活性粉末混凝土的研究與應用進展

鞠彥忠，王德弘，張 超

(1.東北電力大學 建筑工程學院，吉林 吉林132012;2.空軍房管局濟南房管處，濟南250000)

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，RPC)是 1993 年法國 Bouygues 公司的 Richard P［1，2］等人根據線性堆積密度模型(linear packing density model，LPDM)和可壓縮堆積模型(compressive packing model，CPM)和纖維增強材料技術發展形成的一種新型超高強度超高性能的高致密水泥基復合材料。RPC具有高強度、高韌性、高耐久性及高體積穩定性等特點。和常規混凝土相比，活性粉末混凝土的主要改進包括以下幾點:1)去除了粗骨料，優化了顆粒粒徑分布，以改善內部結構的均勻性，減少材料的內部缺陷;2)使用與活性組分相容性良好的減水劑，以降低水膠比;3)摻加細短鋼纖維，提高了RPC的韌性和延性;4)通過熱養護來加速活性粉末的水化反應，促進細骨料與活性粉末的反應，改善微觀結構。

目前被研究的RPC材料的抗壓強度可達170～800 MPa，抗折強度與彈性模量分別高達30 MPa和50～60 GPa，斷裂能達到40000 J/m2。由于混凝土內部孔隙率很小，所以RPC有著優良的抗氯離子滲透、抗碳化、抗腐蝕、抗滲、抗凍及耐磨等耐久性。更為重要的是，摻加微細的鋼纖維后能顯著提高其延性，其延性可達普通混凝土的250倍，極限拉應變可達1%［1，2］。優越的力學性能、耐久性及環保性能，使RPC在土木、礦山、核電、市政、海洋以及軍事工程領域中有非常廣闊的應用前景。

1 RPC材料研究

活性粉末混凝土自上世紀90年代在法國研制成功以來，受到了世界各國專家學者的關注，目前活性粉末混凝土已成為國際工程材料領域一個新的研究熱點。雖然RPC的研制與應用已有成功的先例，但是從原材料到制備工藝、試驗研究、實踐應用以及RPC的各種性能及其產生機理，仍有很多問題，例如RPC制備工藝較其它混凝土復雜，成本較高;RPC的制備、養護還沒有統一的規范和標準，RPC的本構關系至今仍無明確公認的力學計算模型等。所以目前對于RPC的研究，很多還是針對RPC材料的制備技術，力學性能及耐久性的研究。

1.1 RPC材料制備技術研究

文獻［1，2］介紹了RPC的制作原理和生產過程。A.Cwirzen［3］等對RPC的最佳配比進行了研究，獲得了具有較好使用和易性的RPC。鞠彥忠［4，5］等對RPC200的制備進行系統的研究，設計了7組不同的RPC配合比，分別測定了抗壓強度和抗折強度，研究了水膠比、鋼纖維含量及種類、養護制度等因素對RPC力學性能的影響，并對比較分析，確定了RPC的最佳配合比及適合的制備養護制度。Lee［6］等對鋼纖維增強強度和韌性的規律及鋼纖維作用機理進行了分析。結論表明，加入鋼纖維后，RPC試件的破壞形態由脆性破壞轉化為延性破壞。

國內外目前對RPC的研究主要著重于其綜合性能的優化，如兼顧考慮機械性能、耐久性以及生產成本等。Halit Yazici［7，8］等對含摻合料RPC的制備技術及性能進行了研究，試驗結果表明:通過使用礦物摻合料(高爐礦渣和粉煤灰)部分替代水泥，提高硅灰和礦物摻合料在RPC中的含量，可以降低RPC的收縮變形，提高其抗壓強度和韌性。高壓蒸氣養護能更好地改善RPC的水化過程，提高其強度。A.Zenati［9］等用阿爾及利亞當地豐富的河砂資源配制了RPC，并研究了不同摻合料含量對RPC和易性的影響。洪啟哲［10］等對高鋁活性粉混凝土的開發進行了試驗研究。通過加入高鋁材料，在一般養護方式下，得到了齡期28 d抗壓強達到184 MPa，彈性模達到66 GPa的早強RPC材料，該材料還具有耐火性好等優點。孫偉［11］等對綠色活性粉末混凝土的制備過程以及其靜、動態行為進行了研究。研究結果表明使用硅灰、粉煤灰以及、礦渣取代50% -60%水泥，用天然的河沙完全取代超細石英粉同樣可以制得抗壓強度達到200 MPa以上的活性粉末混凝土。劉娟紅［12］等研究了養護對礦物細粉RPC性能的影響，試驗結果表明:干熱養護能明顯促進鋼渣粉參與水化的進程，使活性粉末混凝土具有更高的強度。謝友均等［13］研制了摻超細粉煤灰的RPC200，其抗壓強度接近250 MPa，抗折強度達到45 MPa。石秋君［14］等通過對16組配合比的碎石RPC的試驗研究，得出了材料的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、棱柱體試件的靜力受壓彈性模量、棱柱體試件泊松比和峰值應變等參數，最后通過對碎石RPC材料的抗壓力學性能的綜合分析，提出了碎石RPC的最優配合比。何峰［15］等運用火山灰效應數值分析方法定量分析了硅灰和石英粉兩種主要組分對RPC抗壓強度貢獻率、強度貢獻數值以及兩組份的強度貢獻指數，認為提高硅灰和石英粉含量對RPC強度貢獻顯著。并通過實驗對比研究了標準養護、90℃熱水養護和200℃高溫養護三種養護制度以及熱養護后的靜置室內(20℃)和浸入水中(20℃)兩種處理對RPC和不摻或單摻硅灰或石英粉摻合料的混凝土強度的影響。研究發現熱養護有利于提高RPC的抗壓強度，獲得高強、超高強RPC。

從以上文獻可以看出，國內外就RPC材料的配制技術展開了廣泛的研究，也取得了大量有意義的研究成果。但是，RPC材料在工程中的推廣應用的技術還不成熟，仍然存在很多問題有待克服。如當前RPC的制備工藝、條件仍然比較復雜，成本較高，難以實現大規模的工程推廣應用等。

1.2 RPC基本力學性能研究

為了給RPC設計提供計算參數，有必要通過試驗測定其相應的基本力學性能。閆光杰［16］根據加拿大舍布魯克人行橋采用的活性粉末混凝土設計制作了14組RPC200試件，測得了抗壓強度和抗折強度，分別為168.6 MPa和21.6 MPa。并將用該材料制備的橋梁人行道構件用于青藏鐵路橋梁中。吳炎海［17］等人進行了76組不同尺寸立方體試件和12組棱柱體試件的單軸受壓力學性能試驗，研究了活性粉末混凝土的強度標準，探討活性粉末混凝土的基本力學性能指標(峰值應變、彈性模量、橫向變形系數等)與棱柱體抗壓強度之間的關系，建立了活性粉末混凝土應力—應變曲線上升段方程。鞠彥忠［18］等人通過試驗對RPC的抗壓強度，抗折強度及劈裂抗拉強度進行了研究，對影響RPC力學性能的因素進行了分析，并在試驗分析的基礎上建立了不同鋼纖維體積含量RPC受壓應力-應變全曲線的數學表達式，擬合得到了抗折強度和劈裂強度之間的關系表達式。試驗結果表明，水膠比是影響RPC強度的最主要的因素，鋼纖維含量對RPC強度的影響規律比較復雜，當鋼纖維含量1.0% ～3.5%之間變化時，RPC的抗壓強度、劈拉強度和抗折強度均隨著鋼纖維摻量的增加而增大。當鋼纖維體積含量超過3.5%后，RPC抗壓強度下降，劈拉強度略有提高，而抗折強度仍有明顯的提高。

J.Dugat［19］等人進行了RPC200和RPC800的力學性能試驗，對RPC的應力-應變曲線、彈性模量、泊松比、抗折強度、斷裂能等進行了試驗研究，試驗結果表明，RPC800的彈性模量達66 GPa，應力-應變關系曲線的線彈性范圍為起點至抗壓強度的60%，斷裂能40 kJ/m2。O.Bonneau［20］等人通過試驗研究了RPC的抗壓強度、抗折強度、彈性模量和斷裂能等力學性能指標，試驗研究表明，RPC不僅具有較高的抗壓強度，而且摻加微細鋼纖維后能顯著提高RPC的抗折強度和吸收能量的能力，PRC200的抗折強度達和斷裂能遠高于HPC。

以上研究表明，目前對于RPC基本力學性能的研究已經取得了大量的研究成果，研究者們參照普通混凝土性能試驗方法，對RPC的基本力學參數進行了測定，得到了RPC抗壓強度、抗折強度、劈裂強度、彈性模量等，推導擬合得到了RPC應力-應變曲線等。這些研究成果基本上可以滿足設計中確定RPC基本力學參數及本構關系的要求，但是，由于RPC的配合比、制備養護等還沒有統一的規范和標準，不同配合比下RPC的力學性能可能差別較大，有必要進行RPC力學性能與配合比，制備工藝間關系的研究。

1.3 動力荷載作用下RPC的力學性能研究

各類建筑物和構筑物不但要承受靜力荷載，同時也必須承受來自不同源頭的動荷載作用。混凝土是一種對荷載速率敏感的材料，研究各種環境下混凝土的動態行為對其民用和軍事工程中的應用具有很重要的實際意義。

王磊［21］等，Y.S.Tai［22］等采用SHPB分別對素RPC和不同鋼纖維含量RPC的動態力學性能進行了試驗研究，得出素RPC和鋼纖維RPC的動載抗壓強度隨應變率增加的規律。試驗表明在RPC中摻加鋼纖維較好地提高了RPC的韌性和變形能力。黃育［23］等分別對摻入一定含量的端鉤形鋼纖維、銑削鋼纖維、方直形鋼纖維、波紋形鋼纖維四種RPC混凝土進行沖擊試驗，比較不同形狀的鋼纖維在沖擊韌性中所起到的作用。葛濤［24］等利用125榴彈炮改裝的發射裝置對RPC和C30鋼筋混凝土制成的靶板做高速侵徹試驗，并通過對比兩種不同材料的試驗結果分析RPC的抗沖擊力學性能。

賴建中［25］等采用分離式SHPB對不同纖維摻量的RPC材料進行了層裂性能實驗。結果表明，RPC材料層裂強度和破壞形態具有明顯的應變率效應，層裂強度和破壞程度隨著應變率的提高而增加。王耀華［26］等采用步槍子彈和半穿甲彈進行了新型鋼絲網RPC抗侵徹性能試驗，通過比較靶體的破壞形態和侵徹深度以確定鋼絲網RPC的抗侵徹性能，同時利用ANSYS/LS-DYNA動力有限元分析軟件對兩種靶體的抗侵徹性能進行數值計算分析，創建了合理的新型鋼絲網RPC的計算模型。試驗和計算結果均表明:鋼絲網RPC具有較好的抗局部破壞和抗裂的性能，且具有較高的效費比。余自若［27，28］等對RPC的疲勞特性進行了系統的研究，研究表明:循環荷載作用下，RPC的疲勞破壞表現為形成單一臨界疲勞主裂紋的破壞形態;RPC的宏觀疲勞損傷過程按宏觀疲勞裂紋演變模式分為裂紋潛伏、裂紋穩定擴展和失穩破壞3個階段。

以上研究主要是針對于RPC的動力強度與抗裂性能方面，而材料受到沖擊或爆炸荷載時的吸能、消能能力也是其性能的一個重要方面，動荷載穿越RPC波幅改變量與其力學參數間的關系，也都有待于更深入的研究。

1.4 RPC耐久性研究

我國在未來相當長的一段時間內，將處于建設高峰期。混凝土材料的耐久性決定著鋼筋混凝土結構的耐久性，因此，研究RPC材料的耐久性具有重大的實際意義。目前，國內外學者已對RPC材料耐久性進行了廣泛的研究，主要包括抗凍性、抗碳化性能、抗氯離子侵蝕性能、抗硫酸鹽侵蝕性能、抗化學溶液侵蝕性和耐磨性等幾個方面。

鞠彥忠，汪志［29，30］等為研究RPC各組分與其抗凍性能之間的關系，通過設計正交試驗方法，設計制作了9組RPC試件，參照GBJ82285普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法中抗凍性能試驗的快凍法，對RPC試件進行了100次凍融循環試驗，探討了水膠比、硅灰水泥比、鋼纖維摻量等因素對普通混凝土和活性粉末混凝土凍融性能的影響。研究表明，RPC具有很好的抗凍融性能，在RPC抗凍融耐久性的諸多影響因素中，水膠比是最主要的影響因素，其次是硅灰水泥比，最后是鋼纖維摻量。

劉斯鳳［31］等按照ASTMC666標準(美國的快速凍融試驗標準)對RPC棱柱體試件做了凍融循環試驗，用耐久性系數和質量損失率兩個指標來評價混凝土的抗凍性能好壞，凍融循環次數600次后，質量損失在0.3%左右，接近于0;耐久性系數也均大于等于100。

安明喆［32］等對RPC和高性能混凝土(HPC)做了抗凍性能、抗碳化性能、抗氯離子滲透性能對比試驗，分別得到了RPC和HPC經過50次、100次、150次、200次、250次和300次凍融循環后的質量損失和動彈模量損失，3 d，7 d，14 d，28 d的碳化深度，氯離子擴散系數，試驗結果顯示，RPC在經過300次凍融循環后的耐久性系數仍大于99，28d的抗碳化深度為0，氯離子滲透系數為0.222。

楊吳生［33］等測定了RPC棱柱體試件抗凍融和抗化學溶液侵蝕性能，試驗表明，經300次凍融循環后其耐久性系數仍然不小于100，在海水中浸泡的RPC抗壓強度和抗折強度都比浸泡前要高。

未翠霞，宋少民［34］將尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的RPC試塊浸泡在硫酸鈉飽和溶液中24 h，再于80℃的烤箱中烘干24 h為一個循環，結果發現10次循環后質量損失僅為1%，20次循環后質量損失維持不變，而且試件的強度一直在增加。劉斯鳳［31］等將RPC試件浸入我國新疆鹽湖鹵水，三個月后測得試件的質量損失和動彈性模量損失。試驗結果表明，三個月內RPC試件無質量損失，動彈性模量損失在90 d時僅為0.5%左右，說明RPC材料具有很好的抗化學溶液侵蝕能力。葉青［35］等對RPC抗液氮凍融能力進行了試驗研究，試驗表明，RPC經過50次常規凍融和一次液氮凍融循環之后，其質量損失為0.4%，強度損失為1.8%，因此，RPC具有抗液氮凍融的能力。N.Roux［36］等對RPC200的耐久性進行了系統的研究，通過試驗研究了RPC200的抗碳化性能，抗氯離子滲透性能和耐磨性，并與C30和C80混凝土進行了對比分析。研究表明，試件在CO2濃度為100%的環境中存放90 d后，沒有發生絲毫碳化;RPC的氯離子擴散系數為0.02，遠低于C30混凝土的1.1和C80混凝土的0.6;RPC的耐磨系數為1.3，也低于C30混凝土的4.0和C80混凝土的2.4;RPC各項耐久性指標均明顯優于C30和C80混凝土。M.G.Lee［15］等人按照ASTM C131對RPC、高強混凝土和常規混凝土的耐磨性進行了試驗研究和對比分析，實驗結果表明，RPC的耐磨性明顯優于高強混凝土和常規混凝土。

以上研究從不同方面對RPC材料的耐久性進行了研究，也與常規混凝土和高性能混凝土的耐久性進行了比較分析，這些研究均表明，RPC材料具有良好耐久性。

2 RPC應用研究

2.1 RPC構件設計研究

盧姍姍［37］在對5根不摻鋼纖維RPC梁的受彎性能試驗的基礎上，通過理論推導分析，得到不摻鋼纖維RPC梁正截面承載力計算公式。余自若［38］等通過對RPC無配筋梁和有配筋梁的試驗，分析了RPC梁的彎曲強度和變形特性。假設梁可承受拉應力且拉應力按矩形分布，給出了RPC受彎構件正截面承載力的計算公式，通過該公式計算出的理論值與試驗值符合良好。李莉［39］對5根鋼筋活性粉末混凝土兩跨連續梁進行了每跨跨中單點集中加載試驗，基于試驗結果建立了承載能力極限狀態下的中支座兩側等效塑性鉸長度計算公式，分別提出了以中支座控制截面相對塑性轉角和中支座相對受壓區高度為自變量的彎矩調幅計算公式，為活性粉末混凝土連續梁塑性設計提供了參考依據。萬見明［40］在試驗研究的基礎上建立了活性粉末混凝土梁抗裂計算模型，提出了正截面抗裂計算公式。王兆寧［41］通過對3根矩形截面RPC配筋梁抗彎性能試驗以及Ansys有限元分析的基礎上，提出了活性粉末混凝土梁的正截面承載力計算公式。林震宇［42］等進行22根圓鋼管RPC軸壓短柱試驗，分析其荷載-變形曲線、破壞特征，在現有普通鋼管混凝土極限承載力計算規范，結合試驗結果，通過修正套箍系數，給出了圓鋼管RPC軸壓短柱極限承載力統一計算公式。

周軼峰［43］等參照現行高架橋設計規范初步設計了RPC橋墩，并通過有限元計算驗證了所用設計理論的正確性，在此基礎上分析了RPC橋墩在正常使用狀態下的力學性能，并通過穩定性、極限承載能力、抗震性能等計算分析，表明RPC可以節約材料用量，提高結構的抗震性能。趙冠遠［44］等通過4個小比例RPC矩形截面墩的擬靜力試驗，研究了RPC配筋柱的延性性能、滯回曲線及其破壞機理，分析了配箍率對RPC配筋柱延性的影響。郝文秀［45］等通過大比例尺RPC箱型橋墩試件在低周反復荷載作用下的受力性能試驗，對試件的破壞形態、滯回特性、延性性能和耗能能力進行研究。王誠［46］通過對3個RPC箱型墩試件施加常軸力以及水平反復荷載，研究了水平荷載作用方向對RPC箱型墩抗震性能的影響，試驗結果表明:RPC箱型墩具有較好的抗震性能，水平荷載加載方向角是影響箱型墩抗震性能的一個重要因素，斜向受力構件的抗震性能要弱于主軸受力構件。

鞠彥忠［47-49］等人根據RPC力學性能試驗研究結果，通過理論推導分析，提出了活性粉末混凝土電桿的承載力計算方法和正常使用狀態(抗裂度、裂縫寬度、撓度)驗算方法，給出相應參數的建議取值范圍。并分別對RPC單桿、預應力RPC雙桿和部分預應力筋RPC雙桿進行了設計研究，設計出了能夠滿足500 kV輸電線路工程應用要求的三種電桿，并實現了工廠化生產，取得了較好的經濟效益好社會效益。及高耐久性的工作機理;V.Matte［50］等人對RPC制成的放射性核廢料儲藏容器的性能進行了研究，指出RPC不但能夠防止放射性物質從內部泄漏，而且能夠抵御外部侵蝕性介質的腐蝕，是制備新一代核廢料儲存容器的理想材料。

可見，國內外學者對RPC基本構件的設計理論和方法進行了廣泛的研究，研究范圍涉及梁、柱、橋墩、電桿、管涵等。但是，這些設計計算理論和方法都是基于普通鋼筋混凝土結構或纖維混凝土結構計算規范和一定數量的數據，通過擬合或修正得到的，即這些設計計算公式的推導不是完全基于構件的破壞機理，而是采用的半經驗半理論的方法得到的，這些結論很可能僅與文中的試驗數據相符合，不一定具有普遍適應性。因此，對于RPC構件的設計計算理論和方法有待進行更深入的研究。

2.2 RPC的工程應用概述

RPC由于其優越的力學性能、超高的耐久性和環保性能，自問世后，短短的十幾年間已在道路橋梁、核電、市政、港口海洋以及軍事工程中得到了較多的應用。迄今為止已二十多個國家和地區采用RPC材料制作橋梁構件，1997年在加拿大魁北克省的謝布洛克(Sherbrooke)市建成建成的RPC材料的步行/自行車橋是世界上第一座采用RPC材料的橋梁結構。美國于2001年在伊利諾斯州建成了18m直徑的圓形屋蓋，該屋蓋未采用任何鋼筋，設計中考慮了RPC的延性，直接承受拉、彎應力及初裂應力。并且大大縮短了施工工期。法國在一核電站的冷卻系統中耗用823立方米的RPC制作了2500多根尺寸不等的梁，并用以制作大量核廢料儲存容器。RPC材料在美國的下水道系統工程中得到廣泛的發展和應用。為適應各種不同特點和用途的壓力管道，已開發出多種施工技術和方法。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。日本和挪威等國把RPC運用在了港口和海洋工程領域，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RPC材料還被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。

RPC在國內也已經出現了很多工程應用的實例，尤其是鐵路交通工程中。同時也出現了不少的生產RPC預制構件的廠家。主要產品包括:電纜槽蓋板，橋梁蓋板和欄桿，低高度梁及T型梁等。鐵道部頒布了《客運專線RPC材料人行道擋板、蓋板暫行技術條件》和《客運專線鐵路技術管理手冊:活性粉末混凝土構件施工要點手冊》，也促進了RPC材料在鐵路交通工程的推廣應用。國內RPC在工程修復中使用也比較多。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，效果良好。

3 結 語

由以上幾個方面可以看出，國內外在近年來無論是從理論研究還是性能試驗方面，都對RPC進行了廣泛的研究，而且在工程應用方面也取得了一些進展。目前，對PRC材料的配合比和制作方面的研究已經做了很多工作，在一些方面已經比較成熟，其靜態力學性質也已經比較清楚，動態力學性質也已取得了一些的研究成果，RPC構件的設計研究也已經開展，但是，當前對于RPC技術的研究還存在很多問題，如已有的少量的相關設計計算公式也多是參考纖維高強混凝土加上經驗估算提出的。為了將RPC技術廣泛地應用于工程實踐，還需對以下問題進行深入廣泛的理論和試驗研究。

(1)養護問題。目前RPC制備都需要熱養護，這對于現澆施工存在一定困難，使其在實際的結構工程中的運用受到了很大的限制。有必要對RPC材料配合比及施工工藝進行進一步的研究，開發出一種能夠適應現場施工要求的RPC材料，使其能夠在土木建筑工程領域發揮更大的價值。

(2)造價問題。當前，硅粉的摻入、高效減水劑和鋼纖維的使用以及特殊條件下的成型和養護條件，都提高了RPC的生產成本;由于地域限制，配制活性粉末混凝土所需要的優質原材料往往很難在一個地區采購齊全，這也進一步導致成本的增加，阻礙了它的推廣和使用。因此，對RPC配合比進行更深入的研究，研究能夠滿足其材料性能要求的前提下，降低其生產制作成本，對于RPC更廣泛的推廣應用具有重大的實際意義。

(3)沒有完備的試驗測試標準。一般來說，現行的測試手段、測試標準對高強度、高性能的RPC有很多不適應的地方，有時候往往存在較大的誤差或浪費現象。

(4)微觀結構與機理問題。對于活性粉末混凝土微觀(亞微觀)結構還有待充分地研究，對于結構和強度形成機理還不完全清楚。

(5)缺乏模型。RPC的本構關系至今仍無明確公認的力學計算模型，使當前的工程應用仍限于參考纖維高強混凝土加上經驗估算的方式進行。

(6)RPC構件的設計計算理論和方法有待發展和完善。

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