大摻量礦物微細(xì)粉活性粉末混凝土的研究綜述

謝彪XIE Biao

（中鐵城建集團(tuán)第一工程有限公司，太原030024）

0 引言

隨著建筑行業(yè)的飛快發(fā)展，對(duì)建筑材料的性能要求也越來越高，傳統(tǒng)鋼筋混凝土的強(qiáng)度和性能，對(duì)于一些有特殊要求的建筑已遠(yuǎn)不能滿足。高效減水劑的廣泛應(yīng)用以及優(yōu)質(zhì)活性礦物細(xì)粉的加入，使得高強(qiáng)混凝土應(yīng)運(yùn)而生。但其早期強(qiáng)度發(fā)展迅速，開裂及倒縮現(xiàn)象顯著，并且隨著混凝土強(qiáng)度的不斷提高，混凝土的抗拉強(qiáng)度低、韌性差的缺點(diǎn)愈加顯著。為此，人們?cè)诨炷林屑尤肟估瓘?qiáng)度高、極限延伸率大的各種纖維，從而形成纖維混凝土。纖維混凝土具有較高抗拉、抗彎強(qiáng)度，良好的任性和延性。但當(dāng)粗骨料粒徑較大時(shí)，纖維的抗拉“橋梁”作用受到阻礙，為了獲得性能更加優(yōu)異的混凝土，20世紀(jì)末，法國的布伊格（Bouygues）公司研制成功了活性粉末混凝土（簡(jiǎn)稱RPC）。它是集高強(qiáng)混凝土和纖維混凝土的優(yōu)勢(shì)于一體，剔除粗骨料，代以石英砂為骨料，摻入適量短纖維和活性礦物摻合料，采用高效減水劑來降低水膠比，配以成型加壓、加熱養(yǎng)護(hù)等措施，制備出的具有超高強(qiáng)、低脆性、高耐久性的新型水泥基復(fù)合材料。隨后活性粉末混凝土便成為了國際工程領(lǐng)域的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，但是水泥、硅灰等材料，低溫水化速度慢，造價(jià)也相對(duì)較高，為此便形成了以大摻量的礦物微細(xì)粉代替部分水泥和硅灰的大摻量礦物微細(xì)粉活性粉末混凝土，如此良好的工作性能，使得活性粉末混凝土在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。

1 活性粉末混凝土的制備原理及改善性能方法

構(gòu)件所獲得的最大承載力取決于微裂縫的數(shù)量及孔隙的大小，這也正是活性粉末混凝土產(chǎn)生高強(qiáng)的原因，它的基本配置原理和改善性能方法如下：

1.1 剔除粗骨料，代之以平均粒徑250um的細(xì)砂

傳統(tǒng)混凝土的粗骨料粒徑較大，在混凝土和骨料的界面上產(chǎn)生微裂縫，另外當(dāng)溫度、荷載變化時(shí)，二者的收縮變形不一致，從而使裂縫產(chǎn)生，降低強(qiáng)度。但是活性粉末混凝土剔除粗骨料代之細(xì)砂，由于骨料粒徑較小，自身存在缺陷的概率也低，同時(shí)沒有粗骨料，構(gòu)建的勻質(zhì)性提高。從而提高活性粉末混凝土的強(qiáng)度。

1.2 摻入礦物微細(xì)粉及高效減水劑

活性粉末混凝土常摻的礦物微細(xì)粉包括硅灰、粉煤灰、礦渣、石灰石粉等。通過礦物微細(xì)粉和高效減水劑的雙摻，使得活性粉末混凝土在較低水膠比的情況下，達(dá)到最大填充密實(shí)度，另外礦物微細(xì)粉中的硅灰水化生成水化硅酸鈣凝膠，可有效改善界面區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)。由于活性粉末混凝土水膠比極低，水泥和硅灰不能水化完全，但是粉煤灰水化速度慢，可使體系形成一個(gè)良好的水化環(huán)境，在一定程度上改善了活性粉末混凝土的性能。

1.3 采用加壓及熱養(yǎng)護(hù)

在活性粉末混凝土凝結(jié)過程中施加一定的壓力，可以有效地減少活性粉末混凝土中氣孔的數(shù)量，還可以排出一定量的多余水份，提高漿體的密實(shí)性，在凝固后采用熱養(yǎng)護(hù)，可以加速水化反應(yīng)及火山灰效應(yīng)的程度，改善微觀結(jié)構(gòu)，提高界面粘結(jié)力。

1.4 加入較短鋼纖維，提高延性及韌性

鋼纖維的抗拉強(qiáng)度較高，可以彌補(bǔ)混凝土抗拉強(qiáng)度差的缺點(diǎn)，當(dāng)活性粉末混凝土材料出現(xiàn)較小的裂縫的時(shí)候，高彈性模量的鋼纖維與混凝土基體之間的粘結(jié)力，具有一定的阻裂作用。

2 活性粉末混凝土的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

活性粉末混凝土由于其優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能，使得其在諸多工程實(shí)際中的得到應(yīng)用。1997年加拿大Sherbrooke市建成了一座跨徑60m的RPC人行橋。當(dāng)?shù)貧夂驐l件惡劣，最低溫度可達(dá)零下40度，雪天還要經(jīng)常撒鹽水，對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性要求很高。由于采用RPC，減輕橋梁自重，提高其在除冰鹽腐蝕與凍融循環(huán)作用下的耐久性能，這一應(yīng)用，極大地推動(dòng)了RPC在橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用。2002年澳大利亞建成一座跨徑15m，寬度為21m的預(yù)應(yīng)力RPC公路橋，這是RPC真正應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的標(biāo)志。2006年美國建成一座高等RPC單跨簡(jiǎn)支梁橋，并獲得06年度波特蘭水泥協(xié)會(huì)橋梁獎(jiǎng)。我國對(duì)RPC的研究起步較晚，但是發(fā)展很快，北京交通大學(xué)的鄭遵暢等對(duì)摻加玄武巖纖維的活性粉末混凝土基本性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，探究了不同玄武巖纖維體積摻量下活性粉末混凝土的力學(xué)以及耐久性能。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李建平等對(duì)超細(xì)礦粉活性粉末混凝土性能進(jìn)行研究，在參照前人獲得的RPC配合比的基礎(chǔ)上，通過正交試驗(yàn)，成功配置出滿足性能要求的超細(xì)礦粉活性粉末混凝土，并研究了其抗?jié)B、抗凍性。中南大學(xué)的李會(huì)艷等對(duì)聚丙烯酸酯對(duì)活性粉末混凝土性能的影響進(jìn)行研究，得出摻加聚丙烯酸酯可以有效改善符合漿體的流動(dòng)性，同時(shí)也可降低減水劑的飽和點(diǎn)。我國對(duì)RPC的應(yīng)用在鐵路領(lǐng)域應(yīng)用較多，例如，2006年青藏鐵路多年凍土區(qū)首先試用了RPC人形道板，2007年在遷曹鐵路上使用了20m跨度的T型RPC梁，在冀港鐵路線上采用了跨度為32m的預(yù)應(yīng)力RPC梁。基于RPC的高強(qiáng)、高性能，使得其極具推廣價(jià)值并具有廣闊的應(yīng)用前景。在土木工程領(lǐng)域，高層和大跨結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展，為RPC的應(yīng)用提供了巨大的空間，此外在特種結(jié)構(gòu)工程的施工中，也擁有廣闊的應(yīng)用前景。利用RPC的超高強(qiáng)度及韌性，在不配筋或者少配筋的情況下，生產(chǎn)薄壁制品、細(xì)長構(gòu)建，可替代工業(yè)廠房的鋼屋架和高層、超高層建筑的上部鋼結(jié)構(gòu)，大幅降低造價(jià)。利用RPC的超高抗?jié)B性與抗拉性能，可替代鋼材制造壓力管道、中低放射性核廢料儲(chǔ)存器，既降低風(fēng)險(xiǎn)又延長壽命。

四大摻量礦物微細(xì)粉活性粉末混凝土配制思想。

國內(nèi)外對(duì)活性粉末混凝土的研究，一般選用水泥和硅灰構(gòu)成粉體堆積，但是這種情況存在水泥用量大，且粉體堆積效率不高的問題，如果用礦物摻合料來代替一部分水泥和硅灰，不但可以降低成本，而且具有良好的生態(tài)效益。所謂大摻量活性粉末混凝土是指粉煤灰等礦物細(xì)粉摻量超過膠凝材料總量40%以上的活性粉末混凝土。粉煤灰、礦渣、石灰石粉等大多是工業(yè)廢渣，將其作為礦物摻合料應(yīng)用于混凝土中具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，因而得到了越來越多的關(guān)注。大摻量礦物微細(xì)粉活性粉末混凝土的配置思想是剔除粗骨料、優(yōu)化細(xì)骨料的級(jí)配，通過摻加大量顆粒分布良好的礦物細(xì)粉來取代用量較高的水泥，在改善均勻性的同時(shí)達(dá)到最佳的密實(shí)狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上添加摻量及長徑比適宜的鋼纖維，以此來改善活性粉末混凝土的脆性。一般認(rèn)為礦物摻合料的粒徑越小越有利于其水化，但是如果過度追求超細(xì)的礦物摻合料，不但增加了施工成本而且還會(huì)增加粉磨電耗，既不經(jīng)濟(jì)又不環(huán)保。況且粒徑較小的多種礦物摻合料添加到一起，如果沒有形成良好的級(jí)配的話，同樣不利于混凝土的發(fā)展，不能達(dá)到理想的預(yù)期效果。所以在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中既要考慮到性能因素也要考慮到經(jīng)濟(jì)因素。

3 RPC存在的問題

3.1 雖然RPC的研究國內(nèi)外都趨于成熟，但在嚴(yán)酷環(huán)境下活性粉末混凝土中的鋼纖維存在銹蝕的危險(xiǎn)，這無疑對(duì)RPC的耐久性及力學(xué)性能造成影響，尋找性能好又不易腐蝕的纖維來代替鋼纖維是未來RPC的發(fā)展方向。

3.2 混雜纖維RPC應(yīng)該得到推廣，混在纖維RPC中高模量纖維對(duì)提高混凝土的力學(xué)性能具有一定的優(yōu)越性，低模量纖維對(duì)提高混凝土的任性及耐久性具有一定的優(yōu)越性。混雜纖維RPC能有效形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，所以用混雜纖維來代替單一纖維來制備活性粉末混凝土具有更廣闊的應(yīng)用前景。

3.3 高溫養(yǎng)護(hù)條件在一定程度上阻礙了RPC的發(fā)展，一般實(shí)驗(yàn)室難以達(dá)到高溫養(yǎng)護(hù)條件，高溫養(yǎng)護(hù)增加了RPC在野外和實(shí)際工程澆筑時(shí)的困難。如何探究RPC在標(biāo)養(yǎng)條件下達(dá)到高強(qiáng)性能，應(yīng)成為以后RPC的研究方向之一。

3.4 造價(jià)偏高。硅灰、鋼纖維等摻合料價(jià)格偏高，從而使RPC的整體造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通混凝土。如何在保持高強(qiáng)、高性能的基礎(chǔ)上有效地降低造價(jià)也是RPC亟待解決的問題之一。

4 結(jié)論和應(yīng)用前景展望

RPC作為一種新型的超高強(qiáng)、高性能的水泥基復(fù)合材料，在高層、橋梁、管道等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景，RPC具有超高的力學(xué)性能，優(yōu)異的耐久性能，這必將使得RPC在未來的新型水泥基復(fù)合材料領(lǐng)域成為主力軍。利用既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的礦物微細(xì)粉來取代用量較大的水泥，可以很好地解決水泥水化和自重較大的問題，如何解決活性粉末混凝土中鋼纖維的銹蝕，以及高溫養(yǎng)護(hù)條件的限制是今后活性粉末混凝土應(yīng)該研究的問題，另外硅灰、石英砂的材料造價(jià)偏高，這無疑限制了其大量普及，尋找造價(jià)相對(duì)較低但性能相當(dāng)?shù)慕ㄖ牧蟻砣〈徊糠止杌液褪⑸埃瑧?yīng)該成為今后活性粉末混凝土的研究新方向。

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