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活性粉末混凝土 活性粉末混凝土 RPC Reactive Powder Concrete 活性粉末混凝土概述活性粉末混凝土概述 活性粉末混凝土材料选择活性粉末混凝土材料选择 活性粉末混凝土的配置活性粉末混凝土的配置 活性粉末混凝土的力学性能活性粉末混凝土的力学性能 RPC应用和发展前景RPC应用和发展前景 第一章 活性粉末混凝土概述第一章 活性粉末混凝土概述 1 1 活性粉末混凝土的概念活性粉末混凝土的概念 活性粉末混凝土 Reactive Powder Concrete 简 称RPC 是继无宏观缺陷水泥 简称MDF 超细粒聚密 水泥 简称DSP 化学结合陶瓷 简称CBC 以及高 性能混凝土 简称HPC 之后 于20世纪90年代初由法 国开发出的一种 活性粉末混凝土 Reactive Powder Concrete 简 称RPC 是继无宏观缺陷水泥 简称MDF 超细粒聚密 水泥 简称DSP 化学结合陶瓷 简称CBC 以及高 性能混凝土 简称HPC 之后 于20世纪90年代初由法 国开发出的一种超高强度 高韧性 高耐久性 体积稳 定性良好 超高强度 高韧性 高耐久性 体积稳 定性良好的新型水泥基复合材料 由于其的新型水泥基复合材料 由于其组分中粉末含 量及活性的增加 组分中粉末含 量及活性的增加而被称为活性粉末混凝土 而被称为活性粉末混凝土 组成 活性粉末混凝土其原料为细石英砂 水泥 磨细石英 粉 硅灰 细钢纤维 高效减水剂等 组成 活性粉末混凝土其原料为细石英砂 水泥 磨细石英 粉 硅灰 细钢纤维 高效减水剂等 取消粗集料 各级 粒子尺寸范围小 而相邻级的平均粒径却相差较大 取消粗集料 各级 粒子尺寸范围小 而相邻级的平均粒径却相差较大 这种 新型的材料根据 这种 新型的材料根据最大密实度理论最大密实度理论 使各种颗粒达到最大密 实化 选取的是传统的原材料和传统的混凝土成型工艺 使各种颗粒达到最大密 实化 选取的是传统的原材料和传统的混凝土成型工艺 1 2 活性粉末混凝土的特点活性粉末混凝土的特点 国内外研究表明 活性粉末混凝土具有优越的力学性 能和耐久性能 l 强度高 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高性能混凝土 2 重量轻 在具有相同抗弯能力的前提下 活性粉末混 凝土结构的重量 国内外研究表明 活性粉末混凝土具有优越的力学性 能和耐久性能 l 强度高 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高性能混凝土 2 重量轻 在具有相同抗弯能力的前提下 活性粉末混 凝土结构的重量仅为钢筋混凝土结构的仅为钢筋混凝土结构的1 3 1 2 几乎与钢结构相近 几乎与钢结构相近 这对减轻结构自 重 增加跨越能力 发展预应力混凝土技术 具有极其重要的意义 这对减轻结构自 重 增加跨越能力 发展预应力混凝土技术 具有极其重要的意义 3 塑性好 高性能混凝土与普通混凝士的极限应变值基 本相等 而活性粉末混凝土的 3 塑性好 高性能混凝土与普通混凝士的极限应变值基 本相等 而活性粉末混凝土的极限应变值极限应变值则 为高性能混凝土的2 3倍 从某种意义上 讲 这比其具有极高的抗压强度更为重要 目前 国内一些高性能混凝土也已达到很高 的抗压强度 但其脆性比较明显 因而成为 限制其实际应用的一个主要因素 而活性粉 末混凝土配制技术对我们研制高强又有良好 塑性的混凝土可以提供有益的帮助 则 为高性能混凝土的2 3倍 从某种意义上 讲 这比其具有极高的抗压强度更为重要 目前 国内一些高性能混凝土也已达到很高 的抗压强度 但其脆性比较明显 因而成为 限制其实际应用的一个主要因素 而活性粉 末混凝土配制技术对我们研制高强又有良好 塑性的混凝土可以提供有益的帮助 4 密实度高 有约束的活性粉末混凝土凝结前的加压技 术具有排除混凝土内部空气 降低水灰 比 提高密实度从而提高混凝土强度的作 用 是一项值得推广的技术 5 耐久性好 对冻融循环 盐蚀及碳化有很强的抵抗能 力 使用其可增加构件的耐久性 延长结 构的使用寿命 6 耐磨性好 可用于改造路面 7 抗弯强度高 4 密实度高 有约束的活性粉末混凝土凝结前的加压技 术具有排除混凝土内部空气 降低水灰 比 提高密实度从而提高混凝土强度的作 用 是一项值得推广的技术 5 耐久性好 对冻融循环 盐蚀及碳化有很强的抵抗能 力 使用其可增加构件的耐久性 延长结 构的使用寿命 6 耐磨性好 可用于改造路面 7 抗弯强度高 25 35MPa 可减少构件内的钢筋用量 可减少构件内的钢筋用量 第二章 活性粉末混凝土材料选择第二章 活性粉末混凝土材料选择 活性粉末混凝土其原料为石英砂 水泥 磨细石英粉 硅灰 细 钢纤维 高效减水剂等 取消粗集料 各级粒子尺寸范围小 而相邻 级的平均粒径却一般相差较大 活性粉末混凝土其原料为石英砂 水泥 磨细石英粉 硅灰 细 钢纤维 高效减水剂等 取消粗集料 各级粒子尺寸范围小 而相邻 级的平均粒径却一般相差较大 2 1 石英砂石英砂 石英砂要具有很高的硬度和优良的界面性能 在活性粉末混凝土 中充当 石英砂要具有很高的硬度和优良的界面性能 在活性粉末混凝土 中充当主要集料主要集料的功能 其粒径范围宜控制在的功能 其粒径范围宜控制在150 m 600 m之间之间 平均粒径为平均粒径为250 m 其矿物成分中 其矿物成分中SiO2 的含量不低于的含量不低于99 2 2 水泥水泥 首先 水泥要与减水剂相容 从化学成分上看 首先 水泥要与减水剂相容 从化学成分上看 C3 A含量低 的水泥效果较好 但粉磨得太细的水泥由于需水量大 效果并 不是很好 从流变特性和力学性能看 高模量水泥效果最好 但这种水泥具有缓凝特点 不适宜于工程应用 因此通常 含量低 的水泥效果较好 但粉磨得太细的水泥由于需水量大 效果并 不是很好 从流变特性和力学性能看 高模量水泥效果最好 但这种水泥具有缓凝特点 不适宜于工程应用 因此通常C3 S含 量的水泥即可 含 量的水泥即可 2 3 硅灰硅灰 硅灰是冶炼铁合金回收的副产品 它是灰白色球状粉 末 表观密度为 硅灰是冶炼铁合金回收的副产品 它是灰白色球状粉 末 表观密度为150 250kg m3 比表面积 比表面积20m2 g 平均粒 径为 平均粒 径为0 1 0 2 m 无定形 无定形SiO2含量约为含量约为80 90 在 在RPC中硅灰主要有三个作用 中硅灰主要有三个作用 1 填充填充不同粒径颗粒间的孔隙 不同粒径颗粒间的孔隙 2 硅灰颗粒具有良好的球状外形 起到很好的硅灰颗粒具有良好的球状外形 起到很好的润滑润滑作 用 从而提高流变特性 作 用 从而提高流变特性 3 硅灰具有高硅灰具有高活性活性 起到第二次水化作用 选择硅灰 时应考虑颗粒聚积程度 硅灰的纯度和颗粒粒径 起到第二次水化作用 选择硅灰 时应考虑颗粒聚积程度 硅灰的纯度和颗粒粒径 2 4 磨细石英粉磨细石英粉 对于活性粉末混凝土热处理过程来说 磨细石英 粉是不可缺少的组成成分 据研究 在热养护过程 中 磨细石英粉活性发挥最大的粒径范围为 对于活性粉末混凝土热处理过程来说 磨细石英 粉是不可缺少的组成成分 据研究 在热养护过程 中 磨细石英粉活性发挥最大的粒径范围为5 m 2 5 m 在活性粉末混凝土中采用的磨细石英粉平均 粒径为 在活性粉末混凝土中采用的磨细石英粉平均 粒径为10 m 与水泥的粒径接近 与水泥的粒径接近 2 5 钢纤维钢纤维 微细钢纤维微细钢纤维 在活性粉末混凝土中 钢纤维对基体的作用与普通 纤维混凝土中的钢纤维作用相同 概括起来主要有三种 在活性粉末混凝土中 钢纤维对基体的作用与普通 纤维混凝土中的钢纤维作用相同 概括起来主要有三种 阻裂 增强和增韧阻裂 增强和增韧 在活性粉末混凝土中本身不存在粗骨料 内部缺陷 很少 如果所用钢纤维过粗过长 不仅搅拌成型困难 还要增加活性粉末混凝土中的界面缺陷 所以 在活性 粉末混凝土中钢纤维掺量不宜太大 在活性粉末混凝土中本身不存在粗骨料 内部缺陷 很少 如果所用钢纤维过粗过长 不仅搅拌成型困难 还要增加活性粉末混凝土中的界面缺陷 所以 在活性 粉末混凝土中钢纤维掺量不宜太大 2 6 高效减水剂高效减水剂 在活性粉末混凝土中 由于其水胶比较之普通混凝土和一般高性 能混凝土都要低 如果不掺入优质的高效减水剂 浆体的 在活性粉末混凝土中 由于其水胶比较之普通混凝土和一般高性 能混凝土都要低 如果不掺入优质的高效减水剂 浆体的流动性流动性将会 很差 甚至造成难以振捣成型 因此 高效减水剂也是活性粉末混凝 土中的重要组分 对于活性粉末混凝土而言 其显著的特点就是具备 优异的力学性能 将会 很差 甚至造成难以振捣成型 因此 高效减水剂也是活性粉末混凝 土中的重要组分 对于活性粉末混凝土而言 其显著的特点就是具备 优异的力学性能 在流动性不下降的情况下 水胶比越低 活性粉末 混凝土的力学性能就越好 在流动性不下降的情况下 水胶比越低 活性粉末 混凝土的力学性能就越好 所以 从某种意义上来说 高效减水剂性 能的好坏 直接决定了活性粉末混凝土的性能 活性粉末混凝土的典型配合比如表1所示 所以 从某种意义上来说 高效减水剂性 能的好坏 直接决定了活性粉末混凝土的性能 活性粉末混凝土的典型配合比如表1所示 表表1 典型的活性粉末混凝土的配合比典型的活性粉末混凝土的配合比 第三章 活性粉末混凝土的配置第三章 活性粉末混凝土的配置 3 1 基本原则基本原则 活性粉末混凝土是一种超高强度 高韧性 低孔隙率的超高性能 混凝土 它的基本配制原理是通过 活性粉末混凝土是一种超高强度 高韧性 低孔隙率的超高性能 混凝土 它的基本配制原理是通过提高组分的细度与活性提高组分的细度与活性 使材料内 部的 使材料内 部的缺陷 孔隙与微裂缝 减小到最少缺陷 孔隙与微裂缝 减小到最少 从而获得超高强度与高耐久 性 从而获得超高强度与高耐久 性 RPC所采用的原材料平均粒径在所采用的原材料平均粒径在 0 1pm lmm之 间 目的是尽量减少混凝土中的孔间距 从而使拌合物 更加密实 之 间 目的是尽量减少混凝土中的孔间距 从而使拌合物 更加密实 RPC的制备一般可以采取以下技术措施的制备一般可以采取以下技术措施 1 去除混凝土中粗骨料以提高基体匀质性 去除混凝土中粗骨料以提高基体匀质性 2 优化颗粒级配 以提高拌合物的密实度优化颗粒级配 以提高拌合物的密实度 3 成型过程中或成型后施加压力 以排除多余孔隙 成型过程中或成型后施加压力 以排除多余孔隙 4 凝固后采用热养护改善微结构 凝固后采用热养护改善微结构 5 掺加微细钢纤维以提高韧性 掺加微细钢纤维以提高韧性 6 保持搅拌和浇筑尽可能地与现有习惯的做法相接 近 以利工程应用 保持搅拌和浇筑尽可能地与现有习惯的做法相接 近 以利工程应用 材料的材料的组成和选择组成和选择是活性粉末混凝土的关键所在 材 料的 是活性粉末混凝土的关键所在 材 料的成型和养护成型和养护是提高性能的要求 上述中前三个基本原 则 使得配制出的基材具有高强的性能 但与普通砂浆相 比 其韧性并没有得到提高 微钢纤维的掺入 大大提高 了其抗拉强度 同时可以获得所要求的韧性 涉及原材料组成的措施 包括保证均质性和颗粒的密实 度化 是活性粉末混凝土概念的基础 是提高性能的要求 上述中前三个基本原 则 使得配制出的基材具有高强的性能 但与普通砂浆相 比 其韧性并没有得到提高 微钢纤维的掺入 大大提高 了其抗拉强度 同时可以获得所要求的韧性 涉及原材料组成的措施 包括保证均质性和颗粒的密实 度化 是活性粉末混凝土概念的基础 加压成型和热养护 加压成型和热养护 的利用对于提高力学性能比较有利 的利用对于提高力学性能比较有利 传统的混凝土是一种非均质材料 其中集料在水泥基体中形成骨 架 当混凝土试件受到外加荷载或压力时 在水泥基体与集料界面 处 由于应力集中 形成微裂纹 这些微裂纹的尺寸和扩展与集料的 粒径有直接的关系 因此在活性粉末混凝土中 采用磨细石英砂代替 粗集料 提高材料均质性 控制材料内部缺陷 同时在材料配比设计过程中 采用最大密实理论模型 通过对材 料粒径选择 使不同粒径材料达到最大密实 并严格控制用水量 为 保证水泥和活性粉末能最大限度地水化 在养护时采用热养护 在成 型过程中 为排除多余的空气 可以根据需要 进行加压成型 传统的混凝土是一种非均质材料 其中集料在水泥基体中形成骨 架 当混凝土试件受到外加荷载或压力时 在水泥基体与集料界面 处 由于应力集中 形成微裂纹 这些微裂纹的尺寸和扩展与集料的 粒径有直接的关系 因此在活性粉末混凝土中 采用磨细石英砂代替 粗集料 提高材料均质性 控制材料内部缺陷 同时在材料配比设计过程中 采用最大密实理论模型 通过对材 料粒径选择 使不同粒径材料达到最大密实 并严格控制用水量 为 保证水泥和活性粉末能最大限度地水化 在养护时采用热养护 在成 型过程中 为排除多余的空气 可以根据需要 进行加压成型 3 2 活性粉末混凝土的配置方案选择活性粉末混凝土的配置方案选择 在实际的活性粉末混凝土的配置中 可以选用以下步骤进行方案 选择 在实际的活性粉末混凝土的配置中 可以选用以下步骤进行方案 选择 1 消除缺陷 选择骨料品种消除缺陷 选择骨料品种 在普通混凝土中 水泥石和集料的弹性模量不同 当应力 温度 发生变化时 水泥石和集料的变形不一致 致使界面处形成细微的裂 缝 在普通混凝土中 水泥石和集料的弹性模量不同 当应力 温度 发生变化时 水泥石和集料的变形不一致 致使界面处形成细微的裂 缝 另外 在混凝土硬化前 水泥浆体中的水分向亲水的集料表面迁 移 在集料的表面形成一层 另外 在混凝土硬化前 水泥浆体中的水分向亲水的集料表面迁 移 在集料的表面形成一层水膜水膜 从而在硬化的混凝土中留下细小的 缝隙 此外 浆体泌水也会在集料下表面形成 从而在硬化的混凝土中留下细小的 缝隙 此外 浆体泌水也会在集料下表面形成水囊水囊 因此 混凝土在 承受荷载作用以前 界面处就充满了微裂缝 受到荷载作用以后 在水泥石与骨料的界面上出现剪应力和拉应 力 随着应力的增长 微裂缝不断扩展并伸向水泥石 最终导致水泥 石的断裂 为了尽量减少微裂缝和孔隙等缺陷 在配制 因此 混凝土在 承受荷载作用以前 界面处就充满了微裂缝 受到荷载作用以后 在水泥石与骨料的界面上出现剪应力和拉应 力 随着应力的增长 微裂缝不断扩展并伸向水泥石 最终导致水泥 石的断裂 为了尽量减少微裂缝和孔隙等缺陷 在配制RPC时要时要剔除 了普通混凝土中所采用的粗骨料 剔除 了普通混凝土中所采用的粗骨料 碎石 卵石等碎石 卵石等 而 而采用最大粒径 采用最大粒径 600 m 平均粒径为 平均粒径为250 m的细石英砂的细石英砂 这样的选择可以从这样的选择可以从3个方面改善活性粉末混凝土的性能 个方面改善活性粉末混凝土的性能 1 减小内部微裂缝宽度 混凝土受到荷载作用后 减小内部微裂缝宽度 混凝土受到荷载作用后 微裂缝宽度与 被水泥浆包裹的颗粒直径成正比 微裂缝宽度与 被水泥浆包裹的颗粒直径成正比 在RPC中 骨料的直径减小了50倍 可以极大地减小由力学 外荷载 化学 自收缩 加热养护 由于砂 浆与骨料的膨胀率不同 引起的微裂缝的宽度 在RPC中 骨料的直径减小了50倍 可以极大地减小由力学 外荷载 化学 自收缩 加热养护 由于砂 浆与骨料的膨胀率不同 引起的微裂缝的宽度 2 改善水泥石的力学性能 改善水泥石的力学性能 RPC的杨氏模量超过的杨氏模量超过50 GPa 在其最 密实状态时可达到 在其最 密实状态时可达到75 GPa 水泥石和骨料的整体弹性模量稍微小于骨 料的弹性模量 大大减小不均匀性的影响 水泥石和骨料的整体弹性模量稍微小于骨 料的弹性模量 大大减小不均匀性的影响 3 降低骨料在总体积中所占的比例 在降低骨料在总体积中所占的比例 在RPC中 水泥浆体积比砂 子的孔隙要大 中 水泥浆体积比砂 子的孔隙要大20 左右 砂子在左右 砂子在RPC中不能构成骨架 而只是一种被 水泥浆包裹的 含有缺陷的混合物 砂子会随着水泥浆的收缩而移 动 因此砂子与水泥浆之间不会产生裂缝 中不能构成骨架 而只是一种被 水泥浆包裹的 含有缺陷的混合物 砂子会随着水泥浆的收缩而移 动 因此砂子与水泥浆之间不会产生裂缝 2 采用最大密实理论模型选择材料直径采用最大密实理论模型选择材料直径 对粉末堆积的研究表明 当大小均匀的球形颗粒粉末倒入容器 时 堆积密度较低 通过振动可以提高堆积密度 但即使采用最仔细 的振动方式 也不能获得很高的振实密度 为了提高堆积密度 常在 较大的均一的颗粒之间加入较小的颗粒 先是直径最大的球体堆积成 最密填充 剩下的空隙依次由小直径的球体填充下去 使球体间的空 隙减小 从而达到最大密实状态 对粉末堆积的研究表明 当大小均匀的球形颗粒粉末倒入容器 时 堆积密度较低 通过振动可以提高堆积密度 但即使采用最仔细 的振动方式 也不能获得很高的振实密度 为了提高堆积密度 常在 较大的均一的颗粒之间加入较小的颗粒 先是直径最大的球体堆积成 最密填充 剩下的空隙依次由小直径的球体填充下去 使球体间的空 隙减小 从而达到最大密实状态 在制备RPC时 尽量选用本级颗粒的粒径变化范围较小 而与相邻 粒级的平均粒径差比较大的材料 如选用粒径范围在 在制备RPC时 尽量选用本级颗粒的粒径变化范围较小 而与相邻 粒级的平均粒径差比较大的材料 如选用粒径范围在150 600 m之 间 平均粒径为 之 间 平均粒径为250 m的石英砂 粒径范围为的石英砂 粒径范围为80 100 m的水泥 平 均粒径为 的水泥 平 均粒径为0 1 0 2 m的硅灰 此外 提高密实度和抗压强度的另一种 有效的途径是在新拌混凝土凝结前和凝结期间加压 的硅灰 此外 提高密实度和抗压强度的另一种 有效的途径是在新拌混凝土凝结前和凝结期间加压 通过对新拌混凝土凝结前和凝结期间加压 可以有三方面的效果 1 加压数秒就可以有效地消除或减少气孔 2 当模板有一定渗透性时 加压数秒可将多余的水分自模板间 隙中排出 3 如果在混凝土凝结期间始终保持一定的压力 可以消除由于 材料化学收缩引起的部分孔隙 通过对新拌混凝土凝结前和凝结期间加压 可以有三方面的效果 1 加压数秒就可以有效地消除或减少气孔 2 当模板有一定渗透性时 加压数秒可将多余的水分自模板间 隙中排出 3 如果在混凝土凝结期间始终保持一定的压力 可以消除由于 材料化学收缩引起的部分孔隙 3 加热养护改善加热养护改善RPC的微观结构的微观结构 RPC200的热养护是在混凝土凝固后加热进行 的热养护是在混凝土凝固后加热进行 90 的热养护可 显著加速火山灰反应 同时改善水化物的微结构 但这时候形成的水 化物仍是无定形的 更高温度 的热养护可 显著加速火山灰反应 同时改善水化物的微结构 但这时候形成的水 化物仍是无定形的 更高温度 250 400 热养护用于获得热养护用于获得RPC800 养护使水化生成物 养护使水化生成物C S H 水化硅酸钙水化硅酸钙 凝胶大量脱水 形成硬硅钙石 结晶 凝胶大量脱水 形成硬硅钙石 结晶 4 掺入微钢纤维增大掺入微钢纤维增大RPC韧性韧性 未掺钢纤维的未掺钢纤维的RPC的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 掺入钢纤维可以提高韧性和延性 的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 掺入钢纤维可以提高韧性和延性 RPC200中掺入 钢纤维直径约为 中掺入 钢纤维直径约为0 15 mm 长度为 长度为3 12 mm 体积掺量为 体积掺量为1 5 3 0 对于在 对于在250 以上温度养护的 以上温度养护的RPC800 其力学性能 其力学性能 抗压强度 和抗拉强度 抗压强度 和抗拉强度 的改善是通过掺入更短的改善是通过掺入更短 长度 长度 3 mm 且形状不规则的钢 纤维来获得 且形状不规则的钢 纤维来获得 第四章 活性粉末混凝土的力学性能第四章 活性粉末混凝土的力学性能 4 1 强度和韧性强度和韧性 RPC的显著特点是它的高强度 高韧性 高耐久性 RPC抗压强度可达到200MPa甚至更高 加压及高温养护 采 用3mm的超短钢纤维后其抗压强度可达800MPa 是高性能 混凝土的2 3倍 抗拉强度可达到50MPa左右 是高性能混 凝土的5倍 弹性模量达50GPa以上 比高性能混凝土高得 多 断裂能达20000 40000J m RPC的显著特点是它的高强度 高韧性 高耐久性 RPC抗压强度可达到200MPa甚至更高 加压及高温养护 采 用3mm的超短钢纤维后其抗压强度可达800MPa 是高性能 混凝土的2 3倍 抗拉强度可达到50MPa左右 是高性能混 凝土的5倍 弹性模量达50GPa以上 比高性能混凝土高得 多 断裂能达20000 40000J m2 2 而普通混凝土的断裂能 只有130J m 而普通混凝土的断裂能 只有130J m2 2 可见RPC具有优良的韧性和力学特性 高性 能混凝土 HSC 及普通混凝土 NC 的比较见表2 可见RPC具有优良的韧性和力学特性 高性 能混凝土 HSC 及普通混凝土 NC 的比较见表2 项目项目RPC800RPC200HSCNC 抗压强度抗压强度 N mm2 490 680170 23060 10020 40 抗弯强度抗弯强度 N mm2 45 10225 606 101 5 2 5 破坏能量破坏能量 kJ m2 1 2 2 015 40140120 130 弹性模量弹性模量 GPa 63 7462 6630 4025 33 表表2 RPC HSC NC的力学特性比较RPC HSC NC的力学特性比较 4 2 耐久性耐久性 RPC中的空隙量极小 使得空气渗透系数低 水分吸收 特性值小 因而具有超高的耐久性 表3中比较了RPC HSC NC的主要耐久性指标 可见活性粉末混凝土的耐久性 能比普通混凝土以及高性能混凝土好得多 RPC中的空隙量极小 使得空气渗透系数低 水分吸收 特性值小 因而具有超高的耐久性 表3中比较了RPC HSC NC的主要耐久性指标 可见活性粉末混凝土的耐久性 能比普通混凝土以及高性能混凝土好得多 性能性能RPCHSCNC 空气渗透系数 空气渗透系数 10 182 5120140 水分吸收特性 水分吸收特性 kg m 30 20 42 7 氯离子扩散 氯离子扩散 10 12m2 s 10 020 61 1 冻融剥落 冻融剥落 g cm 27900 1000 碳化深度 碳化深度 mm0210 磨耗系数磨耗系数1 32 84 0 表表2RPC HSC NC的耐久性比较的耐久性比较 4 3 变形性能变形性能 从图1几种混凝土的应力 应变曲线可以看出 掺钢纤维的RPC受 压构件的变形性能 强度要远远优于普通混凝土 NSC 高性能混凝 土 HPC 从图1几种混凝土的应力 应变曲线可以看出 掺钢纤维的RPC受 压构件的变形性能 强度要远远优于普通混凝土 NSC 高性能混凝 土 HPC 图图1 RPC与与NSC HPC应力一应变曲线应力一应变曲线 4 4 徐变性能徐变性能 RPC的徐变减少到普通混凝土或是高性能混凝土的 的徐变减少到普通混凝土或是高性能混凝土的 10 左右 左右 RPC对于徐变的敏感性非常小 因此长期性能 也是有保证的 对于徐变的敏感性非常小 因此长期性能 也是有保证的 第五章 第五章 RPC应用和发展前景应用和发展前景 5 1 RPC的工程应用实践的工程应用实践 RPC由法国由法国BOUYGUES公司率先于公司率先于1993年研究成功 并与美国 陆军工程师团合作 依据美国 年研究成功 并与美国 陆军工程师团合作 依据美国CPAR Construction Productivity Advancement Research 建筑生产力推进研究 计划进行了建筑生产力推进研究 计划进行了RPC制品 的实际生产 其产品主要包括 大跨度预应力混凝土梁 压力管道及 放射性固体废料储存容器等 现在国内外比较典型的 制品 的实际生产 其产品主要包括 大跨度预应力混凝土梁 压力管道及 放射性固体废料储存容器等 现在国内外比较典型的RPC应用有 应用有 1 舍布鲁克 舍布鲁克 sherbrook 人行桥 人行桥 加拿大在RPC配合比研究的基础上 于1994年开始进行工业性试 验 并研究了无纤维RPC钢管混凝土 根据此项研究成果 于1997年 用RPC预制构件建成了世界上第一个RPC结构 它是一座位于加拿大魁北克省舍布鲁克市梅戈格河上的长60m 宽 4 2m的舍布鲁克自行车及步行桁架桥 这是世界上第一座用活性粉末 混凝土修建的大型结构 加拿大在RPC配合比研究的基础上 于1994年开始进行工业性试 验 并研究了无纤维RPC钢管混凝土 根据此项研究成果 于1997年 用RPC预制构件建成了世界上第一个RPC结构 它是一座位于加拿大魁北克省舍布鲁克市梅戈格河上的长60m 宽 4 2m的舍布鲁克自行车及步行桁架桥 这是世界上第一座用活性粉末 混凝土修建的大型结构 图图2 舍布鲁克人行桥舍布鲁克人行桥 图3 舍布鲁克人行桥上部结构图3 舍布鲁克人行桥上部结构 桥面板和上 下弦杆均由活性粉末混凝土制成 其抗压强度达到桥面板和上 下弦杆均由活性粉末混凝土制成 其抗压强度达到350MPa 该桥的上部结构为后张空腹空间桥架 由6块匹配预制的节段组 成 节段在现场进行装配并用体内和体外预应力索张拉成桥 该桥的上部结构为后张空腹空间桥架 由6块匹配预制的节段组 成 节段在现场进行装配并用体内和体外预应力索张拉成桥 桥面板 和上 下弦杆均由活性粉末混凝土制成 其抗压强度达到350MPa 桥面板 和上 下弦杆均由活性粉末混凝土制成 其抗压强度达到350MPa 这 座位于舍布鲁克区 跨越梅戈格河的人行桥的斜腰杆的节间长度为 3m 桥梁的跨度为60m 竖曲线半径为326m 桥上可通自行车和行 人 舍布鲁克人行桥的设计利用了活性粉末混凝土优异的力学性能 为了获得最小的高跨比3 60 设计人员将活性粉末混凝土新技术与预 制后张法结合起来 用填充活性粉末混凝土的空腹空间桥架取代了腹 板 这样就在不影响刚度的情况下减少了混凝土的用量 由于活性粉 末混凝土具有很高的抗压强度 可以设计出相当轻巧的预应力混凝土 结构 使其能够在工厂预制和在现场安装 该桥的低频振动使桥上行 人感到舒适 这 座位于舍布鲁克区 跨越梅戈格河的人行桥的斜腰杆的节间长度为 3m 桥梁的跨度为60m 竖曲线半径为326m 桥上可通自行车和行 人 舍布鲁克人行桥的设计利用了活性粉末混凝土优异的力学性能 为了获得最小的高跨比3 60 设计人员将活性粉末混凝土新技术与预 制后张法结合起来 用填充活性粉末混凝土的空腹空间桥架取代了腹 板 这样就在不影响刚度的情况下减少了混凝土的用量 由于活性粉 末混凝土具有很高的抗压强度 可以设计出相当轻巧的预应力混凝土 结构 使其能够在工厂预制和在现场安装 该桥的低频振动使桥上行 人感到舒适 由于空间桥架重量轻 且桥梁有很高的整体刚度 该桥结构在活 载不大于恒载的范围内第一体征频率为 由于空间桥架重量轻 且桥梁有很高的整体刚度 该桥结构在活 载不大于恒载的范围内第一体征频率为2 5Hz 对于这种结构形式 在恒载和活载作用下结构的上弦杆 包括上弦纵梁和桥面板 中产生 的压力 在下弦杆中产生的拉力被预应力所抵消 剪力将在腹杆中产 生拉力或压力 其中受拉腹杆中的拉力被腹杆中的预应力所抵消 其 它所有的次拉力全部由活性粉末混凝土直接承受 由于这是第一座用活性粉末混凝土修建的大型结构 出于安全和 工程实施的考虑 材料的潜力并未被全部发挥出来 这是为了防止在 运营极限状态下腹杆和下弦杆中出现拉力 上下弦杆的尺寸取决于布 置预应力索锚头所需的空间所选的下弦梁尺寸能容纳预应力索转向 器 还应有足够尺寸连接斜杆 今后的工程可从舍布鲁克人行桥的实践获取经验 使较小尺寸的 活性粉末混凝土构件发挥更大作用 对于这种结构形式 在恒载和活载作用下结构的上弦杆 包括上弦纵梁和桥面板 中产生 的压力 在下弦杆中产生的拉力被预应力所抵消 剪力将在腹杆中产 生拉力或压力 其中受拉腹杆中的拉力被腹杆中的预应力所抵消 其 它所有的次拉力全部由活性粉末混凝土直接承受 由于这是第一座用活性粉末混凝土修建的大型结构 出于安全和 工程实施的考虑 材料的潜力并未被全部发挥出来 这是为了防止在 运营极限状态下腹杆和下弦杆中出现拉力 上下弦杆的尺寸取决于布 置预应力索锚头所需的空间所选的下弦梁尺寸能容纳预应力索转向 器 还应有足够尺寸连接斜杆 今后的工程可从舍布鲁克人行桥的实践获取经验 使较小尺寸的 活性粉末混凝土构件发挥更大作用 2 巴卡尔桥 巴卡尔桥 巴卡尔桥跨度为巴卡尔桥跨度为430m 位于克罗地亚里耶卡和塞尼之间的快速路 上 跨越巴卡尔海峡 该桥全由活性粉末混凝土预制的节段拼装而 成 比普通高性能混凝土的孔隙率减少 位于克罗地亚里耶卡和塞尼之间的快速路 上 跨越巴卡尔海峡 该桥全由活性粉末混凝土预制的节段拼装而 成 比普通高性能混凝土的孔隙率减少80 微孔隙率减少 微孔隙率减少90 透 气和透水率减少 透 气和透水率减少90 这对于位于海边的桥梁来说意义重大 巴卡尔桥采用的结构分析参数如下 这对于位于海边的桥梁来说意义重大 巴卡尔桥采用的结构分析参数如下 RPC的抗压强度为 的抗压强度为 200MPa 抗弯强度为 抗弯强度为40MPa 弹性模量为 弹性模量为50GPa 无收缩且徐变量 仅为普通混凝土的 无收缩且徐变量 仅为普通混凝土的5 巴卡尔海峡的跨越方案为 巴卡尔海峡的跨越方案为1座混凝土拱桥 跨 度 座混凝土拱桥 跨 度432m 拱高 拱高72m 即矢跨比为 即矢跨比为1 6 通航净空为 通航净空为260 50m 上部结 构总长 上部结 构总长820m 单联 单联22跨 梁体结构为气动型单箱三室等高截面 拱 肋结构也为气动型单箱三室截面 由于拱脚固定所以截面等高 跨 梁体结构为气动型单箱三室等高截面 拱 肋结构也为气动型单箱三室截面 由于拱脚固定所以截面等高 为减少恒载引起的弯矩 拱的中心线设计为复杂的四次抛物线 型 为减小侧向风产生的压力 拱的截面也设计为气动形 除基础 桥台 和拱台墩为现浇外 其余均用 为减少恒载引起的弯矩 拱的中心线设计为复杂的四次抛物线 型 为减小侧向风产生的压力 拱的截面也设计为气动形 除基础 桥台 和拱台墩为现浇外 其余均用RPC预制预制 节段长度为 节段长度为3 80m 桥梁的主要结构在分节段用短线匹配法预制时有三种基本形状 节段 在现场用环氧树脂胶拼接后 再张拉体外预应力 每个节段两端各设 置 桥梁的主要结构在分节段用短线匹配法预制时有三种基本形状 节段 在现场用环氧树脂胶拼接后 再张拉体外预应力 每个节段两端各设 置20cm 50cm横梁 这样使翼缘的板跨比为横梁 这样使翼缘的板跨比为1 30 翼缘的厚度为 翼缘的厚度为 12cm 梁体预制节段在桥面板的部分在细节上稍有不同 因为它的端 横梁截面为 梁体预制节段在桥面板的部分在细节上稍有不同 因为它的端 横梁截面为30cm 60cm 该桥的节段有点类似钢箱梁 但它没有纵向加劲肋 因而节段的 几何形状较简单 而且它用匹配法预制 节段连接也就更容易 更精 确 预制桥墩为方形的单箱双室截面 拱桥的桥台墩为单箱方形等截 面 高性能混凝土必将根本性地改变预制节段的截面性质 腹板和翼 缘厚度以及节段的连接方式 巴卡尔桥的设计说明这是可行的 该桥的节段有点类似钢箱梁 但它没有纵向加劲肋 因而节段的 几何形状较简单 而且它用匹配法预制 节段连接也就更容易 更精 确 预制桥墩为方形的单箱双室截面 拱桥的桥台墩为单箱方形等截 面 高性能混凝土必将根本性地改变预制节段的截面性质 腹板和翼 缘厚度以及节段的连接方式 巴卡尔桥的设计说明这是可行的 3 北京五环路活性粉末混凝土人行道板北京五环路活性粉末混凝土人行道板 北京交通大学进行了活性粉末混凝土人行道板的设计以及试验 目前 已将该种人行道板成功应用于通车的北京五环路上 按容许应 力法设计了两种规格的无配筋空心 北京交通大学进行了活性粉末混凝土人行道板的设计以及试验 目前 已将该种人行道板成功应用于通车的北京五环路上 按容许应 力法设计了两种规格的无配筋空心RPC200人行道板 长度为 人行道板 长度为 1490mm 宽度分别为 宽度分别为240mm和和390mm 这两种尺寸相互搭配可满足 目前桥梁人行道尺寸的要求 这两种尺寸相互搭配可满足 目前桥梁人行道尺寸的要求 活性粉末混凝土设计抗压极限强度取为 活性粉末混凝土设计抗压极限强度取为 140MPa 抗拉极限强度取为 抗拉极限强度取为20MPa 弹性模量取为 弹性模量取为40GPa 由于板内 不配置钢筋 为安全起见 要求板在使用过程中处于弹性工作状态 受拉区允许开裂 取较低的容许应力值 由于板内 不配置钢筋 为安全起见 要求板在使用过程中处于弹性工作状态 受拉区允许开裂 取较低的容许应力值 5 2 RPC的应用前景的应用前景 RPC结合了钢材强度 韧性高和传统混凝土抗火 抗 腐蚀性强的优点于一体 目前 它的应用已经进入到桥梁 与路面工程 建筑工程 水利工程 特种结构多个领域 结合了钢材强度 韧性高和传统混凝土抗火 抗 腐蚀性强的优点于一体 目前 它的应用已经进入到桥梁 与路面工程 建筑工程 水利工程 特种结构多个领域 1 预制结构产品领域 使用 预制结构产品领域 使用RPC200可以有效减小结构自重 在具有相同抗弯 能力的前提下 可以有效减小结构自重 在具有相同抗弯 能力的前提下 RPC200结构的重量仅为钢筋混凝土结构 的 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 几乎与钢结构相近 RPC200有较高的抗拉强度 同时具备由抗拉强度决 定的高抗剪强度 这就使得 有较高的抗拉强度 同时具备由抗拉强度决 定的高抗剪强度 这就使得由由RPC200材料本身在结构中 直接承受剪力而取消构件中的附加抗剪钢筋成为可能 材料本身在结构中 直接承受剪力而取消构件中的附加抗剪钢筋成为可能 从 而在设计中能够采用更薄以及更加新颖合理的截面形式 加之 从 而在设计中能够采用更薄以及更加新颖合理的截面形式 加之RPC200具有极好的延性 因此可以生产出各种成本 降低且服务寿命提高的预制结构产品来 用于市政工程中 的立交桥 过街天桥 城市轻轨高架桥等方面 具有极好的延性 因此可以生产出各种成本 降低且服务寿命提高的预制结构产品来 用于市政工程中 的立交桥 过街天桥 城市轻轨高架桥等方面 2 预应力结构领域 预应力结构领域 RPC200预应力受弯构件拥有类似于钢材的强重比 结构极轻但却 拥有很好的刚度 跨越能力进一步增加 可替代工业厂房的钢屋架和 高层 超高层建筑的上部钢结构 事实上 预应力受弯构件拥有类似于钢材的强重比 结构极轻但却 拥有很好的刚度 跨越能力进一步增加 可替代工业厂房的钢屋架和 高层 超高层建筑的上部钢结构 事实上 RPC200中中12mm长的钢纤 维相对于其最大粒径小于 长的钢纤 维相对于其最大粒径小于1mm的组分颗粒来说 发挥着普通混凝土中 钢筋的作用 的组分颗粒来说 发挥着普通混凝土中 钢筋的作用 从这个角度来说 从这个角度来说 RPC200可以被看作是一种微观钢筋混 凝土材料 在预应力 可以被看作是一种微观钢筋混 凝土材料 在预应力RPC200结构中 外荷载作用下产生的主拉应力由预应力 抵消 而次拉应力 剪应力及所有的压应力都由 结构中 外荷载作用下产生的主拉应力由预应力 抵消 而次拉应力 剪应力及所有的压应力都由RPC200材料本身直接 承担 国外研究者分别在 材料本身直接 承担 国外研究者分别在10m长的预应力长的预应力 T 型梁和型梁和15m长的预应力 长的预应力 X 型梁上进行的试验已经证实了以上结论 型梁上进行的试验已经证实了以上结论 RPC200极高的抗压强度 弹性模量和开裂强度使预应力构件 中 极高的抗压强度 弹性模量和开裂强度使预应力构件 中高强预应力筋的强度得以充分利用高强预应力筋的强度得以充分利用 使预应力构件受压区无须配 置为防止在预拉应力下发生开裂的预应力筋 使后张法构件的锚头 局压区混凝土在张拉钢筋时不易产生纵向裂缝 并使锚具下的承压 面不致发生过大的压缩变形 可大大减少预应力损失 随着混凝土 自身强度的提高 混凝土与钢筋的界面粘结强度也得以增加 使预应力构件受压区无须配 置为防止在预拉应力下发生开裂的预应力筋 使后张法构件的锚头 局压区混凝土在张拉钢筋时不易产生纵向裂缝 并使锚具下的承压 面不致发生过大的压缩变形 可大大减少预应力损失 随着混凝土 自身强度的提高 混凝土与钢筋的界面粘结强度也得以增加 故而 在 故而 在RPC200先张法构件中 预应力的施加范围及施加效率都比普通 混凝土先张法构件得到极大提高 先张法构件中 预应力的施加范围及施加效率都比普通 混凝土先张法构件得到极大提高 RPC200的另一显著特性是徐变和收缩现象极其微小 这使其预 应力构件中由于材料收缩徐变引起的预应力损失值降至最小 而此项 损失又是传统预应力构件各类预应力损失中最大的一项 为此极大地 提高了张拉控制应力的工作效率 综上所述 可以说 的另一显著特性是徐变和收缩现象极其微小 这使其预 应力构件中由于材料收缩徐变引起的预应力损失值降至最小 而此项 损失又是传统预应力构件各类预应力损失中最大的一项 为此极大地 提高了张拉控制应力的工作效率 综上所述 可以说RPC200在预应力领域中有着很好的应用前 景 在预应力领域中有着很好的应用前 景 3 抗震结构领域 抗震结构领域 RPC200可以作为一种很有前途的抗震结构材料 这是由于更轻 的结构系统降低了惯性荷载 结构构件横截面高度的减少允许构件在 弹性范围内发生更大的变形 极高的断裂能及高韧性使结构构件可以 吸收更多的地震能 框架节点区的剪切极限强度一般可作为地震作用下计算节点承载 能力的依据 故而若把具备高抗剪强度的 可以作为一种很有前途的抗震结构材料 这是由于更轻 的结构系统降低了惯性荷载 结构构件横截面高度的减少允许构件在 弹性范围内发生更大的变形 极高的断裂能及高韧性使结构构件可以 吸收更多的地震能 框架节点区的剪切极限强度一般可作为地震作用下计算节点承载 能力的依据 故而若把具备高抗剪强度的RPC200应用于框架节点 将极大提高节点的抗震承载力 解决节点区钢筋过密 箍筋绑扎困难 和混凝土难以浇筑密实等问题 应用于框架节点 将极大提高节点的抗震承载力 解决节点区钢筋过密 箍筋绑扎困难 和混凝土难以浇筑密实等问题 4 钢管混凝土领域 钢管混凝土领域 无纤维无纤维RPC制成的钢管混凝土具有极高的抗压强度 弹性模量和 抗冲击韧性 用它来做高层或超高层建筑的支柱 可大幅度减少截面 尺寸 增加建筑物的使用面积与美观 利用钢管侧限无纤维 制成的钢管混凝土具有极高的抗压强度 弹性模量和 抗冲击韧性 用它来做高层或超高层建筑的支柱 可大幅度减少截面 尺寸 增加建筑物的使用面积与美观 利用钢管侧限无纤维RPC 使 其在凝固前受到压缩 夹杂其中的空气及早期的化学收缩大都被排 除 此外在压缩期间 某些拌合水也被挤出了拌合物 使 使 其在凝固前受到压缩 夹杂其中的空气及早期的化学收缩大都被排 除 此外在压缩期间 某些拌合水也被挤出了拌合物 使RPC的水的水 胶结料比得以降低 从而提高了密实度 此外 由于影响胶结料比得以降低 从而提高了密实度 此外 由于影响RPC成本的 主要因素是钢纤维的价格 成本的 主要因素是钢纤维的价格 制备制备1m3无纤维无纤维RPC的材料成本是的材料成本是500美 元 当掺有钢纤维时则为 美 元 当掺有钢纤维时则为1400美元美元 故无论是从力学观点 还是从 经济角度考虑 无纤维 故无论是从力学观点 还是从 经济角度考虑 无纤维RPC钢管混凝土都具有很大发展潜力 钢管混凝土都具有很大发展潜力 5 其它领域 其它领域 RPC具有很高的耐磨性 可用于路面 桥面改造 研究表明 用 具有很高的耐磨性 可用于路面 桥面改造 研究表明 用 RPC修复已损坏的桥面 可提高桥梁的承载能力 利用修复已损坏的桥面 可提高桥梁的承载能力 利用RPC的超高抗 渗透性及抗拉性 可替代钢材制造压力管道和腐蚀性介质的输送管 道 用于远距离油气输送等 能够解决中等口径高强混凝土管输送压 力不够高 大口径钢管价格昂贵等问题 利用 的超高抗 渗透性及抗拉性 可替代钢材制造压力管道和腐蚀性介质的输送管 道 用于远距离油气输送等 能够解决中等口径高强混凝土管输送压 力不够高 大口径钢管价格昂贵等问题 利用RPC的高冲击韧性与超 高抗渗透性 制造中低放射性核废料储藏容器 不仅可降低泄漏的危 险 而且可大幅度延长使用寿命 的高冲击韧性与超 高抗渗透性 制造中低放射性核废料储藏容器 不仅可降低泄漏的危 险 而且可大幅度延长使用寿命 RPC的早期强度发展快 后期强度 极高 可以替代钢材和昂贵的有机聚合物用于补强和修补工程 既可 保持混凝土体系的有机整体性 还可降低工程造价 的早期强度发展快 后期强度 极高 可以替代钢材和昂贵的有机聚合物用于补强和修补工程 既可 保持混凝土体系的有机整体性 还可降低工程造价 5 3 RPC在我国的应用前景在我国的应用前景 目前 目前 RPC的配制技术已经成熟 国外已有工程应用实例 我国 的混凝土工作者 的配制技术已经成熟 国外已有工程应用实例 我国 的混凝土工作者采用磨细粉煤灰 超细矿渣等掺合料代替硅灰采用磨细粉煤灰 超细矿渣等掺合料代替硅灰 起到 了降低成本 保护环境的作用 开发了一条有中国特色的 起到 了降低成本 保护环境的作用 开发了一条有中国特色的RPC应用之 路 随着我国现代化建设的飞速发展 高层建筑和大跨结构迅速增 加 为超高性能混凝土的应用提供了巨大的市场 应用之 路 随着我国现代化建设的飞速发展 高层建筑和大跨结构迅速增 加 为超高性能混凝土的应用提供了巨大的市场 RPC具有极其优越 的性能 不仅可用于高层建筑和大跨结构 而且在既有桥梁及路面改 造 特种结构工程中也具有广阔的应用前景 我国钢产量相对于需求 量明显不足 而每年的混凝土用量在 具有极其优越 的性能 不仅可用于高层建筑和大跨结构 而且在既有桥梁及路面改 造 特种结构工程中也具有广阔的应用前景 我国钢产量相对于需求 量明显不足 而每年的混凝土用量在6 7亿亿m3以上 使用以上 使用RPC 节约 钢材 节省混凝土 可以取得良好的经济效益和社会效益 节约 钢材 节省混凝土 可以取得良好的经济效益和社会效益 5 4 RPC在研究和应用中存在的问题在研究和应用中存在的问题 我国对我国对RPC的研究虽然起步较晚 也取得了一定的成绩 但就总 体而言 在 的研究虽然起步较晚 也取得了一定的成绩 但就总 体而言 在RPC的研究和应用上还是存在着不少的问题 的研究和应用上还是存在着不少的问题 1 缺少优质组分 这主要表现在两个方面 缺少优质组分 这主要表现在两个方面 首先首先是水泥强度等级较 低 我国的水泥生产一般以 是水泥强度等级较 低 我国的水泥生产一般以32 5和和42 5级为主