活性粉末混凝土彎曲韌性的試驗(yàn)研究[J].混凝土，2014，4：90-92+96.endprint