（材料加工工程专业论文）天然硅质掺合料活性粉末混凝土研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：阜垂盐日期：地 ：互：2 ； 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 蹴雌鼽娅粕则獬卜严嗍删哪 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 活性粉末混凝土( r e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e ，简称r p c ) 是一种超高强、 低脆性、耐久性优良的新型水泥基复合材料，具有广阔的工程应用前景。但是 由于其较严格的配制技术和较高的配制成本限制了其在实际工程中的应用。本 文在r p c 中引入第六组分一种天然硅质掺合料硅微粉，采用硅微粉部 分取代硅灰的方法，设计配制出了性能良好的活性粉末混凝土，降低了r p c 的 配制成本，简化了r p c 的生产工艺，积极促进了r p c 的推广应用。 本文先简单的研究了硅微粉的火山灰性能和需水性，然后进行了硅微粉 r p c 的配制试验研究，并在此基础上研究了所得r p c 的力学性能、耐久性和体 积稳定性。研究结果表明：( 1 ) 硅微粉能够很好的改善r p c 的工作性能，在水 胶比o 2 2 时，硅微粉取代硅灰4 0 ，可以使浆体流动度提高到1 6 3 r a m ，2 8 d 龄 期抗压和抗折强度达到1 2 8 6 m p a 和2 0 9 0 m p a ；( 2 ) 钢纤维掺量对r p c 增韧 效果影响显著，体积掺量2 3 时，2 8 d 龄期抗折强度提高近5 m p a ，并且具有 较好的工作性；( 3 ) 养护制度对r p c 强度的发展具有显著的影响，热水养护比 标准养护更能发挥矿物掺合料的性能，r p c 在热养护下强度增长显著；( 4 ) 掺 硅微粉r p c 经过热养护后，1 2 0 天的体积收缩率为2 5 0 - 3 0 0 x 1 0 由；氯离子渗透 实验，抗冻试验和硫酸盐侵蚀试验结果良好，具有优异的体积稳定性和耐久性 能。 本文同时进行了掺硅微粉r p c 的生产成本经济分析，并成功的将之应用到 了高铁客运专线中工程。掺硅微粉r p c 在工程和结构材料上具有广阔的应用前 景，对于r p c 的推广应用具有积极意义。 关键词：活性粉末混凝土、硅微粉、养护制度、耐久性 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e ( r p c ) ，w i t hu l t r a - h i g hs t r e n g t h , l o wb r i t t l e n e s sa n d e x c e l l e n td u r a b i l i t y ，h a sag o o dp r o s p e c to fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n b u ti t sh i g h p r e p a r a t i o nc o s t a n ds t r i c t p r e p a r a t i o nt e c h n o l o g yl i m i t i t s a p p l i c a t i o n i n t h e p r a c t i c a le n g i n e e r i n g i nt h i sp a p e r , t h er e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t ew i t hg o o d p e r f o r m a n c eh a sb e e nd e s i g n e da n dp r e p a r e do u tt h r o u g ht h es i l i c af u m ep a r t i c a l r e p l a c e db ys i l i c ap o w d e rw h i c h , i n t r o d u c e da san e wn a t u r a la c t i v es i l i c e o u sm i n e r a l a d m i x t u r e ，c a nb ec o n s i d e r e dt h e s i x t hc o m p o n e n to fr p c a sl o w - c o s to fs i l i c a p o w d e ra n ds i m p l ep r o d u c t i o np r o c e s so fr p c ，i th a sac e r t a i np o s i t i v ee f f e c to l lt h e p r o m o t i o nf o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no fr p c i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , t h ep o z z o l a n i ce f f e c ta n dw a t e rd e m a n do fs i l i c ap o w d e r h a sb e e ns i m p l ys t u d i e d a n dt h e n , t h ep r e p a r a t i o nd e s i g no fr p cw i t hs i l i c ap o w d e r h a sb e e nm a i n l ys t u d i e dt h r o u g he x p e r i m e n t f i n a l l y , b a s e do nt h er e s u l t so f e x p e r i m e n ta b o v e ，t h ed i m e n s i o n a ls t a b i l i t y , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dd u r a b i l i t yo f r p ch a v e b e e ns t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：( 1 ) s i l i c ap o w d e rc a ni m p r o v et h e w o r k a b i l i t yo fr p cw e l lw h e nw a t e r = c e m e n tr a t i oi so 2 2a n d4 0 s i l i c af u n l ei s r e p l a c e db ys i l i c ap o w d e r t h ef l o w a b i l i t yo fr p cp a s t ec a nb ee n h a n c e dt o16 3 m m , a n dt h ec o m p r e s s t i v es t r e n g t ha n db e n d i n gs t r e n g t hp r e p a r e di n2 8 do fr p c p r e p a r e d c a l lg e tt o1 2 8 6 m p a & 2 0 9 0 m p as e p a r a t e l y ( 2 ) t h ec o n t e n to fs t e e lf i b e rh a sa s i g n i f i c a n te f f e c to l le n h a n c i n gt o u g h n e s so fr p c w h e nt h ev o l u m ec o n t e n ti s2 3 ，t h eb e n d i n gs t r e n g t hp r e p a r e di n2 8 do fr p cc a ni n c r e a s e5m p aw i t hg o o d w o r k a b i l i t y ( 3 ) t h ec u r i n gc o n d i t i o no fr p ch a sas i g n i f i c a n te f f e c to nt h e d e v e l o p m e n to fs t r e n g t h t h ep e r f o r m a n c eo fa c t i v em i n e r a la d d i t i v e su n d e rh e a t c u r i n gi sb e t t e rt h a nt h a tu n d e rs t a n d a r dc u r i n g t h es t r e n g t ho fr p ci n c r e a s e sw e l l a n dh a sl i t t l ee f f e c to nt h ed e v e l o p m e n to fl a t e rs t r e n g t h ( 4 ) t h er p c p r e p a r e di n t h i sp a p e rc a ng r a i nag o o dd i m e n s i o n a ls t a b i l i t ya n dd u r a b i l i t yu n d e rh e a tc u r i n g t h es h r i n k a g ei n1 2 0 do f r p cw i t hs i l i c ap o w d e ri s ( 2 5 0 - 一3 0 0 ) x 1 0 。6a n dt h er e s u l t s o fe x p e r i m e n t sf o rp e r m e a b i l i t yr e s i s t a n c e ，f r o s tr e s i s t a n c ea n dr e s i s t a n c et os u l f a t e c o r r o s i o na r ew e l l 武汉理工大学硕士学位论文 a tt h es a m et i m e ，t h ee c o n o m i ca n a l y s i sf o rp r o d u c t i o nc o s t so fr p cw i t hs i l i c a p o w d e rh a sb e e ns t u d i e da n di t sa p p l i c a t i o nt oh i g h - s p e e dp a s s e n g e rt r a n s p o r t a t i o n s p e c i a ll i n eh a sb e e nr e a l i z e ds u c c e s s f u l l y t h ea u t h o rp o i n t so u tt h a tt h e s i l i c a p o w d e rh a sag o o dp r o s p e c to fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na n dap o s i t i v em e a n i n gf o r t h ep r o m o t i o nf o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no fr p c k e y w o r d s ：r e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e ， s i l i c ap o w d e r , c u r i n gc o n d i t i o n , d u r a b i l i t y i i i -itjijfl 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 高性能混凝土是混凝土的发展方向1 1 1 1 高性能混凝土的定义。l 1 1 2 高性能混凝土的性能3 1 2 活性粉末混凝土( r p c ) 4 1 2 1r p c 的设计原理和制备方法4 1 2 2 活性粉末混凝土的性能6 1 2 3r p c 国内外的研究情况8 1 2 4r p c 研究和应用中存在的问题1 0 1 3 本文的研究内容1 1 第2 章实验原料及试验方法 2 1 试验用原料的种类与特性1 2 2 1 1 水泥1 2 2 1 2 硅灰1 3 2 1 3 硅微粉1 3 2 1 4 石英砂1 4 2 1 5 高效减水剂1 4 2 1 6 钢纤维。1 5 2 1 7 水15 2 2 试验方法1 5 2 2 1 试件的制备1 5 2 2 2 试件的养护1 6 2 2 3 试件的测试1 6 第3 章r p c 配合比试验研究 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 硅微粉性能研究1 8 3 1 1 硅微粉的火山灰性能研究1 8 3 1 2 硅微粉需水性研究1 9 3 2 掺硅微粉r p c 配比试验2 0 3 2 1 水胶比对r p c 的影响2 0 3 2 2 同水胶比下硅微粉掺量对r p c 的影响2 2 3 2 3 同流动度下硅微粉掺量对r p c 的影响2 4 3 2 4 钢纤维掺量对r p c 的影响2 6 3 3 养护制度对掺硅微粉r p c 强度的影响2 8 3 4 掺硅微粉r p c 水化机理分析2 9 3 4 1 掺硅微粉r p c 火山灰效应及强度构成分析2 9 3 4 2 掺硅微粉r p c 的微观分析3 2 3 4 3 硅微粉和硅灰的减水增塑机理分析3 4 3 5 钢纤维对r p c 强度的影响分析。3 5 3 6 本章小结3 5 第4 章掺硅微粉r p c 的耐久性研究 4 1 掺硅微粉r p c 的收缩特性一3 7 4 1 1r p c 收缩试验方法3 7 4 1 2 影响r p c 收缩的因素3 8 4 2 掺硅微粉r p c 的抗冻性能。4 l 4 2 1 混凝土冻融破坏机理。41 4 2 1r p c 抗冻实验方法4 2 4 3 掺硅微粉r p c 的抗渗性能4 3 4 3 1 掺硅微粉r p c 渗透性能评价方法4 4 4 4 掺硅微粉r p c 的硫酸盐侵蚀4 5 4 4 1 硫酸盐侵蚀的化学反应4 5 4 4 2 抗硫酸盐侵蚀性能的评价方法4 6 4 5 掺硅微粉r p c 的经济性分析。4 8 4 6 本章小结4 9 第5 章结论与展望 武汉理工大学硕士学位论文 5 1 结论。5 0 5 2 展望。5 1 参考文献 致谢 附录 5 2 5 6 5 7 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 混凝土是当今世界上用量最大的人造材料，是土木工程中最重要的建筑材 料之一。与其他建筑材料( 如钢铁、木材、塑料等) 相比具有原料来源广泛、 生产能耗低、价格低廉、制备简单、造型方便、相对耐久性好、防火、适应性 强等不可取代的优点【1 邡】。因此，在今后相当长的时间内，水泥混凝上仍将是 应用最广、用量最大的建筑材料。 1 1 高性能混凝土是混凝土的发展方向 1 0 0 多年以来，特别是2 0 世纪以来，随着水泥生产技术及水泥强度的提高、 水泥品种的扩大，以水泥为主要胶结材的混凝土已发展成为用量最多、使用范 围最厂的建筑材料，混凝土被广泛应用于建筑、道路、桥梁、隧道、水港码头 等各个领域，成为土木建筑工程中一种不可替代的材料。与此同时，社会经济 的飞速发展带动了城市的繁荣，在人口增长、资源短缺和环境污染等社会问题 的压力下，建筑物向着高层、超高层化及地下空间方向发展；同时随着经济的 发展，交通也向着更加快捷、更加方便的方向发展；此外，随着各种严酷环境 下使用的重大混凝土结构以及各种特殊结构建造的需要不断增加，对混凝土的 耐久性提出了更高的要求【3 ，5 1 。这些趋势要求作为主要结构材料的混凝土必须向 着更高的强度、更优异的耐久性、更良好的工作性等方向发展。 对混凝土自身缺陷认识的不断深入、混凝土工程对混凝土性能越来越高的 要求、活性矿物掺合料和高效减水剂不断成熟的应用技术促使了高性能混凝土 得以提出并成熟的应用到工程实际。由于具有高耐久性、高工作性和高强度等 特性，近十多年来，高性能混凝土在高层建筑、大跨度桥梁、海上平台、漂浮 结构、地下空间等土建工程中显示出其独特的优越性，在工程安全使用期、经 济合理性、环境条件的适应性等方面产生了明显的效益，是混凝土技术发展的 主要方向【3 ，引。 1 1 1 高性能混凝土的定义 高性能混凝土( m g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，缩写为i - i p c ) 是随着混凝土科 武汉理工大学硕士学位论文 学技术的发展，基于混凝土工程的需要，在强调混凝土高强度的同时，兼顾达 到高耐久性和高工作性的要求上而提出的，不同的国家、学者由于各自的认识、 实践、应用范围和目的不同而对高性能混凝土的认识和看法存在差异【5 ，8 ，1 4 1 。 ( 1 ) 以m e h t a 为代表的美国和加拿大学派的观点 1 9 9 0 年，m e h t a r k 提出：高性能混凝土不仅要求强度高，还应具有高耐 久性( 抵抗化学腐蚀) 等其他重要性能，强调的是硬化后混凝土的性质。m e h t a 认为耐久性是高性能混凝土的首要指标，混凝土在满足强度指标的同时还应当 满足下列要求：高抗渗性，由于大多数的化学侵蚀都是在水分与侵蚀介质渗 透进混凝土的条件下产生的，所以混凝土的抗渗性是其耐久性的第一道防线； 高体积稳定性( 高弹性模量，低干缩率、低徐变和低的温度变形) 和高工作 性。 ( 2 ) 以冈村为代表的日本学派的观点 1 9 9 2 年，冈村甫和小泽一稚提出，高性能混凝土应具有高工作性( 高流动 性，粘聚性和可浇注性) 、低温升、低干缩率、高抗渗性和足够的强度。他们强 调的是新拌混凝土的性质，认为高流态、免振捣自密实的混凝土就是高性能混 凝土。 ( 3 ) 国内部分学者的观点 蒲心诚教授认为高性能混凝土应满足以下几个方面的要求【5 】：新拌混凝 土的流动性高、粘聚性好、不离析、不分层，具有优良的施工性能；硬化后 的混凝土强度高，强度是混凝土最基本的使用性能，强度低的普通混凝土不能 认为是高性能混凝土：硬化后的混凝土具有良好的体积稳定性，即收缩小， 徐变低；耐久性高。 吴中伟教授综合了国内外学者的观点，对高性能混凝土作出如下定义【3 j ： 高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基 础上采用现代混凝上技术制作的混凝土，它以耐久性作为设计的主要指标。针 对不同用途要求，高性能混凝土对耐久性、工作性、适用性、强度体积稳定性、 经济性等性能有重点地予以保证。高性能混凝土不仅是对传统混凝土的重大突 破，而且在节能、节料、工程经济、劳动保护以及环境等方面都具有重大意义， 是一种环保型、集约型的新型材料，可称为“绿色混凝土 。为此，高性能混凝 土在配制上的特点是低水胶比，选用优质原材料，除水泥、水、集料外，还必 须掺加一定量的矿物细掺料高效外加剂。 2 武汉理工大学硕士学位论文 i i 2 高性能混凝土的性能 高性能混凝土是近代水泥基材料科学与工程学取得的新成就，是混凝土技 术长期实践的结果，在性能上已经达到了完善的程度。从总体上来讲，高性能 混凝土具有以下几点重要的性能【3 ，5 ，8 ，1 4 1 。 ( 1 ) 高耐久性 使役期间的混凝土长期处于各种环境中，受环境中的水、气体及其其他侵 蚀介质的侵入，会发生物理和化学反应，使混凝土受到不同程度的损害，从而 导致混凝土性能的劣化和混凝土结构本身的破坏。产生这种劣化作用潜在的内 部因素是混凝土的化学成分和结构，外部条件是环境中侵蚀介质和水的存在， 必要条件是外部侵蚀性介质和水能逐渐浸入混凝土的内部。通常认为，混凝土 如果具有很低的渗透性，则混凝土就能够很好的抵抗水和侵蚀介质对其的侵蚀 损害。因此，高性能混凝土的创意者着意于，当混凝土劣化的外部条件存在时， 使混凝土本身结构密实且不产生原生裂缝，硬化后体积稳定而不产生收缩裂缝， 同时降低混凝土内受侵蚀的组分，使劣化的必要条件和内部潜在因素消失或降 低，以保证混凝土的耐久性喁1 4 1 。低水灰比的高性能混凝土由于具有很低的渗透 性，因此具有高耐久性。 ( 2 ) 高强度 长期以来，如何获得足够高强度的混凝土一直是混凝土工作者潜心研究的 方向。混凝土的强度也从5 0 年代的低强度发展到7 0 年代的中等强度，再到现 在的高强度以至超高强度。尽管混凝土的工作性、耐久性等性能因人们过分追 求混凝土的高强度而受到长期的忽视，对混凝土科学技术的进步以及土建工程 造成了极大的损失。但无可非议的是，强度仍然是而且永远是高性能混凝土的 重要性能和研究方向。随着科学技术的进步，高效减水剂和超细矿物掺合料的 出现以及逐渐成熟的应用技术，使高性能混凝土的出现成为可能。 ( 3 ) 优良的工作性 优良的工作性要求新拌混凝土具有良好的流动性以利于输送和播料，优良 的工作性可以保证混凝土体系达到较高的匀质性，良好的填充性和粘聚性能则 可以保证混凝土充分填充在钢筋的间隙和模板的角隅，混凝土坍落度损失小、 凝结时间适当以及各组分不分离、不离析等。要达到上述要求，必须要求原材 料颗粒级配良好、混凝土配合比合理；必须使用高效外加剂和矿物掺合料以保 证混凝土坍落度损失小、凝结时间适当，以及改善颗粒级配提高混凝土的密实 3 武汉理工大学硕士学位论文 度和耐久性等。 1 2 活性粉末混凝土( r p c ) 活性粉末混凝土( r e a c t i v ep o w d e rc o n e r e t e ，r p c ) 是1 9 9 3 年法国人p i e r r e r i c h a r d 等人在m d f 材料和d s p 材料的研究基础上，依据密实堆积原理研制出 的一种新的高性能水泥基复合材料。由于剔除了粗骨料，并在组分中掺加了高 细度、高活性的火山灰材料，增加了组分的细度和反应活性，因此称之为活性 粉末混凝土。r p c 是在保持其它几种超高强水泥基复合材料优异性能的基础上， 为克服其缺陷与不足而发展起来的，因而具有更为优异的性能，也极大地拓宽 了超高强水泥基复合材料的应用领域【6 ，7 1 。 1 2 1r p c 的设计原理和制备方法 r p c 是一种高强度、高韧性、低孔隙率的超高性能混凝土。它的基本配制 原理是：材料含有的微裂缝和孔隙等缺陷最少，就可以获得由其组成材料所决 定的最大承载能力，并具有特别好的耐久性嗍。根据这个原理，r p c 通过剔除 粗集料，提高组分的细度与活性等方法，使材料内部的缺陷( 孔隙与微裂缝) 降低到最低程度，从而获得超高力学性能和高耐久性。r p c 的制备采取了以下 措施 5 , 8 , 1 4 2 8 】： ( 1 ) 去除粗骨料以提高匀质性 普通混凝土由集料、水化产物、未水化的熟料颗粒、水和少量空气，以及 由水和空气占据的孔隙网组成，是由气、液、固组成的三相多孔体系【l 引，它是 一种在力学上( 集料和砂浆弹性模量差异) 、物理上( 硬化砂浆和集料膨胀系的 差异) 、化学上( 化学收缩性质的差异) 匀质性极差的材料。集料在水泥基中形 成骨架，占混凝土总体积的8 0 左右，水泥浆体只是填塞了骨料间的空隙。由 于骨料的刚度远大于浆体，再加上在混凝土硬化前，因水分的迁移和泌水使得 硬化后的混凝土在界面处充满了微裂缝，所以，当混凝土承受荷载或其温度发 生变化时，由于集料和浆体变形不一致，微裂缝就会随着界面上剪应力和拉应 力的增长而增长，不断扩展并逐渐伸向水泥石，最终导致硬化体断裂。 为消除上述不利影响，r p c 剔除粗集料，以平均粒度2 5 0 1 x m 的细砂作为 r p c 的骨料，降低界面过渡区的厚度和范围，消除粗集料对浆体收缩的约束作 4 武汉理工大学硕士学位论文 用，在整体上提高体系的匀质性；同时，减小r p c 骨料的尺寸，可以降低界面 区应力的集中程度以及裂缝的尺寸，使裂缝的分布更趋合理，降低其自身缺陷 存在的几率【8 】，从而达到提高r p c 的匀质性、改善r p c 各项性能的目的。 ( 2 ) 优化颗粒级配，在凝固前和凝固期间加压，提高拌合物的密实度 研究表明：水泥基材料体系的颗粒堆积密实度对硬化浆体性能有着重要影 响，混合物体系的颗粒堆积密实度提高，可以加快体系的水化反应进程，改善 体系的微观结构，提高其力学性能【8 1 4 4 6 删，因此，提高混凝土内部水泥石的密 实度是配制r p c 的基础，r p c 是由细石英砂、水泥、硅粉、磨细石英粉( 或粉 煤灰、矿渣等矿物细掺料) 等颗粒混合物组成。可以通过下方法来优化r p c 的 颗粒级配，提高其密实度吼不同粒级组成的混合物在每一粒级中必须有严 格的粒级范围，对于相邻的粒级选择高的平均粒度比；研究水泥高效减水剂 的相容性，并通过流变学分析决定最佳掺量；在凝固前和凝固期间加压，提 高拌合物的密实度；优化搅拌条件，提高浆体的工作性能。 ( 3 ) 凝固后进行热养护，改善微观结构 在r p c 凝固后进行热养护可以加速水化反应和火山灰反应的进程和程度， 促进细骨料与活性粉末的反应，改善r p c 水化产物的微观结构，提高界面粘结 力。r p c 中硅灰含量较大，热养护可使其二次水化反应消耗大量c a ( o h ) 2 晶体，生成大量水化硅酸钙凝胶，达到改善界面区微观结构，提高浆体密实度 的目的；此外，热养护过程中，石英粉也能够发生二次水化反应，提浆体的力 学性能，特别是提高硬化水泥石的弹性模量。 热养护温度不同，r p c 的微观结构和水化产物的结构形态也有所不同。对 于r p c 2 0 0 ，热养护是在混凝土凝固后加热进行的，9 0 的常压养护即可，这 时形成的水化物是无定形的，孔径细化，微观结构有所改善；对于r p c 8 0 0 ， 则在2 5 0 , - 4 0 0 c 温度下进行压力养护，水化产物c s h 凝胶大量脱水，形成 硬硅钙石结晶【5 】，力学性能进一步提高。 ( 4 ) 掺入微细钢纤维，提高韧性和延性 混凝土是一种韧性很低的脆性材料，r p c 也不例外，未掺钢纤维的r p c ， 其受压应力应变曲线呈线弹性变化，破坏时呈明显的脆性破坏，断裂能低， 为了进一步提高其韧性和延性，必须掺入微细的钢纤维。通常，在r p c 中采用 长径比为6 0 , - - - , 8 0 ，其直径为o 1 5 - 0 2 0 m m ，长度约1 3 m m 的钢纤维，掺量为其 体积的1 5 - 3 1 3 4 1 。当掺入更短( 约3 m m ) 且形状不规则的钢纤维，并在2 5 0 以上养护制备r p c 8 0 0 时，其抗压强度、抗弯拉强度将大幅度提高。 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 采用与活性组分相容性良好的高效减水剂，尽可能地降低水胶比 高效减水剂能够降低混凝土的水胶比，改善新拌混凝土的工作性能，提高 硬化混凝土的力学性能和耐久性；同时，为了能够保持搅拌和浇注尽可能地与 现有习惯做法相接近，以利于工程运用，因此，在制备r p c 过程中必须采用与 活性组分相容性良好的高效减水剂，在满足搅拌和浇注等要求的前提下，尽可 能地降低水胶比，使r p c 达到极高的力学性能和极好的耐久性能。 1 2 2 活性粉末混凝土的性能 r p c 具有超高的力学性能和优异的耐久性，相对普通混凝土和高性能混凝 土具有更为广阔的工程应用前景。作为一种新型的土木工程建设材料，从工程 应用的角度来看，r p c 具有如下的优越性： ( 1 ) 超高的力学性能 比强度是指混凝土抗压强度与密度的比值，比强度越高，材料的高强特性 越显著。活性粉末混凝土具有极高的抗压强度，远远超过普通混凝土及一般性 能混凝土。根据组分、养护方法和成型条件的不同，可按抗压强度将r p c 分为 r p c 2 0 0 、r p c 8 0 0 级，这两种强等级的r p c 与高强混凝土( h s c ) 和普通混凝 土( n c ) 的比较如表1 - 1 所示。 表卜1n c 、h s c 、r p c 2 0 0 和r p c 8 0 0 主要力学性能比较【3 4 1 9 1 由表1 - 1 可知，r p c 具有超高的力学性能，r p c 的抗压强度是是n c 的6 倍( r p c 2 0 0 ) 到4 0 倍( 1 冲c 8 0 0 ) ，是h s c 的3 倍( r p c 2 0 0 ) 到1 2 倍( r p c s 0 0 ) ， 更重要的是其抗折强度和断裂能大大提高。r p c 的抗折强度达5 0 - 6 0 m p a ( r p c 2 0 0 ) ，是h s c 和n c 的1 0 倍( r p c 2 0 0 ) ，断裂能则远远高于普通混凝土 和高强混凝土。对比之下，r p c 具有h s c 和n c 不可比拟的优异的力学性能。 ( 2 ) 优良的韧性 6 武汉理工大学硕士学位论文 混凝土是一种脆性材料，高强混凝土的脆性缺点表现的尤为突出。在r p c 中掺加钢纤维能能够显著的增强p p c 的韧性和能量的吸收能力。表1 心比较了 几种常用材料的断裂能。由表1 - 2 可知，r p c 的断裂能高达3 0 0 0 0 j m 2 ，只比钢 材低一个数量级( 钢的断裂能为1 0 5 j m 2 ) ，而比普通混凝土高2 个数量级以上( 普 通混凝土的断裂能为1 3 0 j m 2 ) ，因此，r _ p c 具有优良的韧性，属于高断裂能材料。 表卜2 几种不同材料的断裂能【5 】 ( 3 ) 超高的耐久性 由于r p c 采用密堆积原理设计，通过剔除粗骨料，增加组分的细度和活性 等方法来进行制备，因此，r p c 的孔隙率非常低，研究表明r p c 的孔径分布在 纳米级上，因此，r p c 的渗透性极低，具有超高的耐久性能。表卜3 对普通混 凝土、高性能混凝土和r p c 2 0 0 的主要耐久性指标分别进行了比较。 表卜3 几种混凝土的主要耐久性比较5 】 由表1 - 3 可见，r p c 的耐久性大大优于普通混凝土和高性能混凝土，具有 较高的密实性、抵抗环境介质侵蚀能力和良好的耐磨性，可大幅度提高结构物 的耐久性，减少结构的维护费用，延长结构的使用寿命，降低工程的寿命周期 成本。因此，对于各种严酷恶劣环境条件下使用的特殊混凝土工程，如地下空 间、跨海大桥、海上采油平台、海( 江) 底隧道以及有毒有害废物的处置与处 7 武汉理工大学硕士学位论文 理工程等，r p c 具有远大于普通混凝土和高性能混凝土的应用前景。 ( 4 ) r p c 结构自重低 众所周知，自重大一直是钢筋混凝土结构的最大的弊病，一般情况下，结 构自重为有效荷载的8 - v 1 0 倍。r p c 的抗弯拉强度比普通混凝土和高性能混凝 土高，在具有相同抗弯能力的前提下，r p c 结构的重量仅为钢筋混凝土结构的 1 2 - - - 1 3 ，几乎与钢结构相近；这对减小结构构件的断面、减轻自重、增加跨越 力、节省工程的综合造价、发展预应力混凝土技术具有极其重要的意义。 同时由于r p c 具有较高的抗剪强度，可在结构中承受较大的剪切荷载，从 而可以完全去除梁中的辅助配筋。因此，在大型结构工程中采用r p c 进行结构 设计，可以有效的减小构件的截面尺寸，节约工程的钢筋用量和水泥总用量， 同时对砂石集料等不可再生资源的消耗量也远远低于普通混凝土，具有良好的 环保性能，符合我国可持续发展的战略要求。 1 2 3r p c 国内外的研究情况 由于r p c 的超高的力学性能和优异的耐久性等良好的性能受到土木、市 政、核电、石油、海洋工程等领域的重视。1 9 9 8 年8 月在加拿大召开的高性能 混凝土与活性粉末混凝土国际研讨会上，就r p c 的原理、性能和应用进行了广 泛的讨论，与会专家一致认为：作为一类新型混凝土，r p c 具有广阔的应用前 兽【7 ，8 ，1 4 ，1 6 】 小 1 9 9 7 年，加拿大落成的s h e r b r o o k 步行桥( 图1 - 1 ) 是首例完全使用r p c 建造的结构物。该桥采用钢管r p c 桁架结构。跨度6 0 m ，桥面宽4 2 m 。桥板 厚为3 0 m m ，每隔1 7 1 1 1 设置高7 0 m m 的加强肋桁架，腹杆是直径为1 5 0 m m 、 壁厚为3 m m 的不锈钢管、内灌r p c 2 0 0 。下弦为r p c 双梁、梁高3 m ，运到现 场后采用后张预应力拼装而成。由于采用了r p c ，大大减轻了自重，提高湿度 环境、频繁受除冰盐腐蚀与冻融循环作用下的架构耐久性能。该桥自建成以来， 运行情况良好【1 6 1 。 8 武汉理工大学硕士学位论文 图卜1s h e r b r o o k 步行桥全貌及其上部结构形式 2 0 0 2 年，在韩国首尔建造了拱型预应力r p c 结构的人行天桥p e a c eb r i d g e 。 该桥桥面宽4 3 m ，跨度1 2 0 m ，由6 段拼装而成，每段长2 0 m ，桥梁截面为兀 形，梁高1 3 m ，桥面板厚3 0 r a m ，腹板厚1 6 0 m m ，桥梁设计中未配置任何钢筋， 全部采用r p c 结构。该桥主跨全部使用l a f a r g e 公司r p c 产品“d u c t a l ，整 座桥除基础和桥墩部分外，全部预制装配，后张预应力施工。和平桥桥形轻巧， 自重小，无论从建设规模还是技术难度上都远高于s h e r b r o o k 步行桥，标志着 r p c 实际应用达到了新的高度。 l a f a r g e 公司还采用r p c 材料成功的在美国i o w a 州建造了m a r sh i l l 桥，该 桥为单跨桥梁，长1 1 0 英尺，由三根梁承载。由于完全采用r p c 材料建造，该 桥2 0 0 6 年获得美国p c i 学会两年一届的“第十届桥梁竞赛奖 ，并被誉为“未 来的桥梁1 1 6 j 。 从1 9 9 7 年以来，我国清华大学、同济大学、东南大学、湖南大学等科研院 校在r p c 领域进行了积极的探索，开展了大量实验室研究，在各个方面进行了 很多有益的尝试。 清华大学在减少硅灰用量、降低r p c 成本等方面作了尝试。在参考国外基 础资料的基础上，通过在水泥基体中复掺粉煤灰，成功配置出了抗压强度达 2 3 0 m p a ，抗折强度达2 0 m p a 的r p c 材料。同济大学研究了磨细粉煤灰、磨细 矿渣、砂灰比以及养护温度和龄期对r p c 流动性的影响规律，并探讨了不同条 件下r p c 2 0 0 的收缩随龄期的比变化，在常规的制作工艺和蒸汽养护条件下， 配制出了抗压强度达2 4 0 m p a ，抗折强度达4 0 m p a 的r p c 材料。湖南大学研究 了原材料品种、性质及配合比对r p c 强度的影响；并且在未掺钢纤维的情况下， 制得抗压强度高达2 6 8 6 m p a 的r p c 材料。东南大学采用多元复合的技术路线， 9 武汉理工大学硕士学位论文 运用纤维增强水泥基复合材料理论和设计理论，选用超细粉煤灰、超细粒化高 炉矿渣、硅粉以及煅烧超细高岭土为制备r p c 的活性材料，在现有的技术和工 艺条件下，成功制备出了抗压强度达2 0 0 m p a 的r p c 材料。 1 2 4r p c 研究和应用中存在的问题 纵观国内外研究现状，作为一种新型混凝土材料，国内外对r p c 的研究与 工程应用进行了大量的工作，并取得了不少成果，但总体而言，仍存在以下几 个方面的问题 8 , 1 4 , 1 9 , 2 0 ： ( 1 ) 制备工艺复杂 r p c 材料是依据最紧密堆积理论进行材料组成设计和粒度选择，使材料达 到最大密实度发展而来的，在r p c 材料体系中，所用水胶比很低( 通常低于 0 2 ) ，并且为提高其抗弯拉强度，在制备过程中必须掺入钢纤维来改善其韧性， 因此，使得其在搅拌和成型过程中较普通混凝土困难。同时，养护制度对r p c 的性能具有很大的影响，为了获得较高的抗压强度，必须采用较高的热养护。 比如，为了研制强度极高的r p c s 0 0 ，其养护温度甚至高达2 5 0 。c 4 0 0 。c 。因 此，限于技术设备水平和生产成本等因素，r p c 在实际工程运用中只能采取预 制工艺。因此，如何提高r p c 工作性能，使其能够尽快的应用到工程实际，是 当前的主要研究方向。 ( 2 ) 生产成本昂贵 r p c 的超高性能与所用活性材料及后期采用的成型养护工艺密切相关。根 据r p c 的基本配制原理，其活性粉末主要是水泥、硅灰和石英粉，而且由于采 用石英砂做细集料，掺加高效减水剂和钢纤维改善性能以及较严格的成型和养 护制度，使得r p c 的生产成本高，能耗大，阻碍了它的推广和使用。所以，寻 找能够满足r p c 配制原则且来源广泛的活性矿物掺和料来替代昂贵的组份，设 计制备工艺简单、成本低廉的生产线，降低r p c 的成本，节约资源仍然是今后 r p c 研究需要加强和改善的方向。 ( 3 ) 自收缩较大 依据r p c 的配置原理，在r p c 材料体系中，所用水胶比很低( 通常低于 o 2 ) ，本身即掺有大量的活性粉末，其中硅灰掺量达2 0 以上，单方混凝土的 水泥用量高，这不仅造成r p c 水化热较高，而且由于又采用热养护制度，所以 r p c 的温度收缩和自收缩较大，这样对于现浇施工是比较困难的，国外在使用 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 r p c 时也一般在预制厂生产预制构件。因此，尽量减少或补偿r p c 在配制和养 护过程中产生的收缩，使其能够在更广泛的工程领域内得到应用，是人们今后 所面对的问题。 ( 4 ) 缺乏完备的规范制度 目前，国家对于高性能混凝土的相关规范标准发展相对滞后，仅就高强混 凝土而言，也只有高强混凝土结构设计与施工规程( c e c s ：9 8 ) 可供参考。 规范制度的滞后给混凝土的发展带来不利的影响，依据现行的检测标准和方法 评价高强度、高性能混凝土，有时候会存在一定的误差，不能达到正确表征混 凝土性能的目的。所以，在缺乏完备的相关规范的情况下，对于r p c 的生产、 养护、施工以及性能表征等方面，都有一定的困难。因此，完善相应的规范制 度以期能够更好的指导高性能混凝土的发展是当今的首要面对问题。 1 3 本文的研究内容 纵观国内外的研究现状，当前研