活性粉末混凝土

1、活性粉末混凝土1活性粉末混凝土的定义活性粉末混凝土的定义 活性粉末混凝土活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete, 缩缩写为写为 RPC)是一种是一种超高强、低脆性超高强、低脆性, 且具有高耐久且具有高耐久性的新型水泥基复合材料性的新型水泥基复合材料。它由级配良好的细砂、。它由级配良好的细砂、水泥、石英粉、硅灰及高效减水剂等组成水泥、石英粉、硅灰及高效减水剂等组成, 同时同时, 为了进一步提高材料的延性为了进一步提高材料的延性, 可以掺入直径约可以掺入直径约 0.150.20mm、长度为、长度为 312mm 的微钢纤维。的微钢纤维。它有两个强度等级它有两个强度等级: 一

2、是经高温高压处理后强度一是经高温高压处理后强度达达 800MPa 的的 RPC800; 二是经蒸气养护处理后二是经蒸气养护处理后强度达强度达 200MPa 的的 RPC200。2 PRC的基本配置原理 RPC 是一种强度高、韧性大、空隙率低且耐久性是一种强度高、韧性大、空隙率低且耐久性极高的超高性能混凝土。它的基本设计思想是极高的超高性能混凝土。它的基本设计思想是: 通过高材料组分的细度与活性通过高材料组分的细度与活性, 减少材料内部的减少材料内部的缺陷缺陷(孔隙与微裂缝孔隙与微裂缝), 获得超高强度与高耐久性。获得超高强度与高耐久性。根据这个原理根据这个原理,RPC 所采用的原材料平均颗粒尺

3、所采用的原材料平均颗粒尺寸在寸在 0.11.0mm 之间之间, 目的是目的是尽量减小混凝土中尽量减小混凝土中的孔间距的孔间距, 从而提高拌合物的密实度。从而提高拌合物的密实度。 在材料选择上主要包括以下几种在材料选择上主要包括以下几种: 细石英砂细石英砂, 水泥水泥, 石英粉石英粉, 硅灰硅灰, 高效减水剂高效减水剂, 对韧性有要求时还需对韧性有要求时还需掺入钢纤维。掺入钢纤维。2 PRC的基本配置原理 2.1 细石英砂细石英砂 细石英砂具有很高的硬度和优良的界面性能细石英砂具有很高的硬度和优良的界面性能, 它它易于获得且价格低廉易于获得且价格低廉, 在在 RPC 中主要起集料的中主要起集料的

4、功能。在选择细石英砂时功能。在选择细石英砂时, 主要考虑其主要考虑其矿物成分、矿物成分、平均粒径、颗粒形状和其在混凝土中占有的比平均粒径、颗粒形状和其在混凝土中占有的比例例。依据最大密实理论模型。依据最大密实理论模型, 在在 RPC 中中, 细石英细石英砂的平均粒径应选择为砂的平均粒径应选择为300m.粒径范围限制在粒径范围限制在150600m 间间, 以避免与水泥颗粒的粒径以避免与水泥颗粒的粒径(范范围为围为 10100m)冲突冲突, 颗粒形状最好为球形。颗粒形状最好为球形。石英砂矿物成分中石英砂矿物成分中, SiO2的含量应不低于的含量应不低于 99%。2 PRC的基本配置原理 2.2 水

5、泥水泥 对用于对用于 RPC 的水泥的水泥, 主要有两个要求主要有两个要求: 一是水泥强度等级一是水泥强度等级要高要高, 二是水泥要与减水剂有良好的相容性。二是水泥要与减水剂有良好的相容性。从化学成分从化学成分上看上看, C3A 和碱含量低的水泥和碱含量低的水泥, 效果较好。磨得太细的水泥效果较好。磨得太细的水泥由于需水量大由于需水量大, 效果并不很好。从流变特性和力学性能看效果并不很好。从流变特性和力学性能看, 高硅率高硅率 ( 硅率是熟料中硅率是熟料中 SiO2与与Al2O3、Fe2O3之和的比之和的比 值值) 的水泥效果最好的水泥效果最好, 但这种水泥凝结较慢但这种水泥凝结较慢, 不适宜

6、于工程不适宜于工程应用应用, 因此可采用因此可采用 C3S 含量高的水泥。含量高的水泥。 2.3 石英粉石英粉 对于对于 RPC 的热处理过程来说的热处理过程来说, 磨细石英粉是不可缺少的磨细石英粉是不可缺少的组成成分组成成分。在热养护过程中。在热养护过程中, 石英粉可以发挥最大活性的石英粉可以发挥最大活性的粒径范围为粒径范围为 525m, 因此因此, 石英粉的平均粒径宜为石英粉的平均粒径宜为 10m 左右左右, 这与水泥粒径较接近。这与水泥粒径较接近。2 PRC的基本配置原理 2.4 硅灰硅灰 在在 RPC 中中, 硅灰主要有三个作用硅灰主要有三个作用: 填充不同粒径颗粒间的孔隙填充不同粒径

7、颗粒间的孔隙; 由由 于硅灰具有良好的球形于硅灰具有良好的球形, 能起到润滑作用能起到润滑作用, 因此可提高因此可提高 RPC 的流变特的流变特 性性; 硅灰具有高活性硅灰具有高活性, 能与能与 Ca(OH)2发生二次水化反应发生二次水化反应。因此。因此, 选择选择硅灰时应考虑以下几个参数硅灰时应考虑以下几个参数: 活性活性 SiO2的含量、颗粒聚集程度和颗粒的含量、颗粒聚集程度和颗粒粒径。粒径。通常通常, 在在 RPC 中硅灰与水泥的比例为中硅灰与水泥的比例为 0.25, 这样这样, 硅灰能发挥硅灰能发挥较好的填充作用较好的填充作用, 同时能最大限度地与水泥水化产物进行二次水化反同时能最大限

8、度地与水泥水化产物进行二次水化反应。应。 2.5 高效减水剂高效减水剂 多使用减水率大于多使用减水率大于 20%的高浓型高效减水剂的高浓型高效减水剂, 萘系或可溶性树脂高效萘系或可溶性树脂高效减水剂均可减水剂均可, 用量约为胶凝材料用量约为胶凝材料(水泥水泥+掺合料掺合料)的的 2%。 2.6 钢纤维钢纤维 在在 RPC 中中, 为提高其为提高其延性和韧性延性和韧性, 需要掺入钢纤维需要掺入钢纤维, 其直径约其直径约0.15mm, 体积掺量为体积掺量为 1.5%3%。综合考虑其增强效应及经济性。综合考虑其增强效应及经济性, 选择选择 2%的体的体积掺量较佳。积掺量较佳。3 PRC基本性能 根据

9、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170MPa230MPa,而RPC800的抗压强度更是高达490MPa705MPa,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(Ordi-nary 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。 表1RPC、HPC与OC的主要力学性能与耐久性的比较由表可以看出由表可以看出,RPC不仅具有较高的不仅具有较高的抗压强度抗压强度,而且由于混凝土内部孔而且由于混凝土内部孔

10、隙率很小隙率很小,所以有着所以有着优良的抗氯离子渗透、抗碳化、抗腐蚀、抗渗、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抗冻及耐磨等耐久性。更为重要的是。更为重要的是,掺加微细的钢纤维后能显著提掺加微细的钢纤维后能显著提高高RPC的的抗折强度和吸收能量的能力抗折强度和吸收能量的能力,RPC200的抗折强度达的抗折强度达30MPa60MPa,是是HPC的的6倍左右倍左右,其断裂能平均达其断裂能平均达30kJ/m2,而而HPC的断裂能只有的断裂能只有014kJ/m2,这就使这就使RPC具有更好的抗震耗能能力具有更好的抗震耗能能力。3 PRC基本性能混凝土种类抗压强度/MPa抗折强度

11、/MP弹性模量/GPa断裂能/(kJ/m2)氯离子扩散系数/(m2/s)碳化深度/mm冻融剥落/(g/cm2)吸水特性(kg/m3)磨耗系数RPC800 490705 45140 6374 1.22.0 _ _ _ _ _RPC200 170230 3060 5062 1540 00210-12 0 7 0.2 1.3HPC 60100 610 3040 0.140610-12 2 900 0.4 2.8OC 2050 25 3040 0.12 1.110-12 10 1000 2.7 4.04 RPC的发展和应用前景的发展和应用前景 RPC 具有极其优越的性能具有极其优越的性能, 可应用的领

12、域也非常广泛。在可应用的领域也非常广泛。在 土木工程领域中土木工程领域中, 随着我国随着我国高层建筑和大跨结构迅速增加高层建筑和大跨结构迅速增加, 为为 RPC 的开发应用提供了巨大的空间与市场的开发应用提供了巨大的空间与市场, 此外此外, 在在结结 构及桥梁的改造、特种结构工程的施工中构及桥梁的改造、特种结构工程的施工中, 它也具有广阔它也具有广阔 的应用前景。从工程应用的角度来看的应用前景。从工程应用的角度来看, RPC 在以下几个方在以下几个方 面具有较好的发展和应用前景。面具有较好的发展和应用前景。 (1) 预应力结构和构件预应力结构和构件。预应力构件厂如果投入适量的资。预应力构件厂如

13、果投入适量的资 金金, 对部分设备进行改造对部分设备进行改造, 完全可以生产上述活性粉末混完全可以生产上述活性粉末混 凝土预制构件。凝土预制构件。利用利用 RPC 的超高强度与高韧性的超高强度与高韧性, 能生产能生产薄壁、细长、大跨等新颖形式的预制构件薄壁、细长、大跨等新颖形式的预制构件, 可大幅度缩短可大幅度缩短工期和降低工程造价。工期和降低工程造价。4 RPC的发展和应用前景的发展和应用前景(2) 钢钢 混凝土组合结构混凝土组合结构。众所周知众所周知, 钢筋混凝土的最大缺点钢筋混凝土的最大缺点是自重大是自重大, 一般的建筑中结构自重为有效荷载的一般的建筑中结构自重为有效荷载的 810 倍。

14、而倍。而用用无纤维无纤维 RPC 制成的钢管混凝土制成的钢管混凝土,具有极高的抗压强度、弹性具有极高的抗压强度、弹性模量和抗冲击韧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用它制作高层或超高层建筑的结构构件, 可可大幅度大幅度减小截面尺寸和结构自重减小截面尺寸和结构自重, 增加建筑物的使用面积与美增加建筑物的使用面积与美观。因此观。因此RPC 钢管混凝土构件有着广阔的应用前景。钢管混凝土构件有着广阔的应用前景。(3) 特殊用途的构件特殊用途的构件。RPC 的的孔隙率极低孔隙率极低, 具有超高抗渗性及具有超高抗渗性及良好的耐磨性良好的耐磨性, 不但能够防止放射性物质从内部泄漏不但能够防止放射性物质从内部泄漏, 而且能够而且能够抵御外部侵蚀性介质的腐蚀抵御外部侵蚀性介质的腐蚀, 可以用于可以用于生产核废料储存容器和生产核废料储存容器和