活性粉末混凝土研究綜述

潘 松 程東輝

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，簡稱RPC)是在20世紀90年代由法國一個實驗室開發研究出的一種繼高強混凝土和高性能混凝土之后的新型超高性能水泥基復合材料。RPC同常規混凝土相比，根據其組成成分和澆筑成型后熱處理方式的不同，這種新型混凝土具備更優異的力學性能，其抗壓強度可以達到200 MPa～800 MPa，抗拉強度可以達到20 MPa～50 MPa。除了超高強度之外，RPC還具備高韌性、高耐久性、體積穩定性良好等特點，因此RPC在國內外被廣泛的應用于軍事、核電、橋梁、海洋和港口等多個工程領域當中。

自RPC問世以來，就得到國內外學者的廣泛認可和關注，關于RPC的各項研究也一直是當下我國混凝土研究領域中的熱點，我國科研人員基于國外的科研背景下對RPC的力學性能影響因素展開深入研究，并取得了一定的成果。但由于我國現今關于RPC的相關規范也較少，這在一定程度上也阻礙了RPC的研究與發展。為了進一步方便各界學者的研究，本文結合國內外科研工作者的研究成果，對RPC的力學性能研究進行論述。

1 RPC配制理論基礎

RPC是一種具有優異的力學性能、高耐久性、高韌性、高體積穩定性的新型超高性能混凝土。其配制基本思想是：通過合理的選用原材料，剔除粗骨料，使得RPC的級配更加合理，提高基體內部的細度與活性，改善內部微觀結構，有效減少材料缺陷(內部孔洞和微小裂縫)，增強密實度與連續性，獲得超高力學性能和耐久性。基于此原理，RPC在制備過程中主要采取以下措施：

1)將水泥、硅灰和粉煤灰等活性礦物摻合材料、石英砂等細骨料作為主要的組成成分，去除傳統混凝土中的粗骨料，消除粗骨料與水泥漿界面的微觀缺陷，使得材料的粒徑分布更加合理，以提高基體的均勻性。

2)制備過程中加入高效減水劑，減小水膠比，降低孔隙率。

3)RPC成型后，采取熱養護方式加速水化反應激發基體內活性粉末的活性，改善微觀結構。

4)配制過程中摻入鋼纖維來改善RPC的韌性，有效降低破壞過程中的脆性現象。

2 配合比對RPC力學性能的影響

2.1 水泥與礦物摻合料

北京工業大學的鄧才宗等[1]通過試驗成功的配制出不含硅灰的新型RPC，即超細水泥活性粉末混凝土(SC-RPC)，并對其力學性能進行研究。試驗結果表明:超細水泥可以作為粉料來制備SC-RPC；混摻30%(質量分數)粒化高爐礦渣、10%(質量分數)粉煤灰后RPC的抗壓強度最高，流動性最好，同時經濟性較好。2015年，同濟大學朱鵬、李宗陽等[2]基于最緊密堆積理論和最大密實度理論出發，對摻有稻殼灰的活性粉末混凝土配合比進行設計試驗，試驗研究了不同替代率下的稻殼灰對RPC的流動性、力學性能及耐久性的影響。結果表明：摻有稻殼灰的RPC水膠比宜選擇在0.20～0.22之間；隨著稻殼灰在RPC中對硅灰的替代率的增加，其收縮率隨之降低同時隨齡期增加變化緩慢；建議根據不同使用功能采用不同替代率的稻殼灰RPC。

2.2 外摻纖維

北京工業大學王輝等[3]為改善鋼纖維的經濟性，提高廢舊材料利用價值，在RPC中摻入生態鋼纖維，通過試驗研究原生鋼纖維RPC和生態鋼纖維RPC增強混凝土的強度、無切口梁4點彎曲韌性和切口梁3點彎曲斷裂特征。結果表明：生態鋼纖維體積摻量從0%～3%，RPC的立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度不斷提高；試件斷裂韌度是RPC的7倍～10倍，達到理想彈塑性材料水準；適宜體積摻量的生態鋼纖維能夠使RPC達到較好的增韌、增強、抗裂作用，生態鋼纖維可以部分或者全部替換原生鋼纖維達到相近的增韌增強效果。2017年，長安大學馬愷澤等[4]研究了混合鋼纖維的抗拉、抗折、抗壓強度，試驗結果表明：在RPC中摻入混合鋼纖維能夠顯著改善其韌性，采用0.5%長纖維加1.5%短粗纖維可達到最好的增韌效果。

2.3 水膠比

西北農林科技大學史凱方等[5]采用正交試驗設計方法對PRC的配合比進行試驗研究，探討了水膠比等因素對RPC各項力學性能影響規律和機理。結果表明：水膠比對RPC的力學性能影響顯著，RPC200水膠比宜取0.18～0.20之間。高于0.20水膠比會使RPC強度明顯降低，低于0.18時混凝土成型困難，缺陷增多。

3 其他因素對RPC力學性能的影響

西南科技大學高燕等[6]通過設計正交試驗對摻有固硫灰的活性粉末混凝土的力學性能及收縮性能進行研究。試驗結果表明：使用固硫灰、硅灰、高效減水劑、石英砂等材料再通過濕熱養護可以配制出抗壓強度達到140 MPa的RPC；采用濕熱養護可以加速RPC的水化反應，形成密實度更高的RPC，其早期強度比標準養護高出30 MPa左右；濕熱養護可以提高RPC的早期收縮，同時降低后期干性收縮，整體收縮率大于標準養護條件下的RPC；固硫灰的膨脹特性可以降低活性粉末混凝土自收縮大的缺點。詹國良、林東等[7]對不同養護制度下RPC力學性能進行探究并分析其機理，結果表明：在配合比和工藝條件相同的情況下，相對于標準養護，采用熱養護的RPC抗壓強度、抗折強度有顯著提高。

4 結語

國內外科研工作者對活性粉末混凝土力學性能影響因素已經進行了較為廣泛的研究，本文通過現有的理論分析方法及相關設計方法，在配合比、養護制度等多個方面進行總結和歸納。同時，為了進一步推進RPC在實際工程中的應用，還需要對以下問題進行深入研究：1)RPC的抗拉性能與彈性模量；2)RPC的成本控制手段；3)RPC材料的動力效應及抗沖擊試驗相關研究；4)RPC的應力—應變本構關系試驗研究。