活性粉末混凝土材料.doc

中南大学活性粉末混凝土材料 学 院：土木建筑学院 指导老师： 郑克仁 班 级：土木0611班 学 号： 1201061117 姓 名： 陈 亮 摘要：活性粉末混凝土（RPC）作为一种新型的水泥基结构材料，具有超高强度、高耐久性、高韧性、良好的体积稳定性等优良的性能，已经进入实际应用阶段。本文将结合试验研究，阐述配合比因素对RPC强度的影响及RPC的微观机理。关键词：活性粉末混凝土 配制原理 配合比 微观机理一、简单介绍 20 世纪混凝土科学与工程技术取得了重大成就，高性能混凝土的应用极大地推动了混凝土科技的进步，促进了人类社会的发展。随着21 世纪混凝土工程的大型化、工程环境的复杂化以及应用领域的不断扩大，人们对其提出了更高的要求，混凝土材料的高性能化和高功能化是21 世纪混凝土科学和工程技术发展的重要方向。高性能混凝土是近期混凝土技术发展的主要方向，国外学者曾称之为21世纪混凝土。挪威于1986年首先对此进行了研究，在1990年由美国国家标准与技术研究院（NIST）与美国混凝土学会（ACI）共同主办的一次研讨会上正式定名。大会规定高性能混凝土是具有某些性能要求的匀质混凝土，必须采用严格的施工工艺，采用优质材料配制，便于浇捣、不离析、力学性能稳定、早期强度高、具有韧性和体积稳定性等性能的耐久的混凝土，特别适用于高层建筑、桥梁以及暴露在严酷环境中的建筑结构。由于高性能混凝土具有综合的优异技术特性，引起了国内外材料界与工程界的广泛重视与关注。十多年来，世界上许多国家相继投入了大量的人力、财力、物力进行该项研究与开发应用，使高性能混凝土技术取得了很大的进展，在原料的选择、配合比设计、物理力学性能、耐久性、工作性、结构性能以至应用技术等方面都取得了既有理论基础又有实用价值的科技成果。高性能混凝土有较高的抗压强度和耐久性，可以解决普通混凝土结构存在的自重大、耐久性低的缺点。但大量的研究和工程应用表明，高性能混凝土尚有许多亟待解决的问题:一是高性能混凝土的高脆性，且强度越高脆性越显著，严重影响了结构的抗震性能，必须通过配筋来提高结构的延性，而大量配筋不仅降低了高性能混凝土的经济效益，同时又带来施工浇筑的困难;二是高性能混凝土的抗火性能较差，高温下素混凝土试件常常发生爆裂现象，且随过火温度升高，混凝土的抗压强度急剧下降，影响结构的抗火性能;三是由于高性能混凝土水灰比较低，往往产生较大的收缩变形，使结构过早地出现裂缝， 影响了结构的正常使用和耐久性。上述问题的存在一定程度上阻碍了高性能混凝土的进一步推广应用，如何发展具有高强度、高耐久性和高抗灾性能的混凝土结构，达到适用性和经济效果的最佳，成为广大工程技术人员梦寐以求的目标。活性粉末混凝土（即Reactive Powder Concrete ，以下简称RPC）是继高强、高性能混凝土之后，在90年代中期通过采用常规的水泥等材料开发出的超高强度、高耐久性、高韧性和体积稳定性良好的水泥基材料，是DSP材料与纤维增强材料复合而成的高性能混凝土。它的强度等级可分为200MPa、500MPa和800MPa三个等级。该材料已成为国际建筑工程领域的研究热点。1993年，法国的BOUYGUES公司成功研制出了RPC，并与美国陆军工程师团合作生产出RPC制品；加拿大于1994年开始进行工业化试验，在环境恶劣的魁北克省Sherbrooke用RPC进行预制构件的生产，并在现场组装了一座跨长为70m的单跨，供行人和自行车通行的架桥；韩国的汉城用RPC材料建造了一座跨度为120m的拱桥；美国于2001年在伊利诺斯州用RPC材料建造了直径18m的圆形屋盖；在澳大利亚，一座用RPC材料建造的公路桥梁不久将问世；在欧洲，跨越克罗地亚Bakar海峡的一座432m的RPC拱桥也正在设RPC建造的加拿大Sherbrooke行人/自行车桥梁计中；我国有关RPC材料的研究主要集中在几所高校，目前已通过对材料配合比的研究，制备出了的RPC材料小型试件，其抗压强度超过了200MPa、抗折强度达50MPa、断裂能大于、弹性模量大于4.6104MPa. RPC的基本配制原理是通过提高组分的细度与活性，使材料的内部缺陷（孔隙与微裂隙）减小到最少，从而获得超高强度与高耐久性，有效地克服了普通高性能混凝土的高脆性，RPC 的优越性能使其在土木、石油、核电、市政、海洋等工程及军事设施中有着广阔的应用前景。二、材料组成（结构）特点及制备（施工）工艺2.1 活性粉末混凝土的主要特点有：(1)原材料主要是细砂、水泥、石英粉、硅灰、外加剂、水和钢纤维。(2)所有材料的粒径不大于0.8mm，没有粗骨料。(3)它的水灰比仅0.15。(4)使用常规工艺制作，它的抗压强度可以达到170230MPa，抗拉强度可以达到3060MPa；采用特殊工艺，它的抗压强度可以达到490810MPa，抗拉强度可以达到45141MPa。(5)收缩和徐变非常小。在结硬过程中经过13天的热处理后，不会再有任何收缩，徐变也只有传统混凝土的10%以内。2.2 RPC的基本配制原理与性能众所周知，混凝土是由粗、细骨料和胶凝材料等混合而成的多相复合材料，其性能取决于水泥石、粗骨料及两者间界面结合的程度。研究表明，粗骨料与砂浆之间的过渡区是混凝土结构的薄弱环节，过渡区存在的应力集中、收缩应力和较低的粘结力是影响混凝土受力性能及耐久性的主要因素，改善其组成结构是提高混凝土性能的重要途径。RPC 正是以上述研究为基础，对混凝土内部及过渡区作了改进，其基本配制原理如下：(1) RPC 不使用粗骨料，选用最大粒径为015mm 的石英砂为骨料，减小过渡区的范围，在整体上提高了体系的匀质性， 从而改善RPC 的各项性能；(2) 选用级配在011m1mm 的水泥和硅粉，通过提高组分的细度，使RPC 内部达到最大填充密实度，将材料初始缺陷降至最低；(3) 采用高效减水剂降低水灰比，提高水泥浆强度，同时减小了用水量，大大降低了空隙率；(4) 成型时施加压力，有效减少了气孔和化学收缩引起的孔隙，通过90 的热养护或250 400 的蒸汽养护来加速粉末的水化反应，强化水化物的结合力；(5) 掺入细而短的钢纤维，提高了混凝土的抗弯折强度，提高了韧性。 根据组分和制备条件的不同， RPC 分为RPC200 和RPC800 两个强度等级，其中RPC200 的抗压强度可达170MPa 230MPa ， 而RPC800 的抗压强度更是高达490MPa 705MPa ，与钢材强度相近，其力学性能及耐久性比普通高性能混凝土(High Performance Concrete ，HPC) 和普通混凝土(Ordinary Concrete ，OC) 有较大的提高，表1 比较了RPC、HPC 和OC 的主要力学性能和耐久性指标。由上表可以看出，RPC 不仅具有较高的抗压强度，而且由于混凝土内部孔隙率很小，所以有着优良的抗氯离子渗透、抗碳化、抗腐蚀、抗渗、抗冻及耐磨等耐久性。更为重要的是，掺加微细的钢纤维后能显著提高RPC 的抗折强度和吸收能量的能力，RPC200 的抗折强度达30MPa60MPa ，是HPC 的6 倍左右， 其断裂能平均达30kJ / m2 ， 而HPC 的断裂能只有0.14kJ /m2 ，这就使RPC 具有更好的抗震耗能能力。 2.3 活性粉末混凝土结构施工由于活性粉末混凝土对材料的配比、搅拌、浇筑要求较高，特别是，如果想制作出抗压强度200800MPa的超高强活性粉末混凝土，就需要在混凝土浇筑以后的结硬过程中高温养护，保持温度250400情况下一至三天；还要施加50MPa左右的压力，这种施工条件往往只有在预制厂才能实现。因此，预应力活性粉末混凝土结构更适合于做成预制构件，而非现场浇注。加拿大Sherbrooke桥和韩国首尔的Peace Bridge，都是在预制场将桥梁分几段（Sherbrooke桥分成每10m一个节段，Peace Bridge分成每20m一个节段）预制完成，然后将预制节段运到现场进行拼装，通过后张预应力的张拉，使桥梁成为一体。活性粉末混凝土具有很高的抗压强度，因此，预应力活性粉末混凝土结构的锚固区就不存在局部承压问题，传统预应力锚具下面的锚座就可以取消。附图是传统预应力锚具（左侧）和预应力活性粉末混凝土结构所使用的无锚座微型锚具（右侧）的照片。预应力活性粉末混凝土结构构件也可以很方便地制作成先张法预应力构件，与传统方法相比，所不同的仅仅是构件里面没有普通钢筋，仅在受拉区配置预应力钢绞线。2.4 预应力活性粉末混凝土结构的经济性就材料本身来说，活性粉末混凝土目前的造价很高，国际市场上每吨活性粉末混凝土的报价可达到几百欧元，几乎与普通钢材价格相当。但是，由于预应力活性粉末混凝土结构有着许多钢结构所无法相比的优点，使得预应力活性粉末混凝土结构仍然有着很好的经济性和市场应用前景。美国的HDR Engineering Inc. 曾经就Valley West Bridge No 1大桥的结构方案，对使用传统预应力混凝土结构和预应力活性粉末混凝土结构的两个方案进行了对比。采用预应力普通混凝土结构方案时，桥面板混凝土抗压强度34.5MPa，预应力混凝土工字形截面梁和桁架采用抗压强度48MPa的混凝土，配置54根12.7mm钢绞线；改用预应力活性粉末混凝土结构方案后的主要变化为：将原来沿纵向布置的5根工字形截面梁改成4根，梁间距由原来的2.92m改为3.86m。工字形截面梁改成抗压强度200MPa的活性粉末混凝土结构后，减薄了腹板和翼缘截面，腹板厚度由150mm改为80mm。桥梁的固定支座和滑动支座数量减少五分之一。对比结果，从单价来说，现浇的活性粉末混凝土造价几乎是现浇普通混凝土的两倍，但尽管如此，工程总造价略低。三、性能目前RPC 应用中存在的主要问题是:由于对骨料、水泥、掺合料的粒径和成型及养护条件要求较严，因此只适宜预制生产，不能现场浇筑，使其工程应用范围受到限制。如何结合我国国情开发活性粉末混凝土，尽快应用于我国的基础设施建设，还应该在以下几方面进行深入研究。3.1 最优配比及制备工艺RPC在制备过程中需要加压成型和蒸汽养护，这在现浇结构中很难实现，解决这一矛盾是下一步研究的重点。应结合我国国情，考虑实用性和经济性，对现浇结构中RPC 的最优配比及制备工艺开展研究，研究方向为: 适当放宽对粗骨料粒径的限制条件，使其介于RPC(400m 石英砂) 与HPC(15mm 25mm 碎石) 之间，这样可以增加混凝土的流动性; 采用与HPC 相同的养护条件; 掺加超细粉煤灰或超细矿渣等掺合料部分代替硅灰;可以起到降低成本、保护环境的作用; 可以添加纳米级掺合料，使混凝土内部变为结合更紧密的网状结构，从而增强混凝土的韧性; 与RPC 相同，掺入钢纤维来提高混凝土韧性;还可以掺入碳纤维等智能材料，利用其自身的热敏特性来实现对养护温度的调节。虽然采用上述措施制备的混凝土强度不如RPC ，但若能实现制备手段方便实用，而抗压强度在150MPa200MPa 的高性能混凝土材料，将对其在现浇结构中的广泛应用起到极大的推进作用。 3.2 抗震性能高脆性是高性能混凝土的固有缺陷，只有通过改变混凝土的组成才能解决，目前主要通过微观与宏观复合的办法来降低高性能混凝土的脆性。微观复合是指添加具有较好柔韧性的氯丁橡胶等高分子材料，来改善混凝土的脆性，但它往往伴随着强度和刚度的损失；宏观复合：一是掺入钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维等对混凝土改性；二是采用钢管、钢骨混凝土等组合结构形式来提高HPC 结构的延性。大量研究证明，这种宏观复合形式的效果非常明显，目前已在大跨空间结构、高层建筑和大跨桥梁上广泛应用。虽然RPC 具有较好的韧性，但RPC 构件的抗震性能是否能满足结构的抗震要求目前还没有开展研究，因此应进一步考察RPC 主要受力构件的抗震性能。无纤维钢管活性粉末混凝土这种构件形式已在加拿大魁北克省Sherbrooke 桥的桁架结构中应用，实践证明钢管中采用无纤维RPC 后可以减小构件的截面尺寸，是一种极具发展前景的构件形式。3.3 抗火性能抗火性能差是高性能混凝土的又一缺陷，到目前为止，虽然关于高温下HPC 爆裂的本质和机理尚未形成统一的认识， 但都认可这样的观点，即混凝土中多余的水分和水泥石的脱水是影响爆裂的主要因素。在HPC 结构中，钢筋保护层的爆裂直接导致构件截面面积减小，截面温度场发生突变，并致使全部或部分钢筋直接暴露于高温环境下而迅速软化，降低了构件的耐火性能，加速了构件的破坏历程，导致结构过早破坏。目前，有关HPC 抗火性能及其灾后损伤评估的研究还不完善，而RPC 比HPC 的内部结构更为密实，但孔隙率与多余水分也都减小，其高温下的破坏现象和机理目前还没有相关研究，急需开展初步的试验研究，以考察RPC 的抗火能力。四、应用 因RPC具有极高的抗压抗折强度，在工程应用时，可以有效地减少结构自重，节省工程的综合造价。RPC具有极高的抗剪强度，在梁的设计中可减少或完全去除辅助配筋，从而设计更薄的截面和更具创新性的截面形状。RPC优越的性能使其在市政、石油、核电、海洋等工程及军事设施亦有广阔的应用前景。PRC的渗透性极低，是制备新一代核废料储存容器的理想材料；由于PRC良好的耐磨性和低渗透性，它还可以用于生产各种耐腐蚀的压力管和排水管道。综上所述，RPC 具有极其优越的性能，可应用的领域也非常广泛。在土木工程领域中，随着我国高层建筑和大跨结构迅速增加，为RPC 的应用提供了巨大的市场，且在结构及桥梁改造、特种结构工程中也具有广阔的应用前景。从工程应用的角度来看，RPC 在以下几个方面具有较好的发展和应用前景：(1) 预应力结构和构件。目前由于建筑结构对混凝土预制构件的需求量较多，因此预应力厂家如果投入适量的资金，对部分设备进行改造，完全可以生产上述活性粉末混凝土预制构件。利用RPC 的超高强度与高韧性，能生产薄壁、细长、大跨等新颖形式的预制构件，可大幅度缩短工期和降低工程造价。(2) 钢- 混凝土组合结构。众所周知，钢筋混凝土的最大缺点是自重大，一般的建筑中结构自重为有效荷载的810倍。而用无纤维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，用它制作高层或超高层建筑的结构构件，可大幅度减小截面尺寸和结构自重，增加建筑物的使用面积与美观，因此RPC 钢管混凝土构件有着广阔的应用前景。(3) 特殊用途构件。RPC 的孔隙率极低，具有超高抗渗性及良好的耐磨性，不但能够防止放射性物质从内部泄漏，而且能够抵御外部侵蚀性介质的腐蚀，可以用于生产核废料储存容器和各种耐腐蚀的压力管和排水管道，不仅可大大降低造价， 而且可大幅度延长构件的使用寿命。另外，RPC 的早期强度发展快，后期强度极高，用于补强和修补工程中可替代钢材和昂贵的有机聚合物，既可保持混凝土体系的有机整体性，还可降低工程造价。活性粉末混凝土有着许多传统混凝土无法比拟的优点，下表是两者之间几项主要指标的差异：指标活性粉末混凝土比普通混凝土孔隙率低45倍微孔率 低1030倍渗透性低50倍吸水性低50倍氯离子扩散低25倍绝缘性能 高417倍耐磨性高23倍近几年来，活性粉末混凝土结构在工程当中的应用越来越多。欧洲国家已经将这种材料应用于隧道内的吸音板、危险废物容器、铁路轨枕、岩土锚固用的锚座、防撞隔离栏等。我国科学家近几年来也在活性粉末混凝土的研究与应用方面取得很多成果，在一些军工工程和铁道工程中，也已经得到一些实际应用。就目前而言，成本过高可能仍是预应力活性粉末混凝土结构推广当中的主要障碍。对于预应力结构，活性粉末混凝土的零收缩和极低的徐变是最令人鼓舞的。自从钢筋混凝土结构于100多年前发明以来，混凝土的收缩徐变就一直是困扰我们的难题。预应力结构会因为收缩和徐变造成预应力损失，导致构件刚度降低，梁的挠度逐步增大。由于传统混凝土的收缩和徐变过程长达几十年甚至上百年，这种刚度降低、挠度加大的过程将历经很长时间。近年来出现的高速铁路工程、磁悬浮工程，列车时速高达400500km，这就意味着列车在前进中每秒钟要跨越811跨桥梁，如果桥梁有5mm的跨中挠度，列车就会在一秒钟内以5mm的振幅颠簸811次。这就要求桥梁必须在长时期内保持很高的刚度，很小的挠度。使用传统预应力混凝土结构，可以保证短期内的刚度，但是无法阻止长时期结构刚度的降低。使用预应力活性粉末混凝土结构，就可以实现结构在很长的时间段内刚度不降低，或者降低很少。如果用近年来新出现的强度更高的预应力碳纤维带代替钢绞线，而预应力碳纤维带几乎没有松弛发生，这样就从预应力筋的松弛和混凝土的收缩徐变两方面解决了结构刚度逐步降低的问题，使得预应力技术的优势发挥得更加完美。RPC 在国外已有不少工程实例，主要制品包括：大跨桥梁的预制构件、压力管道及放射性固体废料储存容器。预制构件中采用RPC ，可以减少构件的截面和配筋；RPC 压力管道则可提高工作压力，且增强了对侵蚀性介质的抗侵蚀能力；用RPC 制备的固体废料储存容器可长期储存中、低放射性废料，其使用寿命可高达500 年。法国某核电站的冷却系统采用RPC 生产了2500 多根预制梁，耗用混凝土823m3 ，同时还生产了大量核废料储存容器。加拿大在对RPC 配合比研究的基础上，94 年开始进行工业性试验，研究了无纤维RPC 钢管混凝土，并用于加拿大魁北克省70 米跨的Sherbrooke 人行混凝土桁架桥上。桥构件采用30mm 厚无纤维RPC 桥面板、直径150mm 的预应力RPC 钢管混凝土桁架、纤维RPC 加劲肋和纤维RPC 梁，整个结构在现场进行组装，见图1 。由于采用了RPC ，不仅大大减轻了桥梁结构的自重，同时提高了桥梁在高湿度环境、除冰盐腐蚀与冻融循环作用下的耐久性能。图1 加拿大魁北克Sherbrooke 桥外观及结构示意图国内近几年才开始RPC 的研究，目前还没有工程应用实例。1996年，在加拿大魁北克省的Sherbrooke建造了世界上第一座预应力活性粉末混凝土结构人行天桥。这座桥的跨度是60m，使用