RPC活性粉末溷凝土研究

1、第一章  绪  论随着社会科技得告诉发展，混泥土技术也得到了广大发展，高性能混泥土的应用也越来越广泛。然而，材料具有优异的性能不仅取决于其组分的质地，还要取决于另外一个关键因素：致密，均匀的内部结构。作为非匀质多孔的混泥土材料，其性能的提高更有赖于其匀质性的改善和孔隙率的降低。活性粉末混泥土（Reactive Powder Contrete，缩写为RPC）是续高强度，高性能混泥土之后，于二十世纪末由法国布伊格（Bouygues）公司研究成功的一种超高强、低脆性、耐久性优异并具有广阔应用前景的新型超高强混泥土。它是由级配良好的石英细砂（不含粗骨料）、水泥、石英粉、硅粉、高效减

2、水剂等组成，为了提高RPC的韧性和延性可加入钢纤维。在RPC的凝结、硬化过程中可采取适当的加压、加热等成型养护工艺。由于其成分中粉末的含量和活性的增加而被称为活性粉末混泥土。1998年8月，在加拿大召开的高性能混泥土及活性粉末混泥土国际研讨会上，就RPC的原理、性能和应用进行了广泛而深入的讨论。与会专家一致认为：作为一类新型混泥土，RPC具有广泛的应用前景。在这短短的几年里，活性粉末混泥土在国际上得到了广泛的应用。法国一核电站采用活性粉末混泥土为冷却系统生产了2500多根大小梁（耗用混泥土823m3）、生产了打量核废料储存容器；在加拿大Shwrbrooke建造了一座跨径60m、供行人和自行车通

3、行的桥梁，以抵抗当地冬季零下30度反复洒除冰盐的严酷环境条件的侵蚀。通过这些工程应用，初步显示出活性粉末混泥土良好的使用性能、简便的生产和施工工艺，因而具有广阔的发展前景。不过在国内，活性粉末混泥土还在研究阶段，真正被用在工程上的很少。在深圳，道路上的铸铁井盖被盗现象严重，考虑用活性粉末混泥土做成雨水井盖代替铸铁雨水井盖是一个很有意义的课题。活性粉末混泥土具有如此之高的抗压、抗折强度可以有效地减少结构物地自重，而且由于较高的密实性使它的渗透性降低，其耐久性也得到了保证。所以，活性粉末混泥土是做雨水井盖的一种理想材料。与普通混泥土相比较，活性粉末混泥土可以减少材料用量，降低建筑成本，节约资源，减

4、少生产、运输和施工能耗。采用活性粉末混泥土将对改善和保护人类环境作出巨大的贡献。1.1 RPC的配制原理a应用消除缺陷的指导思想选择骨料品种在普通混泥土中，水泥石和集料的弹性模量不同，当应力、温度发生变化时，致使界面处形成细微的裂缝；另外，在混泥土硬化前，水泥浆体中的水分向集料表面迁移，在集料的表面形成一层水膜，从而在硬化的混泥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。因此，混泥土在承受荷载作用以前，界面就充满了微裂缝。收到荷载作用以后，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，

5、在配置RPC时剔除了普通混泥土中所采用的粗骨料（碎石，卵石等），而采用最大粒径小于600um，平均粒径为250um的细石英砂，可以取得以下三方面效果：（1）减小内部微裂缝宽度。混泥土收到荷载作用后，微裂缝宽度和被水泥浆包围的颗粒直径成正比；在RPC中，颗粒的直径减小了50倍，可以极大地减小由力学（外荷载）、化学（内收缩）、加热养护（由于砂浆和骨料的膨胀率不同）引起的微裂缝的宽度。（2）改善水泥石的力学性能。RPC的杨氏模量超过50GPa，在其最密实状态时可达到75GPa，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RPC中，水

6、泥浆体积比松堆砂子的孔隙要大20左右，砂子在RPC中不能构成骨架，而只是一种被水泥浆体包裹的、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。b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（1），当大小均匀的球形颗粒粉末倒入容器时，即使进行面心立方或六方密堆排列，堆积密度也较低，一般小于74。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，最高振实密度也只能达到62.8。为了提高堆积密度，常在较大的均一的颗粒之间加入细小的颗粒，先是粒径最大的球体堆积成最密填充，剩下的孔隙依次由小直径的球体填充下去，使球体间的孔隙减小，从而达到最大密实状态。在制备

7、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150600um之间，平均粒径为250um的石英砂；粒径范围为80100um的水泥；平均粒径为0.10.2um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泥土凝结前和凝结期间加压。这一措施有三方面的效果：其一，加压数秒就可以有效地消除或减少气孔；其二，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派出；其三，如果在混泥土凝结期间始终保持一定压力，可以消除由于材料化学收缩引起的部分孔隙。c掺入微钢纤维增大RPC韧性未掺钢纤维的RPC收压应力应变曲线呈线弹性变化，破坏时呈

8、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0.15mm，长度为312mm，体积参量为1.53.0。对于在250以上温度养护的RPC800,其力学性能（抗压强度和抗拉强度）的改善是通过掺入更短（长度小于等于3mm）且形状不规则的钢纤维来获得。1.2RPC的研究及应用现状国外对RPC 配制技术的研究已较成熟,其中包括对RPC的材料、配比、养护条件、耐久性和强度等方面进行了大量的试验研究,结果表明由于RPC 具有较好的匀质性及密实度,其抗压强度和耐久性均有较大幅度地提高,并研究了养护条件对RPC 力学性能的影响,以确定合适的养护条件;以及对RPC 的微观结构进行了

9、研究,揭示其高强度及高耐久性的工作机理;并对RPC 制成的放射性核废料储藏容器的性能进行了研究,指出RPC 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,是制备新一代核废料储存容器的理想材料。另外,由于它的良好耐磨性能和低渗透性,可以用于生产各种耐腐蚀的压力管和排水管道。目前,国外对RPC 的研究重点已由基本性能转到了构件及结构的设计方法上,以求将这种超高性能混凝土尽快在结构应用中推广,相关工作正在进行,还没有形成系统的研究成果,更没有涉及到RPC 结构的抗震及抗火性能。RPC 在国外已有不少工程实例,主要制品包括:法国BOUYGUES公司与美国陆军工程师团合作，进行了R

10、PC制品的实际生产。F·de LARRARD提出基于最大密实度理论的固体悬浮模型（SSM），进行了RPC配合比设计。美国CPAR计划及法国与美国陆军工程师团合作生产的RPC制品包括：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。预应力混凝土梁中由RPC材料承受剪切力，可完全取消附加的抗剪配筋，而且可以减少梁的截面和配筋量；采用RPC的压力管道提高了工作压力，而且大大增强了对侵蚀性介质的抗侵蚀能力；用RPC制备的固体肥料储存容器可长期储存中、低放射性肥料，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 ,

11、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。国内近几年才开始RPC 的研究,目前还没有工程应用实例。与国外采用水泥- 硅粉两组分胶凝材料不同,国内研究者结合我国H

12、PC 的制备技术及经验,选择了水泥- 粉煤灰- 硅粉三组分胶凝材料体系。文献对RPC 的基本性能进行了较为系统的试验,主要考察了水胶比、粉煤灰、硅粉和钢纤维掺量对RPC 流动性和强度的影响,同时对养护温度、养护时间、凝结时间和开始热养护时刻对RPC 强度的影响进行了研究。研究结果表明: 粉煤灰的加入, 在极低水胶比(0.16) 的条件下,使混凝土工作度与成型密实程度得到明显改善,通过适当时间的热养护处理,可以获得与水泥硅粉两组分胶凝系统相当强度和其他性能的效果。为将RPC 实际应用,进一步开展了搅拌设施、高频振捣与脱模剂的试验研究,发展RPC 的原材料选择、制备技术及生产工艺,这是它能够在短短

13、几年里就在国外工程建设领域里获得应用的关键。文献对RPC 的本构关系进行了试验研究,并与HPC 和OC 进行了比较,结果表明:RPC 的极限压应变为HPC 的23 倍。从结构抗震角度来看,这比具有极高的抗压强度更为重要。在具有相同抗弯能力的前提下,采用RPC 结构重量仅为普通钢筋混凝土结构的1/ 21/ 3 ,大大减轻了结构自重;同时,在未经加压成型、标准养护条件下,其抗压强度仍可达170MPa230MPa。总体上讲，我国在超高强混凝土的研究与应用方面与国际上的差距还不小，其中的原因主要有以下几点：（1）国产的减水剂质量差。高效减水剂是配制高强混凝土必不可少的成分，其质量的优劣直接影响到混凝土

14、的性能。目前国产萘系合成高效减水剂减水率为1822，普通减水剂为810，而日本产的聚丙烯酸系高效减水剂减水率高达35，普通型达15。当减水剂的减水率超过30时，只用高效减水剂及普通硅酸盐水泥即可配制C100以上的超高强混凝土。因此，研制优质的高效减水剂对我国超高强混凝土技术的发展时极其重要的。（2）高标号水泥应用较少。提高水泥标号，混凝土强度可随之提高，而我国生产高标号水泥的技术水平有限，目前配制高强混凝土主要使用525号水泥，625号以上的水泥很少采用，限制了混凝土强度的提高。（3）高强混凝土的脆性较为严重，影响了它在工程中的应用。从文献4可知，在RPC中掺加钢纤维或用钢管对RPC施加侧向约

15、束，可使RPC的极限应变达到普通混凝土的23倍，有效地解决了高强混凝土脆性严重的问题，尤其是钢管约束的方法，必要时还可施加沿钢管轴线方向的预应力，不仅效果好，而且价格低廉，非常适合在工程实践中推广应用。（4）硅灰价格昂贵，使利用硅灰配制超高强混凝土的方法在工程应用中受到限制，因此，寻找价廉质优的活性掺料来替代硅灰，就显得十分重要。（5）养护制度不完善，影响了混凝土强度的提高及其应用。文献研究指出:热养护有利于提高RPC 的抗压强度,对相同配比的RPC ,高温(250 ) 养护的混凝土抗压强度最高,热养护(90 ) 次之,标准养护最低,相差达30MPa 以上,而且养护制度对不同掺合料混凝土的强度

16、影响也不同。目前,工程实践中由于技术水平及价格等因素的限制,对养护制度的重视普遍不足,这对超高强混凝土的强度及耐久性提高十分不利,在今后的研究与应用中应给予足够的重视。1.3RPC应用与研究中存在的问题为了降低RPC的生产成本及改善其工作性能，掺入粉煤灰后RPC拌合物的流动度有较大的提高，但在掺入量较大时，随粉煤灰掺量的增加，拌合物流动度提高的幅度并不明显。随着拌合物粉煤灰掺量的增加，拌合物的粘稠性有很大的改善，在振捣过程中有较多的气泡逸出，拌合物的工作性能得到改善，减少RPC中的孔隙等缺陷。并且在此过程中，RPC的抗折性能也有一定影响，这是由于掺入粉煤灰后拌合物的粘性降低，包裹在里面的气泡比

17、较容易逸出，减少了RPC中的缺陷从而提高了RPC的抗折强度。但就目前而言，活性粉末混泥土存在的主要问题，是由于超低水胶比而使它的自身收缩明显加大、采用热养护的影响较显著等，因而只适于预制生产，而不能现浇，在结构工程中的应用受到限制。1.4RPC的发展趋势综上所述,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

18、,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

19、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。(4)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。(5)RPC的高密实性与良好的中作性能，使其与模板相结触的表面具有很高的光洁度，外界的有害介质很难侵入到RPC中去，而且RPC中的着色剂等组分也不易向外析出，利用这一特点可作建筑物的外装饰材料。1.5本文研究的主要问题针对RPC的特性和存在的主要问题，本文着重研究

20、了在不同硅灰参量，不同用砂粒径，不同钢纤维参量与品种以及不同的养护条件下活性粉末混泥土不同的力学性能及耐久性。由于现实生活中的井盖通常用铸铁制造，且由于铸铁本身具有再利用价值，因此社会上经常出现井盖丢失，平坦大道时有馅井出现，因此造成人仰车翻，成为全国一大公害的情况。而活性粉末混泥土的种种性能显示出其代替球墨铸铁做成井盖的可能性，一旦试验研究成功，由于RPC井盖具有不可回收的特点，且成本大大降低，这将给社会经济及治安带来积极的因素。本文做了用活性粉末混泥土做成井盖的探索性试验，取得了一定成绩。活性粉末混凝土耐久性研究（3）作者:单位: 2007-3-28关键字:摘要:第三章 RPC的

21、强度的影响因素及性能研究 配制出满足强度、耐久性和工作性的超高强混凝土，除了选择优质的原材料外，适当的配合比也是重要的考虑因素之一。因此考虑了诸如硅灰掺量、粉煤灰掺量、钢纤维品种、钢纤维掺量、砂的颗粒级配等因素对RFC性能的影响。 3.1 硅灰的参量对RPC性能的影响 硅灰作为配制超高强混凝土的理想矿物掺和料，有着其他矿物掺和料所无法比拟的优点。在活性粉末混凝土中，硅灰主要有三个作用：（1）填充不同粒径颗粒之间的孔隙；（2）由于硅灰颗粒具有良好的球形，起到很好的润湿作用从而提高流变特征；（3）硅灰具有高活性，起到第二次水化作用。 当胶凝材料中硅灰与水泥以何种比例共存时，硅灰能发挥最佳

22、的填充作用，同时能最大限度地与水泥水化产物进行第二次水化反应，从而得到最好的活性粉末混凝土综合性能，则是配制中因考虑的问题。试验中考察了硅灰掺量对活性粉末混凝土性能的影响，原材料配制如表3.1所示。在试验的过程中我们可以发现：（1）硅灰的掺入可以影响拌合物的流动性能，当硅灰掺量为5时，拌合物的扩展度比未加硅灰时降低的最为明显，而随着硅灰掺量的增加，扩展度降低的幅度越来越小。因为硅灰是比表面积达20m²/g的粒子，其本身的需水量是相对大的，因此随着硅灰的加入，拌合物粘性增加，流动性下降。  （2）从图3.1和3.2可以发现，对于蒸汽养护，加入5的硅灰可以很大程度上提高抗折强度

23、，比未加硅灰提高了约52，但随着硅灰掺量的继续增加，抗折强度的变化不大；而对于标准养护，加与不加硅灰对抗折强度的影响并不是很大。第5个数据由于试件已经先断，故强度较低。  （3）从图还可以看出，掺与不掺硅灰，试件的抗压强度相差比较大。对于蒸汽养护和标准养护，掺5的硅灰比未掺硅灰试件的抗压强度分别提高了约11.5和6.5。因此，配制活性粉末混凝土时，硅灰对强度的贡献率是其他材料所无法替代的，可以认为硅灰是活性粉末混凝土不可缺少的重要组分。  3.2 钢纤维掺量对RPC性能的影响  普通混凝土抗拉强度与抗压强度之比非常低，表现为很大的脆性，而在普通混凝土中经

24、常使用钢筋来弥补普通混凝土的这方面的不足；从已有的实验结果表明，活性粉末混凝土的抗拉强度与抗压强度之比一般为1/8左右，与普通混凝土相比已有很大的提高，但仍然表现为很大的脆性，而通常采取在活性粉末混凝土中加入钢纤维来提高其韧性。在活性粉末混凝土中加入钢纤维，能起到较好的增强、增韧作用，但同时又大幅度提高了活性粉末混凝土的配置成本。为此，试图通过试验来寻找钢纤维掺量的活性粉末混凝土在性能和成本上理想结合点，表3.3为钢纤维掺量对活性粉末混凝土性能影响的配合比。在试验的过程中我们可以发现：  （1）随着钢纤维掺量的增加，活性粉末混凝土的流动性下降，主要是由于随着钢纤维掺量的增加，需要包裹

25、钢纤维的水泥浆体增加，使得流动性下降。  （2）随着钢纤维掺量的增加，无论是蒸汽养护还是标准养护，活性粉末混凝土的抗折强度都有不同程度的提高，当钢纤维掺量为4和6时，蒸汽养护的抗折强度分别比未掺钢纤维的提高了147和170，而标准养护的28天抗折强度分别比未掺钢纤维的提高了136和165。在实验中发现，除了不掺钢纤维的试件在抗折是被折断外，其他掺了钢纤维的试件在抗折时试块不会完全折断，而表现出很高的韧性。  （3）随着钢纤维掺量的增加，无论是蒸汽养护还是标准养护，活性粉末混凝土的抗压强度也有较大提高。当钢纤维掺量为4和6%时，蒸汽养护的抗压强度分别比未掺钢纤维的提高了23.7和43.1，而掺8的钢纤维后抗压强度达到167.79MPa。对于标准养护28天的试件，掺4和6%钢纤维的抗压强度分别比未掺钢纤维的提高了21.4和32.8，而掺8的钢纤维后抗压强度达到135