活性粉末混凝土（RPC）在工程結(jié)構(gòu)中的應用與前景

關(guān)鍵詞：活性粉末混凝土；應用；發(fā)展；存在問題   

活性粉末混凝土（RPC）作為一類新型混凝土，不僅可獲得200MPa或800MPa的超高抗壓強度，而且具有30~60MPa的抗折強度，有效地克服了普通高性能混凝土的高脆性，RPC的優(yōu)越性能使其在土木、石油、核電、市政、海洋等工程及軍事設(shè)施中有廣闊的應用前景。 

1  RPC的基本設(shè)計原理   

它的基本設(shè)計思想是：通過提高材料組份的細度與活性，減少材料內(nèi)部的缺陷（空隙與微裂縫），獲得超高強度與高耐久性。    

RPC的制備采取了以下措施：  

（1）   通過去除粗骨料提高水泥砂漿的力學性能，消除骨料與水泥砂漿的界面過渡，提高 基質(zhì)的勻質(zhì)性。  

（2） 優(yōu)化顆粒級配，使基體的堆積密度增大，以提高拌合物的密實度。 

（3）凝固以后通過熱養(yǎng)護使RPC的反應性得以充分發(fā)揮，以改善微結(jié)構(gòu)。  

（4） 摻加微細的鋼纖維以提高韌性，RPC200中摻入的纖維長度為13mm，直徑約0.15~0.20mm，體積摻量為1.5%~3%。  

（5） 保持攪拌和澆注的方法與程序盡可能地與現(xiàn)在習慣的做法相接近，以便于工程應用。

2  RPC的性能特點 

2.1  超高的力學性能[2]  RPC材料的顯著特點是強度更高、韌性更大。200MPa級RPC材料的抗壓強度為170~230MPa，是HSC的2~4倍；抗折強度為30~60MPa，是HSC的4~6倍；斷裂能達到15000 ~40000J/m2,而NC的斷裂能只有120 J/m2?？梢奟PC具有優(yōu)良的韌性和力學特性（如表1）。  

表1  RPC、HSC、NC的力學特性比較

2.2耐久性

RPC中的空隙量極小，使得空氣滲透數(shù)低，水分吸收特別值小，因面具有超高的耐久性，其耐久性能比普通混凝土以及高性能混凝土好得多。

從表1、表2中可見，利用FRPC（纖維活性粉末混凝土）對腐蝕介質(zhì)的抵抗固體核廢料儲存器，其使用壽命高達500年。加拿大對RPC200進行過300次快速融循環(huán)，最高4゜C,最低-18゜C，變化速度6゜C/h，試樣絲毫未受損，50次冰鹽凍融重量損失率平均低于8g/m,而魁北克省的允許標準為800g/m,因此可基本忽略不計。

　　表2  RPC、HSC、NC耐久性比較

2.3良好的環(huán)保性能

RPC是一種符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求的環(huán)保材料。表3可見，在同等承載力條件下，RPC材料的水泥用量幾乎是普通混凝土與HSC的1/2，因此同等量水泥生產(chǎn)過程中的CO₂排放量也只有一半左右。對不可再生的自然資源骨料的用量，RPC材料也只占HSC和普通混凝土的1/3與1/4。

2.4良好的經(jīng)濟效益

按當?shù)兀ǜＶ莸貐^(qū)）可比價格計算，盡管FRPC的價格是普通混凝土的2.4倍，是高強混凝土的1.95倍，采用FRPC200粉末混凝土仍比普通混凝土節(jié)省37.2%，比高強混凝土節(jié)省35.6%，經(jīng)濟效益是十分巨大的，這里還不包括因為重量減輕節(jié)省的施工成本、加快資金周轉(zhuǎn)等間接的經(jīng)濟效益，也不包括因為FRPC可以直接承受剪力，取消構(gòu)件中的附加抗剪鋼筋。

3 RPC的工程結(jié)構(gòu)應用

3.1預應力結(jié)構(gòu)領(lǐng)域

RPC200有極高的抗壓強度、彈性模量和開裂強度使預應力筋的強度得以充分利用，無需配防止預拉應力下發(fā)生開裂的預應力筋，并使錨具下的承壓面不致發(fā)生過大的壓縮變形，可大大減少預應力損失。RPC200的另一顯著特性是徐變和收縮現(xiàn)象極其微小，這使其預應力構(gòu)件中由于材料收縮、徐變引起的預應力損失值降至最大?？梢哉fRPC200在預應力利用中有良好的應用前景。為解決在鐵路軌道接頭處和小半徑曲線段預應力軌枕破壞較嚴重的問題，用RPC試制的預應力軌枕，靜載抗裂度有明顯提高，疲勞性能明顯改善。

3.2預制結(jié)構(gòu)產(chǎn)品領(lǐng)域

使用RPC200可以有效減小結(jié)構(gòu)自重，在具有相同抗彎能力的前提下，RPC200結(jié)構(gòu)的重量僅為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的1/2～1/3，幾乎與鋼結(jié)構(gòu)相近。因此，完全可以用RPC來代替鑄鐵，生產(chǎn)現(xiàn)有許多鑄鐵制品，如井蓋、水算子、模具等，可以大幅度降低制品的自重，而不影響使用效果。

工程實例有世界上第一座以RPC為材料的步行/自行車橋（圖1）位于加拿大魁北克省的謝布洛克（Sherbrooke）市。該橋于1996~1997年期間建成的。采用RPC鋼管混凝土桁架橋結(jié)構(gòu)。橋跨度60m，橋面寬4.2m。橋面板厚為30mm，每隔1.7m設(shè)置高70mm的加強肋。桁架腹桿市直徑為150mm、壁厚為3mm的不銹鋼管、內(nèi)灌RPC200。下弦為RPC雙梁，梁高380mm；均按常規(guī)混凝土工藝預制。每個預制段長10m、高3m，運到現(xiàn)場后用后張預應力混凝土品種C30普通混凝土拼裝。采用RPC的桁架橋，大大減輕了自重，提高了在高濕度環(huán)境、頻繁承受冰鹽腐蝕與抗凍融循環(huán)作用下的耐久性能。

3.3抗震結(jié)構(gòu)領(lǐng)域

RPC200可以作為一種很有前途的抗震結(jié)構(gòu)材料。這是由于更輕的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)降低了慣性荷載；結(jié)構(gòu)構(gòu)件橫截面高度的減少允許構(gòu)件在彈性范圍內(nèi)發(fā)生更大的變形；極高的斷裂能及高韌性使結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以吸收更多的地震能。應用于框架節(jié)點將極大提高節(jié)點的抗震承載力，并徹底解決節(jié)點區(qū)鋼筋過密、箍筋綁扎困難和混凝土難以澆筑密實等問題。

3.4鋼管混凝土領(lǐng)域

無纖維RPC制成的鋼管混凝土，具有極高的抗壓強度、彈性模量和抗沖擊韌性，用它來做高層或超高層建筑的支柱，可大幅度減少截面尺寸，增加建筑物的使用面積與美觀。利用鋼管側(cè)限無纖維RPC，使其在凝固前受到壓縮，夾雜其中的空氣及早期的化學收縮大都被排除，此外在壓縮期間，某些拌合水也被擠出，使RPC的水膠比得以降低，從而提高了密實度。此外，由于影響RPC成本的主要因素是鋼纖維的價格，故無論是從力學觀點，還是從經(jīng)濟角度考慮，無纖維RPC鋼管混凝土都具有很大發(fā)展?jié)摿Α?/span>

3.5覆面鑲板領(lǐng)域

因RPC中不含粗骨料而具有高密實性與良好的工作性能，使其與模板相接觸的表面具有很高的光潔度，外界的有害物質(zhì)很難侵蝕到RPC中，而且RPC中的著色劑等組份也不易向外折開利用，這一特點可制作5~15mm厚的建筑物覆面鑲板，這一類型的產(chǎn)品目前在色彩、構(gòu)造及外形上都具有多樣性。在市政工程中可以利用RPC200的高強度制成井蓋，厚度差不多在30mm，比起一般的鑄鐵井蓋更為經(jīng)濟實用，且力學性能更好。RPC比HSC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為密實，且空隙率與多余水分也都較少，所以抗火性能比HSC強，可用于抗高溫材料制作。但其高溫下的破壞現(xiàn)象和機理目前還沒有相關(guān)研究，急需開展初步的實驗研究，以核定RPC的抗火能力。

3.6核電站工程領(lǐng)域

由于RPC的空隙率極低，它不但能夠防止放射性物質(zhì)從內(nèi)部泄漏，而且能夠抵御外部侵蝕性介質(zhì)的腐蝕，因此是制備新一代核廢料儲存容器的理想材料。法國就利用RPC這一性能對一座核電廠的冷卻塔進行了改造。冷卻塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由橫縱梁交錯構(gòu)成的桁架支撐引導廢液的傾斜面板。因為廢料的侵蝕性極強，所以利用RPC材料抗?jié)B透性能好的特點，來替換原來已被嚴重腐蝕的桁架梁。

3.7大跨圓形屋頂結(jié)構(gòu)領(lǐng)域

在房屋建設(shè)中，采用RPC200設(shè)計建造的大跨球形圓頂，可制成直徑為120m的凈空，這一建筑的設(shè)計原則是：由RPC200預制的后張法預應力拱形梁連接其周圍的預應力梁而組成環(huán)形傘狀支撐結(jié)構(gòu)。

用30mm厚的RPC200硬化板覆蓋于拱梁上形成屋頂。梁板間像瓦那樣相互交疊，預制板間留出空隙排放雨水。這一建筑結(jié)構(gòu)中由梁和板組成的屋蓋縱平均厚度僅為0.10m。

3.8下水道系統(tǒng)工程領(lǐng)域

由于RPC良好的耐磨性能和低滲透性，可用于生產(chǎn)各種耐腐蝕的壓力管和排水管道，在美國的下水道系統(tǒng)工程中得到廣泛的發(fā)展和應用。為適應各種不同特點和用途的壓力管道，已開發(fā)出多種施工技術(shù)和方法。對于水平壓力管道，采用離心澆注法，充分利用了RPC的高抗壓強度、水密性和低滲透性。在豎直壓力管道中采用濕法澆注有效地利用了RPC的氣密性，減小了空氣滲透。用于制造涵洞和下水道的施工方法“干法澆注”和“頂部頂進灌漿澆注法”正在進一步的完善中。

3.9水工建筑物領(lǐng)域

在水工建筑物中，主要將RPC用于提高壩面的抗?jié)B性能和抗裂性能，以及高速水流作用的部位，如溢洪道、泄水孔、有壓輸水道、消力池、閘底板等。在國外許多壩用RPC進行修補，纖維體積摻量一般在1.5%~3.0%，在經(jīng)過一年運行后檢查，沒發(fā)現(xiàn)嚴重的磨蝕和剝落。工程實現(xiàn)表明RPC有很強的抗氣蝕能力和抗沖磨能力?？梢缘挚箛揽釛l件下的氣蝕和沖磨作用。例如在葛洲壩二江泄水閘和映秀灣電站攔河閘底板修補中試用，效果突出。

3.10 港口和海洋工程領(lǐng)域

人們最擔心的是海水環(huán)境中RPC的腐蝕問題，所以對這一領(lǐng)域中的應用持慎重態(tài)度。然而日本和挪威的試用經(jīng)驗是令人鼓舞的。在日本用RPC做鋼管樁防蝕層，在海水中浸泡實驗表明RPC有很強的防蝕能力，剛管樁表明無銹蝕仍有金屬光澤。在國外還用于海底輸氣管道的隧洞襯砌、海底核廢料庫的支護、海上采油平臺后張預應力管道孔的封堵以及碼頭混凝土受海水腐蝕部位的修補等。

4 RPC的應用前景與當前存在的關(guān)鍵技術(shù)問題

RPC集鋼材強度大、韌性高和傳統(tǒng)混凝土抗火、抗腐蝕性強的優(yōu)點于一體。目前，它的應用已經(jīng)進入到橋梁與路面工程、建筑工程、水利工程、特種結(jié)構(gòu)多個領(lǐng)域。歷史已經(jīng)多次證明，一種新材料的問世，必然伴隨著從本構(gòu)關(guān)系、計算方法、到測試技術(shù)，新理論新技術(shù)的發(fā)明或發(fā)現(xiàn)，必然伴隨著一個產(chǎn)業(yè)鏈的誕生，同時，也重新排列著各國的技術(shù)位置。我國的當務之急必須首先在實際工程中成功應用。

當前RPC研究中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題：

（1）界面問題。在長期的實驗研究中，我們感覺到纖維與基質(zhì)的界面問題是制約FRPC200發(fā)展的關(guān)鍵問題。

（2）RPC的宏細觀本構(gòu)關(guān)系，至今仍無明確公認的新的力學計算模型，使當前的工程應用仍限于參考纖維高強混凝土加上經(jīng)驗估算的方式進行，實際上這已經(jīng)阻礙了工程應用，也阻礙了性能更好的FRPC材料本身的發(fā)展。

（3）發(fā)展針對新材料RPC的活性測試技術(shù)，作為傳統(tǒng)力學參數(shù)實驗的補充和發(fā)展。當前必需解決的是相對穩(wěn)定的操作規(guī)程和相應的數(shù)據(jù)解釋文件及標準參考值。

（4）在工程應用方面還欠缺工程經(jīng)驗和工程規(guī)范。

（5）大比尺構(gòu)件模型實驗結(jié)果與實際原型工程測試結(jié)果的對比資料仍然是一片空白。

因此，F(xiàn)RPC的研究工作必須繼續(xù)進行艱苦的努力，任重而道遠。