（材料学专业论文）活性粉末混凝土组分、结构与性能的研究.pdf

a b s t r a c t 摘要 自从二十世纪九十年代初法国学者研制成功以来，活性粉末混凝土就成为混 凝土材料学者竞相关注的焦点。然而，人们对其性能与结构之间的相互关系以及 材料组分之间的相互作用还缺乏系统的研究和深入的理解。论文旨在通过系统探 讨活性粉末与水泥间的协同作用效应，分析活性粉末水泥复合胶凝体系在非常低 水胶比条件下的水化、硬化行为，进而研究活性粉末混凝土的宏观性能及微观结 构特征并探讨活性粉末的作用机理，试图揭示活性粉末混凝土组分、结构与性能 之间的相互关系原理，拓展高效、环保型胶凝组分在水泥基材料中的应用并为制 备新型水泥基材料提供理论和技术基础。主要工作及成果如下： 1 、在已有的基础上拓展了活性粉末的概念，系统研究了活性粉末与水泥间 的协同作用机理。定量研究结果表明活性粉末与水泥之间存在强烈的协同作用， 且活性粉木的物理填充作用与其化学密实效应具有同等的重要性。 2 、基于活性粉末自身的独立性及其对水泥基材料体系的依赖性提出了评估 活性粉末强度效应的新方法及活性粉末“饱和掺量 的概念。结果证实活性粉末 在活性粉末混凝土体系中发挥了非常大的强度效应，其增强效应可分为“密实增 强效应”和“减水增强效应”两部分，且前者的贡献远大于后者；活性粉末的饱 和掺量随体系水胶比的增大而增加。为充分、合理利用活性粉末奠定了强有力的 技术基础。 3 、系统探讨了活性粉末水泥复合胶凝体系在非常低水胶比条件下的水化特 性及其微结构发展、形成过程并揭示了活性粉末对体系水化、硬化行为的影响机 理。研究发现体系的水化放热速率比普通水泥胶凝体系低得多。背反射电子图像 ( b e i ) 表明硬化后的复合胶凝体系主要由凝胶产物以及大量被凝胶产物包裹着 的大小不同的未水化完全的水泥熟料颗粒和活性粉末组成，且其微结构发展可用 本文提出的物理模型描述。 4 、成功配制了抗压强度达2 0 0 m p a 的活性粉末混凝土并研究了其力学性能的 发生机制，探讨了基体相和骨料相性能的匹配性对材料力学性能的影响规律。研 究了包括活性粉术、骨料以及纤维在内的原材料组分对其流动性、强度、动弹模 量以及断裂韧性等性能的影响。试验表明钢管限制活性粉末混凝土不仅具有很好 的抗弯性能，而且其抗压强度比活性粉末混凝土高5 0 左右。 5 、试验研究了活性粉末混凝土的长期性能稳定性、气体渗透性、碳化及其 自干燥效应。结果表明活性粉末混凝土具有比高性能水泥基材料高得多的长期性 能稳定性，长期热处理条件进一步降低了活性粉末混凝土的孔隙率。活性粉末混 凝土具有严重的自干燥效应，体系在所测龄期内的相对湿度仅有7 0 左右，且自 同济大学i t 学博十学何论文 收缩高达3 0 0um ，m 。钢纤维的掺入可有效减少其自收缩并有可能防止自收缩裂 缝的发生。 6 、研究了活性粉末混凝土的微观结构特征及其与宏观性能、原材料组分之 间的相互关系并提出了活性粉末混凝土的微观结构模型。活性粉末混凝土的内部 结构具有良好的匀质性和极低的孔隙率；其交流阻抗谱参数与抗压强度存在较好 的线性关系。活性粉末混凝土的宏观组成相一基体相与骨料相在力学性能上具有 很好的匹配性，活性粉末混凝土优异的性能不仅来自于其良好的孔结构，而且还 得益于其协调发挥了基体相和骨料相的协同作用。 关键词：活性粉末混凝土；协同效应；水化硬化行为；长期性能稳定性； 白干燥效应：微观结构；模型 a b s t r a c t a bs t r a c t r e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t eh a sb e e naf o c u so fa r e n t i o ns i n c ei tw a sp r e p a r e d s u c c e s s f u l l yb yf r e n c hr e s e a r c h e r si ne a r l y19 9 0 s h o w e v e r ，l i t t l ek n o w l e d g er e l a t e d t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ni t sp e r f o r m a n c ea n dm i c r o s t r u c t u r ea n dt h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nc o m p o n e n t so fr e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t eh a sb e e no b t a i n e ds y s t e m a t i c a l l y , a n dt h er e s e a r c ha b o u tt h e s eh a sn o tb e e nf u l l yc a r r i e do u tb yn o w i np r e s e n tp a p e r , t h es y n e r g e t i ce f f e c t sb e t w e e nc e m e n ts y s t e ma n dr e a c t i v ep o w d e r s ，a n dt h ec h a r a c t e r s o fh y d r a t i o na n dh a r d e n i n go fs y s t e mc o n t a i n e ds l a go rf l ya s h ，s i l i c af u m e a n dc e m e n t u n d e rv e r yl o ww a t e rt ob i n d e rr a t i o ( w b ) c o n d i t i o na n dt h ea c t i o n - m e c h a n i s mo f r e a c t i v ep o w d e ra sw e l la st h ep r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r eo fr e a c t i v e p o w d e r c o n c r e t ea r es t u d i e di nd e t a i lt om a k ea t t e m p tt ou n v e i lt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e n c o m p o s i t i o n ，m i c r o s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo fr e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e ，a n dt o b r o a d e nt h ea p p l i c a t i o no ft h ee f f e c t i v ea n de n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yc e m e n t i t i o u s c o m p o n e n t si nc e m e n t b a s e dm a t e r i a l sa n df u r t h e rt op r o v i d et h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a l s u p p o r t sf o rt h ed e v e l o p m e n to fn e wa d v a n c e dc e m e n t i t i o u sm a t e r i a l s t h em a i n a c h i e v e m e n t sa r eg i v e ni nf o l l o w s 1 t h ec o n c e p t i o no fr e a c t i v ep o w d e r sa r es t a t e da n de x t e n d e dc l e a r l yb a s e do n t h ep r e v i o u sr e s e a r c h t h es y n e r g e t i ce f f e c t sb e t w e e nc e m e n ta n dr e a c t i v ep o w d e r sa r e d i s c u s s e df r o mt w oa s p e c t so fp h y s i c a lp a c k i n gr o l ea n dc h e m i c a le f f e c to fr e a c t i v e p o w d e r s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e r ee x i s tg r e a t l ys y n e r g e t i ce f f e c t sb e t w e e n c e m e n ta n dr e a c t i v ep o w d e r s t h ee f f i c i e n c yo fp h y s i c a lp a c k i n g e f f e c to fp o w d e r si s a l m o s te q u i v a l e n tt ot h a to fi t sc h e m i c a ld e n s e e f f e c t 2 an e wm e t h o de v a l u a t e ds t r e n g t h - e f f e c to fr e a c t i v ep o w d e r s ，w h o s er a t i o n a l i t y i sv a l i d a t e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n tr e s u l t s ，i sp u tf o r w a r db a s e do nt h e c o n s i d e r a t i o no ft h ei n d e p e n d e n c yo fr e a c t i v ep o w d e r si t s e l fa n di t sd e p e n d e n c yo n c e m e n t i t i o u ss y s t e m a n da l s ot h ec o n c e p t i o no ft h es a t u r a t i o n c o n t e n to fr e a c t i v e p o w d e ri nc e m e n t i t i o u ss y s t e mi sp r e s e n t e d i ti sd i s c o v e r e dt h a tag r e a ta m o u n to f s t r e n g t h e f f e c t w h i c hc a nb ed i v i d e di n t ot w op a r t so f “d e n s es t r e n g t h e n i n g - e f f e c t a n d “w a t e r r e d u c i n gs t r e n g t h e n i n g - e f f e c t ”，i sp r o v i d e dt ot h er e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e w i t hv e r yl o ww b w h a t sm o r e ，t h ed e n s es t r e n g t h e n i n g e f f e c to fr e a c t i v ep o w d e r si s m u c hl a r g e rt h a nt h eo t h e r t h es a t u r a t i o n c o n t e n to fr e a c t i v ep o w d e ri n c r e a s e sw i t h t h ei n c r e m e n to fw bo fc e m e n t i t i o u sm a t e r i a l t h i sa c h i e v e m e n tw i l lb e n e f i tf o rt h e a p p l i c a t i o no fr e a c t i v ep o w d e r sf u l l ya n dr e a s o n a b l yi nc o n c r e t e 3 t h eh y d r a t i o nc h a r a c t e r sa n dm i c r o s t r u c t u r ef o r m i n gp r o c e s so fc o m p o u n d c e m e n t i t i o u ss y s t e mi n c l u d i n gr e a c t i v ep o w d e ra n dc e m e n tw i t hv e r yl o ww ba r e s t u d i e db yc a l o r i m e t r y ，t g a ，x r d ，s e ma n db e i t h em e c h a n i s mo fe f f e c to f r e a c t i v ep o w d e ro nh y d r a t i o na n dh a r d e n i n gb e h a v i o ri su n v e i l e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h eh e a tr e l e a s er a t eo fs y s t e md u r i n gh y d r a t i n gp r o c e s si sm u c hl e s st h a nt h a to f 同济火学下学博七学位论文 o r d i n a r yc e m e n tp a s t e t h er e s u l t ss t u d i e db yb e id e m o n s t r a t e st h a t 血eh a r d e n e d c o m p o u n dc e m e n t i t i o u ss y s t e m i s m a i n l yc o m p o s e do fc e m e n t i t i o u sh y d r a t i o n p r o d u c t sa n dt h eu n h y d r a t e dc l i n k e r sa n du n h y d r a t e dr e a c t i v ep o w d e r sw h i c ho r d e r l y f i l l e d i nh y d r a t i o np r o d u c t sa n dc a nb ew e l ld e s c r i b e db yap h y s i c a lm o d e lp r o p o s e di n t h i sp a p e r 4 o nt h eb a s i so fd i s c u s s i o no ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nm a t r i xp h a s ea n d a g g r e g a t ep h a s ew i t hr e g a r dt om e c h a n i c a lp r o p e r t i e si nc e m e n t b a s e dm a t e r i a l s ，t h e r e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t ew i t h2 0 0 m p ac o m p r e s s i v es t r e n g t hi sp r e p a r e ds u c c e s s f u l l y t h r o u g hs u c hm e a s u r e sa st h eo p t i m i z a t i o n so fi t sc o m p o s i t i o nb yt h ee m p l o y m e n to f t h r e et y p ep a r t i c l e sw i t hv a r i o u sd i a m e t e r ss u c ha ss i l i c af u m ea n ds l a go rf l ya s ha n d t h er e d u c t i o n so fm a x i m u md i a m e t e ra n dv o l u m ef r a c t i o no fa g g r e g a t ei ns y s t e m a n d i t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e si n c l u d i n gs t r e n g t h ，t h ed i m e n s i o n - e f f e c to fs t r e n g t h ，d y n a m i c e l a s t i cm o d u l u sa n dt o u g h n e s sa r es t u d i e d s t e e lt u b ec o n f i n e dr e a c t i v ep o w d e r c o n c r e t en o to n l yp o s s e s s e sg o o df l e x u r a ls t r e n g t hb u ta l s oi n c r e a s e sb y5 0 i n c o m p r e s s i v es t r e n g t hc o m p a r e dw i t hr e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e 5 t h ec a r b o n a t i o n ，a i r p e r m e a b i l i t y , l o n g t e r mp e r f o r m a n c es t a b i l i t ya n dt h e a u t o g e n o u sd e s i c c a t i o no fr e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t ea r er e s e a r c h e db ye x p e r i m e n t s t h er e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t ei sf o u n d e dt oh a v em u c hb e t t e rl o n g - t e r mp e r f o r m a n c e s t a b i l i t yt h a nh i g hp e r f o r m a n c ec e m e n t b a s e dm a t e r i a l sa n dt h ep o r o s i t yo fr e a c t i v e p o w d e rc o n c r e t ei sf u r t h e rd e c r e a s e du n d e r t a k e nl o n g t e r mh e a tt r e a t m e n tc o n d i t i o n s e r i o u sa u t o g e n o u sd e s ic c a t i o no fr e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t ei so b s e r v e d t h er e l a t i v e h u m i d i t yo fr e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t ei so n l y7 0 a n di t sa u t o g e n o u ss h r i n k a g ei su p t o3 0 0 9 m mw i t h i nc o n s i d e r e da g e s a n dt h ea d d i t i o no fs t e e lf i b e ri n t or e a c t i v e p o w d e rc o n c r e t ec a nr e d u c ee f f e c t i v e l yt h ea u t o g e n o u ss h r i n k a g ea n dm a yp r e v e n tt h e o c c u r e n c eo fc r a c k s 6 t h em i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r sa n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nm i c r o s t r u c t u r e ， c o m p o s i t i o na n dp e r f o r m a n c eo fr e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t ea r er e s e a r c h e di nd e t a i l a n dam i c r o s t r u c t u r em o d e lf o rr e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t ei sa l s op r e s e n t e d t h er e s u l t i n d i c a t e st h a tt h er e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t ep o s s e s s e sv e r yl o wp o r o s i t ya n dg o o d h o m o g e n e i t y t h e r ei sal i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dt h e i m p e d a n c es p e c t r o s c o p yp a r a m e t e r t h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo fr e a c t i v ep o w d e r c o n c r e t en o to n l yr e s u l t sf r o ml o wp o r o s i t ya n dg o o dp o r es i z e d i s t r i b u t i o nb u ta l s o p r o f i t sf r o mm a k i n gf u l l u s eo ft h es y n e r g i ce f f e c t sb e t w e e nm a t r i xp h a s ea n d a g g r e g a t ep h a s e 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 y n e r g e t i ce f f e c t s ；h y d r a t i o na n dh a r d e n i n g b e h a v i o r ；l o n g t e r mp e r f o r m a n c es t a b i l i t y ；d e s i c c a t i o ne f f e c t s ；m i c r o s t r u c t u r e ； m o d e l 1 v 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰 写成博士学位论文：“活丝捡苤洹猛塑筮! 缝掏皇丝鲣的砑塞。除论文中已经 注明引用的内容外，对本论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式表明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发 表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：压尹i 荻 加砷年f 月阳 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 新材料、信息以及能源技术是现代文明的三大支柱。材料又是科学技术赖以发展的物质 基础和衡量人类社会进化的尺度。材料的生产、发展无不与社会生产、人类文明紧密相连， 特别是在当今科技日新月异的时代，能源、信息技术的革新，离不开新材料的成功开发，其 关键的基础地位更是日益加强。 材料科学涵盖的内容非常广泛，就其组成来看，可以分为金属材料，高分子材料和无机 非金属材料。随着社会生产和科学技术的不断发展，材料逐渐由单一成分向多元复合方向发 展，各类材料相互交又融合，性能优异的新材料层出不穷，材料科学呈现出一片生机勃勃的 景象。 水泥基材料仅是材料科学中个小的分支。由于其具有价廉、易得、耐久等无可比挖【的 优越性，使其从一开始就成为应用最为广泛的建筑材料。然而，也由于水泥基材料本身组成、 结构上的复杂i 生以及其应用领域的特殊性，使得其发展相对落后。随着全球科技、经济的飞 速发展，我国城市现代化，农村城镇化建设步伐的加快，各种高耸大跨度结构以及在严酷环 境条件下使用的重大混凝土结构，如跨海大桥，海上采油平台，核废料存储器等的建造需求 不断增加，而目这些混凝土工程的施工难度大，耐久性要求高，旦出现事故，后果十分严 重，修补费用巨犬n 。传统的混凝土材料己很难适应现代建筑工程的需要，因此开发更高性 能并满足现代建筑工程要求的水泥基材料成为各国混凝士材料科研人员研究的热点。目前， 各国研究人员在改善混凝土材料的性质，进步开发其功能等方面进行了大量的工作，并取 得了可喜的成果阢”。 1 2 水泥基材料的发展概况 1 2 1 传统水泥基材料 自从1 8 2 4 年波特兰水泥问世以来，水泥混凝土材料很陕成为最大量使用的建筑材料， 如何改善混凝土材料的性能也成为土木工程界和材料科学界非常关心的课题。最初的混凝土 材料及其性能研究是由f e r e t 在18 9 1 年开始的，他从理论和实验上提出了水、水泥和孔隙数 量对混凝土强度的作用，即f e r e t 强度公式，并指出集料级配对材料密实性的重要性，与密 实性相联系的水灰比定则成为控制水泥混凝士性质的重要指导原则【4 j 。水泥材料研究和认识 的不断深化，对混凝土材料研究起到了很大的推动和促进作用。t c p o w e r s 开创的以孔结构 研究j ! k ! 泥材料强度是对水泥材料认识的次飞跃，并推动了水泥材料向高强度发展。伴随着 矿物质粉末材料和塑化剂、流化剂等各种类型的外加剂以及其他附加增强材料如钢纤维在水 同济大学t 学博十学f ：论文 泥基材料中的应用，使得配制具有更高性能并满足工程要求的水泥基材料成为现实。各种新 型高性能水泥基材料，如高性能混凝土( h p c ，h i g hp e r f o n n a m ec o n c r e t e ) 、纤维增强水泥 基材料( f i b e rp 妃i n f o r c e dc e m e n t i t i o u sc o m p o s i t e s , f r c c ) 、化学粘结陶瓷( c b c ，c h e m i c a l b o n d e dc c 棚疵s ) 、均匀分布超细颗粒致密体系( d s p ，d e n s i f i e ds y s t e mc o n t a i n i n g h o m o g e n o u s l ya r r a n g e du l t r a f i n ep a r t i c l e ) 、密实增强混凝土( c r c ，c o m p a c tr e i n f o r c e d c o n c r e t e ) 、注浆纤维混凝土( s i f c o n ，s l u r r yi n f i l t r a t i n gf i b e rc o n c r e t e ) 、无宏观缺陷水泥材 料( m d f ，m i c r o - d c f e v t f r e e ) 以及聚合物水泥基材料( p c m , p o l y m e r c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s ) 等不断出现【玲1 0 l ，掀起了水泥基材料向高力学性能、高耐久性方向发展的新高潮。 1 2 2 功能型及智能型水泥基材枇1 1 】 1 2 2 1 水泥基功能复合材料 随着人类社会和科学技术的高度发展，现代建筑对水泥基材料提出了新的挑战，要求水 泥基材料不仅要能承重，而且还应具有声、光、电、磁、热等功能，以适应多功能和智能建 筑的需求。 显然，水泥基材料本身并不具有与光、电、磁等相关的功能。为了使其具有匕述性能， 材料科研人员经过长期研究发现，在水泥基材料中通过一定的方式复合些具有上述功能的 物质后，可以使得水泥基材料在一定程度上能够具有相应的功能。如为了能满足些与电、 磁相关工程领域的要求，在水泥基材料中掺入一些导电组分、可磁化组分以及钢丝网等，可 分别制得水泥基导电复合材料、水泥基磁i 生复合材料和具有屏蔽电磁波功能的水泥基材料。 经过合理的设计还可制成梯度功能水泥基材料等众多功能性水泥基材料。另外，在最近十多 年里还出现了一系列新型高性能水泥基功能复合材料，如m i ) f 水泥、r p c 等，大大拓展了 水泥基材料的应用领域，使得水泥基材料也不再仅是用于建筑工程的材料，而且可以用于机 械、航空工业的摸具以及用作电子封装材料、底板材料、传感器材料等。 1 2 2 2 水泥基机敏和智能复合材料 在各类建筑向智能化发展的背景下，人们愈加重视水泥基材料向机敏、智能化方向发展， 以使现代智能建筑物更力i ：i 简洁、美观、可靠以及高效，适应现代信息社会的要求。因此，水 泥基智能复合材料是智能材料科学的重要研究和应用领域。智能材料具有感知、辨识、优化 和控制驱动等多种功能；而机敏材料是智能材料的低级阶段，般只具有感知或是驱动等功 能，而不具有自决策的能力。 目前，在开发水泥基机敏复合材料方面已进行了些研究，并取得了些非常有意义的 成果，如成功开发了材料应力、应变和损伤自检测水泥基材料、温度自测水泥基材料、自动 调节环境湿度的水泥基材料、仿生自愈伤水泥基材料以及仿生自生水泥基材料等水泥基机敏 复合材料。但是，就目前人们对水泥基材料科学的认i p j j q z ，制备令人满意的水泥基智能复 合材料还存在相当的困难。 2 第1 章绪论 量曼量鲁曼皇曼量曼曼曼曼皇皇曼邕曼曼曼量曼皇曼皇量皇曼曼舅曼曼曼皇皇曼! 皇曼曼曼曼皇曼鼍曼! 曼鼍i i ,i i 曼量皇曼曼皇量舅 总之，经过材料科学工作者的不懈努力，水泥基材料技术已取得了很大的进步。随着科 技和社会的不断进步，完全有理由相信，未来水泥基材料在向着更高性能、更多功能以及智 能化方向发展的道路上会取得更大的突破。 1 3 活性粉末混凝土的研究进展 水泥基材料的高强、高韧性、高耐身性一直是混凝土材料学界努力的目标。从近年来国 内外的研究结果来看，实现混凝土材料超高性能的技术路线主要有两条： 1 均匀分布超细颗粒密实体系d s p t l 2 1 ( d e n s i f i e ds y s t e m sc o n t a h a i l l gh o m o g e n e o u s l y a r r a n g e du l t r a - f i n ep a r t i c l e s ) ，最早由丹麦的b a t h e 于二十世纪八十年代初研究开发成功。这 种新材料由硅酸盐水泥和硅灰粒子组成的密实颗粒体系，辅以超塑化剂而制得；当硅灰含量 在2 5 左右，水固比在0 2 2 , - 0 1 2 时，通过机械压实可带烙出抗压强度达2 7 0 m p a 的水泥基 材料。 2 宏观无缺陷水泥材料m 阱补压a c r od e f e c t - f r e ec e m e n t s ) & 7 , 1 3 1 ，1 9 7 9 年英国化学工业公 司和牛津大学最早开始研究开发。这种水泥材料是在高愀酸盐水泥或铝酸盐水泥中掺入 4 7 的水溶性树脂，并采用高效剪切搅拌机搅拌以及热压工艺制成的。m d f 具有非常高 的力学性能，抗压强度和抗弯强度分别可达3 0 0m p a 和1 5 0m p a ，弯压强度比达1 2 。 为改善超高强混凝土材料的韧性，般采用掺加高弹模纤维的措施。d s p 、m d f 等材 料的配制技术路线及其成果为超高强度水泥基材料的进一步发展提供了理论基础和技术支 持。活性粉木混凝限鼢c l j v ep o w d e rc o n c r e t e ，简称r i , c ) 的成功研制就是其中的典型实例。 1 3 1 活性粉末混凝土( r p g ) 的性能特点 = 十世纪九十年代初，法国的b o u y g u e s 科学部以p i e r r er i c h a r d 为首的研究小组首先 研究开发了_ 种新型超高强水泥基材料，这种材料由于其中粉末组分的活性和细度的增加而 取名为活性粉术混凝土【1 4 1 。它采用类似d s p 材料的配制原理，但组成材料进一步合理化， 因而它既不同于普通钢纤维混凝土( h ) 和高性能混凝土( ) c ) ，同时，又是d s p 材料 的进步发展。r p c 由密实填充的细颗粒混合料、超塑化剂和钢纤维在低水胶比下拌合成流 态浆体经养护硬化而制成，随组成、成型工艺及养护方法的不同，r p c 可以具有2 0 0 - - 8 0 0 m p a 的强度。 r p c 作为一种刚出现不久的新型超高强水泥基材料，具有以下特剧m 1 7 1 ： 超高的力学性能r p c 具有非常优异的力学性能，与高性能混凝土( ) 相比，它具 有约高p 1 2 倍的抗压强受和约大于2 0 0 倍的延性。根据组分、养护方法和成型条件的不同， 可以制得抗压强度分别为2 0 0m p a 以及8 0 0 m p a 左右的活性粉末混凝土，并分别被简称为 r p c 2 0 0 和r p c 8 0 0 ，其力学性能及与高性能混凝土( 阳) 的比较如表1 1 所示。 3 同济大学t 学博十学位论文 表1 1r p c 与h p c 的性能比较 刚p ( 卫0 0r p c 8 0 0h p c p r e 啪t t i n gp r e s s u r i z a t i o nn o n el h e m - u e m i n g ( )2 蝴2 5 啦4 0 0 c o m p r e s s i v ea m n g i h ( m p a )1 7 m 乏3 05 0 0 圆0 0 6 0 1 0 0 f l e x u r a ls u e n g m ( m p a )3 吣 4 5 一1 4 06 1 0 f r a c t u r ee n e r g y ( j i m ) 2 c i o ( n 4 0 0 0 01 2 0 0 猢 1 4 0 y o u n g sm o d u l u s ( g p a ) 5 6 量0 5 4 0 胞| 生是混凝土材料的一大缺陷，对于掺钢纤维的r p c ，这缺点可得到明显的改善，表 1 2 是掺钢纤维r p c 与其它月种材料的断裂能的比斟堋。从表中可以得知，掺钢纤维r p c 具 有非常高的廷l 生。 表1 2 不i n , q * ：4 的断裂能 m a t e r i a l sg l a s sc e r a m i c s & r o c kc o n c r e t em e t a lr p c f r a c t u r ee n e r g y ( j i m 2 ) 5 ( 1 0 0 1 2 0) 1 0 0 0 03 0 0 0 0 密实的微观结构及优异的耐久1 生能r p c 超高的耐久性能与其良好的内部微观结构和 极低的孔隙率分不开。表1 3 是用氮吸附方法测定的r p c 内部的孔径分布隋况，从中可以看 到r p c 具有良好的孔结构和低的孔隙率，孔径分布在纳米级范围上【1 & - 2 0 1 。r p c 这种微结构 特征使其具有极低的渗透性、高的抗环境介质侵蚀能力和好的耐磨性 2 1 】。表l4 为r p c 与其 它几种混凝土的耐久性比裂1 8 1 。 表1 3r p c 内部孔隙的比表面积及体积分布 p o r o s i t ys p e c i f i cs u r f a c e ( m 2 g )、b l u m e ( m m 硇 ( 2 n m 0 2o 0 7 2 6 n m0 4o 5 2 5 n mo 2 20 4 8 9 mo 1 1o 5 5 1 5 n m0 1 11 t o t a l0 9 32 6 2 r p c 2 0 0 由于其水胶比非常低，因而可以预测其干燥收缩不会很大。从国外的研究结另挈翻 可以看到，除了在热养护期间表现出一定的收缩外，在热养护后几乎不产生收缩；另外值得 注意的是，黜1 砚0 0 的基本徐变也减少至l 韵恿混凝土或是高性能混凝土的1 0 左右。显然， r p c 2 0 0 对于收缩和徐变的敏感性非常小，因而r p c 2 0 0 的长期性能也是有保证的。这些优 异的性能，消除了结构设计中由于时效应变而带来的许多问题。 4 表i4 将i t 揽凝十( o c ) 、卜l p c 和r p c 的耐久性比较 优越的性蘸价格比与普通掘凝土或i q p c 相比较，r p c 特别是掺钒纤维的r p c 的单价 偏高。但是r p c 应用于土术工程中，不仅可以使构件混凝七用量减少近，而且r p c 的应 用可以减少构件发结构物中的配筋量，甚至完全取消被斓甜8 0 。另外，与具有柑同强度的 钢材比较，r p c 的成本也是相对便宜的。图l l 比较了由不同材料制作的等承载力单元的横 截面。 圈1i 不同材料制作的等承载力单元的横截面比较 h gl 1c o m p a 曲0 f c r c 爵倒咖m 朗e 丑| d e m e n t c a p a c i t y “m v a r i o u s m a t e r i a l s r p c 这些优良的性自斟寺点，使其具有很好的工程应用前景。在r p c 研制成功丌始，囤 外就注重其工程应用的研究。目前，国外已将r p c 材料应用于国防工程、严酷环境条件下 的公共设施等领列4 1 。 13 2 r p c 的配制技术 普通混籼堤一种非匀质的多孔体，内部结构含有较多的缺陷而导致较低的力学性能和 时久圭。根据材料的性能与结构之间的关系，要得到优良性能的混疑土材料，必须提高混凝 七材料内部结构的匀质性和尽量减小其内部缺陷。r p cj 下是基于这一原理而发展起柬的新 型水泥基材料。在最初研制r p c 的i 嘶2 中，采用如下技术措蒯“纠： 改善匀质性宏观上，混凝士材料由骨料和硬化水泥浆体两相组成。骨料( 砂和石) 在 胶结浆体( 水化产物) 罩组成了蝴的颗粒骨架，由于浆骨两相的弹性模量差别较大，骨料 相当于毕硬的央杂物；同时，在硬化前后由于物理、化学原因而引起混凝十内部产生微裂缝 同济大学丁学博十学1 ：7 ：论文 等缺陷。这使得混凝土材料内部结构的匀质性大打折扣，从而不利于硬化后的宏观性能。r p c 采取以下措施使其匀质性得以大幅度提高： 1 ) 去除粗骨料并提高浆骨比例r p c 仅以平均粒经约为2 5 0pm 石英砂( 粒径分布在 1 6 0 - - - 6 0 0ui l l 之间) 作为骨料，并提高浆体与骨料的体积比，使得骨料成为分散相悬浮在浆体 中，从而不会阻碍浆体的整体变形，减少了因力学( 外部荷载) 、化学( 自生收缩) 和热力学 ( 温度引起浆体和骨料两相不均匀膨胀) 原因引起的微裂缝。 2 ) 改善浆体的力学性能提高硬化水泥石的强度和弹性模量，r p c 中骨料与胶结浆体 的弹性模量比为： e a ：1 0 。1 4 e p 式中：e a 骨料弹性模量； b 硬化浆体弹性模量。 而对于目前的高性能混凝土，其e a e p 的值也高达3 0 左右。显然，r p c 可有效减少传 统混凝土中由于浆骨两相变形不致而产生的裂纹。r p c 8 0 0 的弹性模量最高可达7 5 g p a ， 而二氧化硅骨料的弹性模量仅为7 0 g p a ，由此可知，r p c 8 0 0 内部结构的非匀质性1 乎完全 消除。 3 ) 强化浆骨两相界面r p c 由于具有高含量的硅灰，富集在骨料周围的c a ( o h ) 2 晶体 因参与二次水化反应而大为减少，增强了水化产物与骨料间的粘结；同时，经较高温度的热 处理后，石英眇骨料也会与水化产物发生反应，此时体系内部几乎不存在薄弱的浆骨界面过 渡区。 表1 5 她! r p c 原材料鲴成刚( 鳢比) 一 刚p c 2 0 0r p c 8 0 0 s i l i c as t e e l r a w m 劬嘶a l n of i b e r e df i b