活性粉末混凝土介绍

活性粉末混凝土介绍1.概述活性粉末混凝土RPC(ReactivePowderConcrete)是由法国Bouygues实验室于1993年提出的一种具有高抗压强度、高耐久性及高韧性、低孔隙率的新型水泥基复合材料，由于提高了组分的细度和反应活性，因此被称为活性粉末混凝土。1998年8月在加拿大Sherbrooke召开的高性能混凝土与活性粉末混凝土国际研讨会上，就RPC的原理、性能和应用进行了广泛的讨论，与会专家一致认为：作为一种新型混凝土，RPC具有广阔的应用前景。RPC是由级配石英细砂(不含粗骨料,粒径小于1mm)、水泥、石英粉、硅灰、高效减水剂及钢纤维组成，在凝结、硬化过程中可采取适当的成型养护工艺如加压、加热而获得的。其配制原理是基于最大密实度理论，即通过提高组分的细度与活性，使材料的内部缺陷(孔隙与微裂缝)减小到最少，以获得由其组分材料所决定的最大承载力及非常好的耐久性。其优异的力学及物理性能是普通混凝土甚至高性能混凝土都无法相比的。RPC按抗压强度的高低可分为RPC200和RPC800两个强度等级。RPC200的强度虽然远低于RPC800，但由于RPC800需要特殊的成型和养护条件（加压成型、加热养护），故RPC200具有更大的应用潜力，且RPC200具有30~60MPa的抗折强度，能有效克服普通高性能混凝土的高脆性[4]。与高性能混凝土HPC(HighPerformanceConcrete)相比，RPC材料的显著特点是强度高、韧性大和耐久性好。表1.1为RPC（活性粉末混凝土），HPC（高性能混凝土）和NC（普通混凝土）的主要力学性能与耐久性的比较。从表中可以看出，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，故有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30~60MPa，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。表1.1RPC、HPC、NC的主要力学性能与耐久性的比较项目RPC200RPC800HPCNC抗压强度（MPa）170~230500~80060~10020~50抗折强度（MPa）30~6045~1406~102~5弹性模量（GPa）40~6065~7530~4030~40材料断裂韧性（kJ/m2）20~401.2~20.140.12氯离子扩散系数（m2/s）0.02x10-12/0.6x10-121.1x10-12冻融剥离（g/cm2）7/900>1000吸水特性(kg/m3)0.2/0.42.7磨耗系数1.3/2.84.0抗压比强度(MPa/kg)0.071-0.0950.208-0.3330.025-0.0420.008-0.021注：RPC按抗压强度的高低可分为RPC200和RPC800两个等级。2RPC研究现状2.1RPC配置技术国外很早就开展了RPC材料配置技术的研究，通过对RPC材料选择、配合比、养护条件和耐久性能等方面大量的试验研究，目前其配置技术已相对完善。我国在活性粉末混凝土的研究方面起步较晚，但进步很快。近年来，国内众多高校先后开展了有关RPC材料方面的研究工作。湖南大学黄政宇教授等开展了200~300MPa活性粉末混凝土的配制技术研究，并研究了养护制度对活性粉末混凝土(RPC)强度的影响研究。北方交通大学闫光杰等开展了RPC高频振捣、搅拌设施和脱模剂等方面的试验研究，并对RPC材料选择、生产及制备工艺进行了探讨，为活性粉末混凝土在土木工程中的应用创造了条件。福州大学吴炎海等进行了活性粉末混凝土(RPC200)的配制试验，并分析了水胶比、砂胶比、减水剂掺量、硅灰与石英粉比等参数对RPC流动度以及抗折、抗压强度的影响。目前，全部采用国产材料、普通的施工成型工艺和热养护条件即可配制出强度超过160MPa的活性粉末混凝土。2.2RPC物理力学性能在完善RPC材料生产和制作技术的基础上，国内外对RPC的抗压强度、抗拉强度、断裂、疲劳、收缩徐变、冲击等性能开展了研究。1996年，Dallaire对约束RPC的力学性能开展了研究。1999年，Karihaloo对加入短纤维后的RPC材料开展了力学性能研究。2002年，Ple对RPC的双向拉伸性能进行了试验研究，得到了材料在双向拉伸时的力学性能。2003年，Bayard通过理论与实验相结合的方式对RPC材料断裂力学性能进行研究。2004年，Acker进行了超高性能混凝土收缩徐变性能试验研究，结果表明热养护后UHPC的徐变系数不到0.2，且基本没有收缩。2005年，Lee对RPC与钢筋的粘结力以及粘结的耐久性能开展了研究；Graybeal对RPC的受压、受拉性能开展了试验研究。2006年，Kuznetsov对RPC在冲击荷载下的强度和韧性开展了实验研究；Fujikake通过RPC拉伸实验，对其应变速率进行了研究。湖南大学黄政宇等通过实验研究提出了RPC轴心受压本构关系，并开展了RPC动力性能方面的研究。福州大学周瑞忠等通过对RPC的断裂与疲劳性能的深入研究，提出了RPC疲劳强度计算方法。中南大学龙广成等对RPC的收缩、力学性能进行了研究[28]。北京交通大学余自若等探讨了RPC的断裂性能、疲劳强度与疲劳后剩余抗压强度，建立了疲劳寿命方程。东南大学孙伟等对RPC的单轴受压力学性能、断裂与动态力学性能进行了研究。武汉大学刘数华等对超高强混凝土RPC的尺寸效应进行了研究。从上述文献可以看出，目前国内外对RPC的拉压强度、断裂性能、疲劳强度、收缩徐变以及冲击荷载作用下的强度和韧性等方面研究日趋完善，这为RPC构件的研究打下了良好的基础。2.3RPC构件及结构性能研究在RPC构件及结构性能研究方面，国内外也进行了一些研究，主要集中在对RPC构件及结构抗弯、抗剪和抗震性能等方面的研究。2001年，美国联邦高速公路管理局（FHWA）对配置预应力的24m长RPC梁开展了试验研究，虽然试验梁中未配置任何普通钢筋，但在试验中RPC梁表现出优异的力学性能。2003年，Voo、Foster等对7根预应力RPC无腹筋梁进行了抗剪强度的试验研究，研究了钢纤维种类、掺量及预应力变化对抗剪强度的影响。2004年Sameer对4根UHPC梁不同养护条件下的早期收缩、徐变和预应力的传递长度等性能进行了试验研究。2005年，Graybeal对4根采用UHPC的AASHOTypeII梁进行了受弯和抗剪性能试验研究。2006年，Fujikake等通过落锤击打试验对不同落锤高度下RPC梁的击打反应进行了研究分析，并在击打试验的基础上通过静力弯曲试验对RPC梁的残余承载能力进行评估。2008年，Adnan等通过6根无箍筋RPC正方形柱的轴心和偏心受压破坏实验，研究了无箍筋RPC柱的力学性能。2010年，Adnan等通过17根外包裹碳纤维板的RPC柱轴心和偏心压弯试验，探讨了不同钢纤维含量下RPC柱的强度、轴向变形、侧向变形以及破坏模式。近年来，国内对RPC构件及结构开展了众多的理论分析和实验研究，主要成果有：闫光杰等对铁路桥梁用空心无配筋活性粉末混凝土人行道板进行了抗弯试验研究,探讨了其受力变形性能。闫志刚等对两片RPCT形梁（跨度为20m，梁高1.35m）进行三点静力加载试验，测试了梁体的跨中下翼缘的拉应变随荷载的变化情况，并对跨中截面承载力进行了全过程分析。张明波等基于7组RPC梁（梁长2m，高0.19m，截面为矩形和T形）的三分点破坏加载试验，分析了不同纵向配筋率PRC梁的荷载-挠度全曲线、破坏形态以及极限荷载。高日等对RPC无筋梁的静力特性进行了试验研究，并分析了截面变形、荷载位移关系、破坏形态、裂缝分布、裂缝扩展和极限抗弯能力。张彦玲等对钢-活性粉末混凝土简支组合梁正截面破坏模式和极限承载力进行了数值分析研究，确定以临界开裂状态作为钢-RPC组合梁的正截面破坏模式，并推导了极限承载力计算公式。余自若等通过有限元对活性粉末混凝土箱梁剪力滞效应进行了分析，指出预应力活性粉末混凝土箱梁具有一定的剪力滞效应,剪力滞系数在1.0~1.1之间，大于同等条件下普通混凝土箱梁，且预应力对剪力滞效应的影响不大，仅在梁端部区段略有增大。黄栋对预制拼装的RPC桥墩进行了结构设计理论和受力性能等方面的研究，指出桥墩在应用RPC材料后运营使用阶段的养护维护费用大大降低。赵冠远等基于4个小比例RPC矩形截面柱的低周水平反复荷载试验,研究了RPC配筋柱的骨架曲线、滞回曲线、延性性能以及破坏机理。周轶峰等对活性粉末混凝土预制桥墩进行了设计研究，通过算例与传统结构进行了比较，指出RPC预制拼装桥墩具有很高的工程应用价值和广阔的市场前景。许丽娜等对RPC双柱式箱型桥墩的抗震性能进行了数值研究，指出RPC桥墩相对于普通混凝土桥墩具有更优的抗震性能。郝文秀等进行了5个大比例尺寸活性粉末混凝土空心矩形桥墩试件拟静力试验，通过对各试件延性性能、滞回特性、破坏形态和耗能能力的研究，分析了纵向配筋率、配箍率、剪跨比等因素对试件延性受力性能的影响，并提出了活性粉末混凝土空心桥墩退化双线性恢复力模型。方志等分别对配置普通钢绞线预应力筋和CFRP预应力筋RPC梁的受弯性能、抗剪性能进行了系统研究，提出了RPC的本构关系、预应力RPC梁抗弯承载能力、抗剪承载力以及裂缝宽度和挠度的设计计算公式。王飞等以主梁的应力和结构的刚度为控制目标，参考一座主跨200m的预应力普通混凝土连续刚构桥，拟定了一座等跨度的RPC连续刚构桥，讨论了不同主梁材料对大跨度连续刚构桥静力、稳定以及抗震性能的影响。杨吴生等对钢管RPC短柱、中长柱进行了轴压试验研究，分析了套箍指标、加载方式等对钢管活性粉末混凝土轴心受压时荷载-变形曲线的影响，并推导了极限承载力计算公式。吴炎海等对钢管RPC短柱进行了轴压试验，分析了破坏特征和影响极限承载力的主要因素。马远荣等对活性粉末混凝土预应力叠合梁进行了抗剪强度试验研究，并建立了符合活性粉末混凝土无粘结预应力叠合梁抗剪强度试验结果的两个公式。郑文忠等分别对钢筋活性粉末混凝土简支梁和GFRP筋活性粉末混凝土梁的受力性能进行了试验研究，建立了考虑两类梁截面受拉区拉应力贡献的正截面承载力计算公式和反映两类梁自身受力特点的刚度及裂缝宽度计算方法。邵旭东等通过足尺条带模型静载试验对正交异性钢板－薄层RPC组合桥面基本性能开展了研究，结果表明该新型钢－薄层RPC组合桥面结构可提高桥面系的刚度，降低钢桥面结构中的应力，从而能够基本消除钢桥面疲劳开裂的风险。从上述文献可知，目前RPC构件及结构理论分析主要集中在大跨RPC连续刚构性能研究、RPC箱梁剪力滞效应、RPC桥墩概念设计以及抗震性能分析；试验研究主要集中在RPC构件抗弯、抗剪、钢管RPC短柱以及RPC与钢板组合结构等方面的研究，对于RPC构件抗震也有学者也开展了试验研究，并提出了RPC空心桥墩退化双线性恢复力模型，但试验为无轴力情况下的低周反复荷载试验，并不能反映桥墩的实际受力情况。2.4RPC工程应用RPC自上个世纪90年度问世以来，一直为国内外工程界所关注，但应用在实际工程中还比较少，目前国外比较有代表性的工程应用实例有：1997年建成的加拿大sherbrooke人行桥。该桥跨度为60m，是世界上第一座采用预应力超高性能混凝土RPC修建的大型结构(图1.1)。2002年在韩国首尔建造了一座120m人行桥--和平桥，该桥由6段拼装而成，全桥RPC用量仅240吨，未配非预应力筋(图1.2)。Shepherd’sGullyCreekBridge是澳大利亚新南威尔士的一座包括4车道和人行道的桥梁，该桥跨径15m，宽21m。尽管该桥使用的超高性能混凝土单价比普通混凝土要高，但该桥的总费用只比同类型普通混凝土桥的总费用高约10%。2006年建成的WapelloCountyMarsHillBridge是美国第一座高等级RPC简支梁桥。该桥获2006年度波特兰水泥协会(PortlandCementAssociation)桥梁奖，被誉为开创“未来桥梁”的重要一步(图1.3)。国内在RPC工程应用方面尚处于起步阶段，目前仅在迁曹铁路滦柏干渠大桥中采用RPC材料修建了20m跨径的后张法预应力简支T型梁。此外，北京交通大学基于RPC材料和结构性能研究，设计了铁路桥梁中常用的无配筋RPC空心板、T梁、槽梁和小箱梁，其中部分RPC制品已经应用于实际工程中，如已通过铁道部验收并在青藏铁路多年冻土区桥梁上使用的RPC桥梁人行道构件和北京市五环路石景山转体斜拉桥无配筋RPC空心板隔离带。综上所述，目前国内外对RPC材料在工程实践中的应用研究较少，发表的相关文章也极为有限，而对本文所提出的RPC在混凝土斜拉桥结构体系方面的研究和应用迄今国内外尚未见相关的文献报道。因此，可以说目前国内外超高性能混凝土在工程结构中的应用研究尚处于起步阶段。图1.SEQ图1.\