RPC混凝土力學性能研究進展

李澤良

【摘 要】活性粉末混凝土是一種高強度、高韌性的新型超高性能水泥基復合材料，應用前景非常廣闊。基于國內外已有研究成果，總結了活性粉末混凝土力學性能的研究現狀，簡要分析了目前研究中存在的不足和有待研究的問題，以期為其深入發展與應用提供參考。

【關鍵詞】活性粉末混凝土；強度；斷裂韌性

0 引言

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡稱RPC）相較于普通混凝土，具有更高的強度和韌性。其抗壓強度可達到170～230MPa，是普通混凝土的3～5倍；其抗拉強度達到 50MPa，是高強混凝土的5倍；其斷裂韌性是普通混凝土的250倍，它是一種由級配良好的水泥、石英砂、活性摻合料、高效減水劑、鋼纖維與水拌合后經濕熱養護而成的新型超高性能水泥基復合材料，在房屋建筑，市政工程等領域有著廣泛的應用[1]。

目前，國內外學者對RPC的研究眾多，諸如尺寸效應、單軸拉壓強度、雙軸和三軸力學性能、斷裂性能、配筋試件的抗拉性能以及構件設計方法等。基于已有研究成果，本文著重綜述了RPC力學性能的研究現狀，簡要分析了目前研究中存在的問題，以期為RPC的深入發展與應用提供參考。

1 RPC力學性能研究

RPC力學性能是影響RPC構件和結構安全性的關鍵因素，是推廣其工程應用首先要探究的問題。RPC典型的力學特點是強度高、韌性好，學者們參照普通混凝土性能試驗方法研究了其強度和斷裂韌性，取得了豐碩的結果。

1.1 強度

李居紅[3]綜合探討了水灰比、纖維種類及摻量、硅粉和石英粉摻量、齡期對RPC抗壓強度和抗折強度的影響。研究結果表明，水灰比和硅粉、磨細石英粉摻量都增加的情況下，RPC抗壓、抗折強度逐漸減小；當硅粉摻量增加，水灰比不變的情況下，齡期越大，抗壓強度越大。纖維種類不同，RPC強度性能各有差異。研究表明，細密鋼纖維大于粗鋼纖維，玻璃鋼纖維大于弓形鋼纖維。其他條件不變的情況下，纖維含量的增加對抗壓強度的影響不大。

鞠彥忠通過試驗研究了RPC抗折強度、劈拉強度和抗壓強度的變化規律，建立了不同鋼纖維體積含量的RPC受壓應力-應變全曲線數學表達式，擬合了抗折強度和劈裂強度的關系表達式[4]。試驗結果表明，鋼纖維含量對RPC強度的影響各有不同，差異明顯。影響RPC強度最主要的因素是水膠比。當鋼纖維含量為1.0～3.5%時，RPC抗折強度、劈拉強度和抗壓強度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%時，RPC抗折強度顯著增加，劈拉強度幾乎不變，抗壓強度有所下降。

高溫后混凝土力學性能對火災后混凝土結構的損傷評估與鑒定加固具有重要意義。鑒于此，鄭文忠[5]對RPC摻不同聚丙烯纖維（PPF）體積量的試件進行了軸心受拉試驗、棱柱體受折試驗、棱柱體受壓試驗和立方體受壓試驗，分析了PPF摻量對RPC高溫后殘余軸心抗拉強度、殘余抗折強度、殘余軸心抗壓強度和殘余立方體抗壓強度的影響。研究顯示，常溫下隨PPF摻量的增加，RPC強度逐漸下降。當經歷溫度高于200℃時，隨PPF摻量的增大RPC力學性能相應提高；高溫后RPC殘余抗壓強度、殘余抗折強度和殘余軸心抗拉強度均隨經歷溫度的升高先增大后減小。鄭文忠[5]等人還建立了高溫后各殘余強度隨溫度變化的計算式。

目前RPC強度指標的取值研究尚未給出一般標準。RPC強度分級方法和材料分項系數的標準不同，限制了RPC在工程中的推廣應用。呂雪源[1]提出以邊長70.7mm立方體抗壓強度標準值作為RPC強度等級劃分依據。通過研究，建議RPC材料分項系數取1.3。基于大量試驗數據和可靠性分析，給出了不同強度等級下RPC抗壓、拉強度設計值、彎曲開裂應變、峰值壓應變、軸拉開裂應變、受壓邊緣極限壓應變、泊松比的具體取值，為RPC構件設計提供了計算參數。1.2 斷裂韌性

作為高性能混凝土，RPC的斷裂韌性對提高結構的延性，尤其是極端荷載下結構的抗倒塌能力具有重要的意義。然而，未摻纖維的RPC脆性比普通混凝土和高強混凝土更大，在高應力或復雜應力狀態下易發生爆裂式脆性斷裂。目前學者和工程技術人員通過摻入纖維予以改善，研究熱點也主要涉及纖維種類和摻量。

張倩倩[6]采用三點抗彎實驗，研究了不同鋼纖維摻量對RPC抗斷裂性能的影響。結果表明，摻入鋼纖維后，鋼纖維與RPC基體的界面過渡區經過蒸養后有所改善，界面粘結強度增加，RPC抗斷裂能力提高。但隨著增加超過2%時，RPC抗斷裂能力沒有明顯提高變化。周瑞忠[7]也指出鋼纖維能夠有效改善材料的韌性。采用線彈性斷裂力學基本理論基于虛擬裂縫模型，分析了RPC和纖維增強RPC的斷裂特性。

由于鋼纖維對RPC斷裂韌性的改善效果有限，近來較多的研究采用了混雜纖維的方法。有學者通過三點彎曲斷裂試驗，研究了單摻鋼纖維、鋼纖維-粗聚烯烴纖維混摻、鋼纖維-聚乙烯醇纖維混摻以及鋼纖維-粗聚烯烴-聚乙烯醇纖維混摻對改善活性粉末混凝土斷裂韌性的效果。研究發現：鋼纖維體積摻量為2%，粗聚烯烴或聚乙烯醇纖維摻量為10kg/m3時，與單摻鋼纖維相比，鋼纖維-粗聚烯烴纖維混摻峰值荷載提高了52.5%，斷裂能提高了136%斷裂韌度提高了112%。鋼纖維-聚乙烯醇纖維混摻試件峰值荷載提高了85%，斷裂能提高了88.6%，斷裂韌度提高了50.9%。纖維摻量合適時，鋼纖維與合成纖維混摻表現出良好的混雜效應，鋼纖維體積摻率1%～1.5%，合成纖維總摻量9kg/m3時，對改善RPC斷裂性能效果最理想。

鄧宗才[8]同樣通過彎曲實驗研究了鋼纖維與不同品種、不同摻量合成纖維混摻對RPC斷裂韌性的改善效果。結果表明：當體積摻量1%或2%的鋼纖維與粗聚烯烴纖維或細聚乙烯醇纖維混摻時，可顯著改善RPC的彎曲韌性；體積摻量1%的鋼纖維與粗聚烯烴纖維、細聚乙烯醇纖維混摻時的韌性指標比單摻鋼纖維分別提高49.8-140%和82.3-215.6%；從經濟性看，體積摻量1%的鋼纖維與粗聚烯烴或者細聚乙烯醇纖維混摻時增韌效果更優。

總的來說，關于RPC力學性能的研究已經比較成熟，但多軸應力狀態下RPC強度特性的研究還十分缺乏，需要進行大量的多軸試驗，給出各種應力狀態下的本構關系和破壞準則；不同纖維混雜方式和摻量等對RPC斷裂韌性的改善效果也有待進一步探討。

2 結語

國內外學者對活性粉末混凝土力學性能進行了廣泛的探討，證明了活性粉末混凝土具有強度高、斷裂韌性好的特點，但是以下問題制約了PRC技術在工程實踐中的廣泛應用：

（1）現行研究方法、計算標準對RPC混凝土有很多不恰當之處，沒有形成完備的測試標準。

（2）RPC混凝土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。

（3）RPC構件的計算方法和性能指標有待發展和完善。

今后需要對以上問題進行深入的理論和試驗研究，以推動活性粉末混凝土更廣泛、更合理的應用。

【參考文獻】

[1]呂雪源，王英，符程俊，等.活性粉末混凝土基本力學性能指標取值[J].哈爾濱工業大學學報，2014，10：1-9.

[2]鞠彥忠，王德弘，張超.活性粉末混凝土的研究與應用進展[J].東北電力大學學報，2011，Z1：9-15.

[3]李居紅，郭勇，姜德民.活性粉末混凝土力學性能的研究[J].混凝土，2014，2：88-90+94.

[4]鞠彥忠，王德弘，李秋晨，等.鋼纖維摻量對活性粉末混凝土力學性能的影響[J].實驗力學，2011，3：254-260.

[5]鄭文忠，李海艷，王英.高溫后不同聚丙烯纖維摻量活性粉末混凝土力學性能試驗研究[J].建筑結構學報，2012，9：119-126.

[6]張倩倩，魏亞，張景碩，等.鋼纖維摻量對活性粉末混凝土斷裂性能的影響[J].建筑材料學報，2014，1：24-29.

[7]周瑞忠，姚志雄，石成恩.活性粉末混凝土為基底材料的斷裂和疲勞試驗研究[J].水力發電學報，2005，24（6）：40-44.

[8]鄧宗才，周冬至.Jumbe R.Daud.混摻纖維對改善活性粉末混凝土彎曲韌性的試驗研究[J].混凝土，2014，4：90-92+96.endprint