新型混凝土及其施工技术;活性粉末混凝土

ReactivePowderConcrete

活性粉末混凝土

活性粉末混凝土是根据“高致密水泥基均匀体系”模型，将粗骨料剔除，掺用活性矿物掺和料配制的一种超高强新型水泥基复合材料。

RPC结合了超细粒聚密材料设计理论与纤维增强技术，是由超细活性粉末、水泥、优质细骨料、高强度纤维等组分，通过最优化级配设计，经高温热合等特定工艺制备而成的复合材料。具有高强度、高韧性、高耐久性和高体积稳定性等特点。

ReactivePowderConcrete（RPC）isakindof

modernversioncement-basedcompositematerialsofsuperhighstrengthwhichisdevelopedbyeliminatingthecoarseaggregateandmixedwithreactivemineraladmixtureaccordingtothemodelofclosepackingcement-basedevensystem.1、概况活性粉末混凝土（ReactivePowderConcrete，国际通称RPC）是法国BOUYGUES公司于1993年率先研发成功的一种新型高强混凝土材料，此后它与美国陆军工程师团合作，相继研制了核废料存储容器、高压力管道和大跨度预应力混凝土梁等，充分展示了这一新型材料的技术优势。RPC问世后，受到国际混凝土学界的高度关注。加拿大于1994年在RPC配合比研究的基础上开始进行工业性试验，使用200MPa级RPC建成魁北克省Sherbrooke市Magog河上长度60m的桁架桥。近年来还有报道介绍，日本、挪威将其应用于海洋工程，大幅度提高构件的抗腐蚀能力，法国、韩国等应用RPC制作了高强覆面板和冷却塔内部结构以及储水槽、沉箱等。中国高铁是目前全球RPC技术推广应用的最大市场。2004年RPC人行道步板在青藏铁路上试验性应用，2005年RPC电缆槽盖板在北京五环路丰台公铁立交桥上试验性应用，2007年在襄渝铁路二线山区桥梁上示范应用，2008年在郑西客运专线上示范应用。

2009年3月，在试验性应用和示范应用基础上，结合在技术标准、通用图集等方面配套工作的进展，铁道部决定在我国全部客运专线建设中全部采用RPC替代普通混凝土制造路基桥梁电缆槽盖板，实现了该技术在全世界的首次大规模应用，使得我国在RPC大批量生产工艺技术方面走在了国际前列。根据其组成和热处理方式的不同，其抗压强度可以达到200MPa至800MPa；抗拉强度可以达到20MPa至50MPa；弹性模量为40GPa至60GPa；断裂韧性高达40000J/m2，是普通混凝土的250倍，可与金属铝媲美；氯离子渗透性是高强混凝土的1/25，抗渗透能力极强；300次快速冻融循环后，试样未受损，耐久性因子高达100%；预应力活性粉末混凝土梁的抗弯强度与其自重之比接近于钢梁。RPC在工程结构中的应用可以解决目前的高强与高性能混凝土抗拉强度不够高、脆性大、体积稳定性不良等缺点，同时还可以解决钢结构的投资高、防火性能差、易锈蚀等问题。

RPC的强度等级可分为200MPa级、500MPa级和800MPa级。其中200MPa级RPC已在工程中应用，500MPa级RPC尚处在试验室研究阶段，800MPa级RPC则处在试验室试配阶段。从工程应用角度来看，RPC有以下的优点：RPC可有效减轻自重。RPC具有很高的抗压强度和抗剪强度，在结构设计中可以采用更薄的截面或具有创新性的截面形状，从而使结构自重比普通混凝土结构轻得多。可大幅度提高结构物的耐久性。减小了界面过渡区的厚度与范围大大减小，骨料粒径的减小，自身存在缺陷的机率和整个基体的缺陷也减少。结构密实，孔隙率极低，它不但能阻止放射性物质从内部泄漏，也能够抵御外部侵蚀性介质的腐蚀，从整体上提高了体系均匀性、强度和耐久性。采用RPC设计的构件，可以极大地减少箍筋和受力筋的用量，甚至可以不设置箍筋。RPC结构的高耐久性极大地减少或免除了维护费用，延长了使用寿命，因而具有很高的性能价格比。RPC材料的高韧性和结构自重的减轻有利于提高结构的抗震和抗冲击性能。RPC材料的耐高温性、耐火性以及抗腐蚀能力远远高于钢材。

由上述优点可以看出，采用RPC材料可以延长结构寿命，免除维护费用，降低工程建设和使用的综合造价。2、RPC材料的技术性能

突出技术性能主要表现在硬化体的高强度、高韧性、高耐久性，拌合物的良好施工性能，原材料组成的环保性能。1）力学性能：按抗压强度分为200MPa、500MPa和800MPa三个等级。不同强度等级的RPC所用原材料与生产工艺较差异大。RPC材料同HPC相比，显著的特点是强度高、韧性大，抗拉强度尤为高。200MPa级RPC材料的抗压强度为170-230MPa，是高强混凝土的2-4倍，同时具有很高的变形能力。抗折强度为20-40MPa，是HSC的4-6倍，掺入纤维后拉压比可达1/6左右。该级别的RPC材料断裂韧性高达20000-40000J/m2，比OPC与HSC高出100倍，可与金属铝媲美。

Canada的工业化试验表明：优选的地方材料通过混凝土搅拌车或固定搅拌机可生产200MPa级RPC材料。2）耐久性能

加拿大Quebec省Sherbrooke市中心的世界上第一座RPC结构桥梁（行人/自行车桥）所用的200MPa级RPC材料耐久性试验表明：F300(最高温度4℃、最低温度-18℃、温度变化速度6℃/h)后，试样未受损，耐久性因子高达100%；F600后RPC试件的动弹性模量无损失、质量无损失。RPC板的50次含除冰盐的冻融试验结果，重量损失率平均低于8g/m2，而Quebec省的允许标准为600g/m2，故可忽略；测定的氯离子渗透性在6-9库仑间波动，而30MPa的OPC氯离子渗透性为5000库仑、80MPa的HPC氯离子渗透性约为500库仑，由此可见它的抗渗透能力非常好，能有效地阻止有害介质的侵入。3）施工性能

RPC拌和物不仅流动性好，而且粘聚性良好，在运输、浇注和捣实过程中不发生离析现象。在窄小的模板内和钢筋间隙的通过性能良好，浇注后不需要振捣。工艺流程：RPC采用预制方式进行生产，工艺流程如下：4）环保性能

RPC材料所制成的构件截面尺寸可等同于钢结构构件。

表1给出了同等承载力条件下30MPa引气型OPC、60MPa的HPC及RPC材料的等效体积、水泥用量、生产水泥过程CO2排放量及骨料用量。可见同等承载力条件下，RPC材料的水泥用量为OPC和HPC的1/2左右，其生产过程中不可再生的自然资源骨料的用量仅为HPC和OPC的1/3到1/4。品种30MPa引气型混凝土60MPa级HPC200MPa级RPC等效体积（m3）12610033水泥用量(t)444023CO2排放量(t)444023骨料用量(t)23017060表1同等承载力条件下不同混凝土材料的生态性能比ІThePrincipleTheoryofReactive

PowderConcrete1.highcompactcement-basedevensystem

Mixingsmallergranuleintorelativelybiggerandevengranuleaccordingtotheacademicmodelofmaximalclosepacking;Eliminatingcoarseaggregatetoenhancetheuniformity.CoordinatingverylowW/B,RPCformedclosestructure

高致密水泥基均匀体系采用最大密实堆积理论模型，在较大的均一颗粒之间加入较小的颗粒；剔除粗骨料，提高基体的匀质性和胶结面积。配合很低的水胶比共同构建密实结构。2.Microcosmicreinforcedtheory

Accordingto“centriolehypothesis”broughtforwardbyAcademicianZ.W.Wu，asthewatertobinderratioofreactivepowderconcreteisverylow,therearemorepowdermaterialsandunhydratedgranuleinconcrete.Thespacebetweencentrioledecreases,andeffectofcentrioleenhances.

微观增强理论根据吴中伟院士提出的中心质假说，活性粉末混凝土水胶比极低，粉体材料和未水化颗粒较多，中心质之间的距离减小，中心质效应增强。3.Mechanismoffibrereinforcedconcrete

Toanti-crack,thatis,takeobstructiveeffectonshrinkagecrack;Toincreasestrengthandtoughness，mainlyimprovetensilestrength.Accordingly,toconcretewhichtakesprincipletensilestrengthasafactorcontrolbreakage,flexuraltensilestrengthandshearstrengthwillincrease.

纤维增强混凝土机理阻裂，即对收缩裂缝产生和扩展的阻碍作用；增强、增韧，主要提高抗拉强度，相应地以主拉应力为控制破坏的，如弯拉强度、抗剪强度等也随之提高。4.Silicafume

Silicafumecanspreadaroundconcretehighlyandfillinterspacesbetweencementgranulesforitstinygranulestomakeconcretedenser;Highpozzolanicactivityofsilicafumecausessilicafumetoactwithcalciumhydroxide(Ca(OH)2)rapidlyandproducelowalkalinitycalciumsilicatehydrate,accordingly,tomelioratepropertiesofinterfacezonebetweenhardenedcementpasteandaggregatesurface.

Thecementedperformanceislifted.硅灰的掺加硅灰颗粒微小，可以高度分散在混凝土中，填充水泥颗粒之间空隙，使混凝土更加密实；硅灰的火山灰活性高，与氢氧化钙迅速反应，生成低碱水化硅酸钙，改善水泥石与集料表面之间界面过渡区的性能。提高了水泥石的胶凝性能。ExistedProblemResearchonReactivePowderconcreteisstillless,especiallyall-aroundandin-depthdurabilityresearcheveninfrequent.

活性粉末混凝土的研究仍较少，尤其全面而深入的耐久性能研究非常少见。ReactivePowderconcretetechnologyhavenotbeenusedwidelyinengineeringpracticeindeedyet.

活性粉末混凝土技术仍未真正广泛地应用于工程实践。Ⅲ、SpecimenPreparationofRPCandFRPC

1RawMaterialsCement：P·O42.5PortlandcementFlyash:ClassⅠSilicafume:0.12μminaveragegraindiameterAggregate:quartzsand（0.15mm～0.60mm）Admixture:superplasticizer,waterreductionisabout30%,

外加剂：高效减水剂，减水率为30%copperizedsteelfibers:0.12mmindiameter,12～13mminlength,aspectratio100～110.

镀铜钢纤维：直径0.12mm，长径比100～110。2BestmixratioBestmixratioofRPC（unit:kg/m3）Cement水泥Silicafume硅灰Flyash粉煤灰sand砂Water水Superplasticizer减水剂Steelfiber钢纤维78819715898519410.3200注：1.表中所用砂子0.15-0.30mm与0.30-0.60mm各占50%；

2.表中选用直径0.12mm、长度12-13mm的钢纤维。Remark：1.SandlistedintheTableof0.16～0.315mmandof0.315～0.40mmis50%respectively；2.SteelfibresshowedintheTableis0.12mmindiameter,and12～13mminlength.

BasicpropertiesofRPCinbestmixratioPerformance性能fluidityofmix拌合物流动度Compressivestrength抗压强度Bendingstrength抗折强度RPC185mm165.0MPa40.8MPaTable1BestmixratioofFRPC（kg/m3）Table2BestmixratioofFRPC（kg/m3）Cement水泥Silicafume硅灰Flyash粉煤灰Sand砂Water水Waterreducingadmixture减水剂Steelfibre钢纤维39419755298519410.3200Properties性能Fluidityofmix拌合物流动度Compressivestrength抗压强度Bendingstrength抗折强度FRPC190mm125.0MPa36.0MPaDestroyphenomenon

Togeneralexperimentprocess,therearenovisiblecracksonthesurfaceoftestspecimensbeforespecimensaredestroyed.Whenaxialcompressionisclosetoabout90percentoflimitpressure,obviouscrepitationwillbeheardclearly.Itshowsthatcrackshaveexistedinspecimensinterior.Witheffectiveloadareadecreasing,testspecimenswillbedestroyedsoon.Howeverafewchippingsplashaccompaniesconcretedestroy,itdoesn’tbelongtovolatiledestroy.

从试验过程来看，试件破坏前，表面无可见裂缝，在轴向压力接近极限压力的90%左右时，试件内部有较明显的劈裂声，表明内部已有劈裂裂缝产生，试件的有效受力面积不断减小，试件很快就产生发生破坏，混凝土破坏时，伴随有少量碎屑飞溅，但并非爆炸性破坏。ⅣDurabilityResearchSulphateResistanceFreezingResistanceCarbonizationResistanceChlorineionPermeation

Microcosmicmechanismanalysis耐硫酸盐侵蚀性能

抗冻性能抗碳化性能抗氯离子渗透性能微观机理分析Fig.1Early-ageshrinkageofRPCandFRPC1、Earlyshrinkageage(d)Shrinkage(E-6)ResultAnalysis1）highcompactstructuresystem2）steelfibrereinforcement3）thefunctionofflyash结果分析1）高密实的结构体系2）钢纤维强化作用

3）粉煤灰的作用2、

SulphateResistance

Fig.2WeightchangeoftestcubesStrengthChangeTable3StrengthchangeoftestcubescuredinsaturatedsolutionofsulphateConcreteInitialstrengthStrengthafter10cyclesStrengthafter20cyclesStrengthafter30cycles(MPa)(MPa)(MPa)(MPa)RPC165181193199FRPC130179186191ResultAnalysis1）repetitioushightemperatureconditionacceleratecementhydrationandpozaolanafinepowdersecondhydration2）highcompactstructuresystemstopthesalterosion3）steelfibresreinforceinteriorstructure

结果分析1）多次的高温环境促进了水泥水化及矿物细粉的二次水化2）高密实的结构体系阻止了盐的进入。3）钢纤维对结构起到了强化作用。

Fig.3Plotofweightchangetocyclesoffreezingandthawing

冻融循环中混凝土的质量变化

3、FreezingResistanceofRPC相对动弹模的变化

Fig.4

PlotofrelativedynamicelasticmoduluschangeofConcretetocyclesoffreezingandthawingResultAnalysis

1）highcompactstructuresystem2）reinforcementeffectofsteelfibres

结果分析1）高密实的结构体系2）钢纤维强化作用

CarbonizationResistanceofRPC(56d)

CarbonizationResistanceofFRPC(56d)

4、CarbonizationResistanceThecarbonizationdepthofRPCandFRPCfor56daysiszero.56天碳化深度均为零ResultAnalysis1）highcompactstructuresystemformedbylowwatertobinderratioandfilleffectofpozzolanafinepowder.2）niceruniformitygottenbyeliminatingcoarseaggregate

结果分析1）低水胶比和矿物细粉的填充效应构成的高密实结构体系2）剔除粗骨料使混凝土获得的良好均匀性，减少了粗大的孔隙Fig.5

Diffusioncoefficientcontrastofchlorideions氯离子扩散系数对比

5、ChlorideIonsPermeationExperiment

(抗氯离子渗透性能)

ScanningelectronmicroscopeofhydrateproductinRPCRPC中水化物的扫描电镜照片

6、MicroscopicAppearance(微观形貌)Conclusion

(1)Theearly-ageshrinkageofRPCisapproximatetoordinaryconcrete,itsshrinkageat28daysislessthan0.04%,andtheshrinkagetendstobestableafter28-daycuring.

活性粉末混凝土的早期收缩与普通混凝土相当，28天的收缩率小于0.04%，且28天后收缩逐渐趋于稳定。(2)ThediffusioncoefficientofRPCis0.405×10-12m2/s，thediffusioncoefficientofFRPCis0.508×10-12m2/s.BothofthemareabouthalfofC80highstrengthconcrete(1.08×10-12m2/s).RPCandFRPChaveexcellentanti-permeabilitytowardschlorideions.

RPC的扩散系数为0.405×10-12m2/s，FRPC的扩散系数为0.508×10-12m2/s；比C80普通高强混凝土的1.08×10-12m2/s均小了一倍,具有优异的抗氯离子渗透能力。(3)ThecompactstructureandcomponentsofRPCrestraineffectivelycarbonization.carbonizationdepthofconcretefor28daysiszero.

活性粉末混凝土的密实结构特点和组成有效的抑制了碳化。28天碳化深度仍为0。(4)RPChasstrongsulphateresistance.Corrosiononlytakesplaceonthesurfaceandishardtofurtherdevelop.

活性粉末混凝土具有很强的抗硫酸盐侵蚀的能力，侵蚀只能在表面上发生，不易向内部发展。

(5)RPChassuper-highfrostresistance.Whenfreeze-thawcyclesamountto1500usingrapidfreezingandthawing,weightanddynamicelasticmodulusofspecimensvarylittle.

活性粉末混凝土具有超强的抗冻性能，用快冻法测试，循环次数达1500次，试件质量、动弹模均变化很小。(6)TheexcellentdurabilityofRPCmainlyresultsfromextremelylowW/B,pozzolanafinepowderadditiveandsteelfibres.

活性粉末混凝土具有优异的耐久性主要来源于其极低的水胶比和矿物细粉填充作用带来的高度的结构密实性以及钢纤维的加入。(7)Theearly-agestrengthofFRPCislowerthanthatofconventionalRPC,butthestrengthofFRPCvariesrapidlyandcanapproachthestrengthofRPCatrepetitioushightemperaturecondition.Durabilityindexes