孫志光

（中國建筑第八工程局有限公司，北京 100097）

1 引言

在結構工程向大型化、復雜化和功能化發(fā)展的趨勢下，對混凝土抗壓強度等級的要求不斷提高。然而高強度等級未能解決混凝土低拉壓比問題，通常以提高配筋率的方式加以彌補。高配筋率增大了澆筑施工難度，同時，鋼筋約束條件下混凝土收縮應力加劇開裂，加劇外界侵蝕介質(zhì)滲入，降低混凝土結構耐久性。此外，對于高強混凝土，骨料—水泥石界面過渡區(qū)仍然是降低力學性能和耐久性的主要薄弱環(huán)節(jié)。

針對以上問題，上世紀末由法國布伊格（Bouygues）公司基于“高致密水泥基均勻體系”（DSP）模型和纖維增強復合材料原理，以水泥、硅粉、石英砂（400～600μm）、高效減水劑和鋼纖維等為主要組成材料，在凝結硬化過程中，配以施壓、熱處理等養(yǎng)護制備工藝，研發(fā)了一種超高強、低脆性和耐久性優(yōu)異的新型高性能混凝土——活性粉末混凝土（RPC）。

雖然 RPC 的研究與應用尚不足二十年，但其兼具了鋼材強度大、韌性高和混凝土耐火、耐腐蝕性強的優(yōu)點，具有廣闊的應用前景，已成為國際工程材料領域研究熱點之一[1,2]。本文通過分析活性粉末混凝土的配制、微觀結構和性能的基本原理，明確活性粉末混凝土力學性能和耐久性特征，針對RPC 的工程應用性能，提出尚需解決的問題。

2 基本原理

通?；炷潦怯缮?、石、水泥、水、礦物摻合料和化學外加劑六相配制的復合材料，其中水泥石—粗骨料界面過渡區(qū)具有 Ca(OH)2結晶粗大和孔隙率高等特點，表現(xiàn)為應力集中、粘結力低，成為影響混凝土力學性能及耐久性的主要因素。因此，提升界面過渡區(qū)結構特征是實現(xiàn)混凝土高性能化的最重要途徑之一。RPC 通過剔除粗骨料，提高膠凝材料活性，優(yōu)化顆粒密堆積結構，能夠減小內(nèi)部缺陷，從而獲得優(yōu)良力學性能和耐久性。

2.1 剔除粗骨料，提高均勻性，減少缺陷

對于固體材料，通常理論強度約為彈性模量的 0.1～0.2倍，但實測值僅為彈性模量的 (0.1～0.2)×10-3倍，相差甚遠，其原因在于材料內(nèi)部結構存在大量缺陷。在新拌混凝土階段，骨料表面聚集水膜，硬化混凝土局部孔隙率顯著增大，此外，泌水也使骨料下表面形成水囊，結構混凝土未承受荷載作用情況下，界面過渡區(qū)便充滿微裂縫。由于水泥石與骨料的彈性模量存在差異，當應力和溫度變化時，水泥石和骨料變形量不同，水泥石—骨料界面出現(xiàn)剪應力和拉應力，誘發(fā)微裂縫。隨著應力增加，微裂縫不斷擴展，逐步延伸至水泥石，最終導致水泥石斷裂。提高 RPC 材料的均勻性是消除混凝土固有缺陷的有效方法，主要途徑如下：

（1）降低骨料粒徑和含量，改善結構均勻性。

國外研究表明，荷載作用下，混凝土微觀裂縫寬度與骨料粒徑呈正比關系[3]。剔除普通混凝土粗骨料（通常最大粒徑為 9～80mm），僅以石英砂作為細骨料，使骨料粒徑減至約2%，荷載作用、收縮和高溫養(yǎng)護等因素引發(fā)的微裂縫寬度顯著減小，改善了界面過渡區(qū)結構特征，材料宏觀性能提升。

相比于石英砂間隙，水泥漿體積富余度比約為 120%，石英砂無法形成骨架結構，在漿體收縮過程中，石英砂隨漿體移動，有效減小了石英砂與水泥石間開裂傾向[3,4]。

粗骨料與水泥石彈性模量比約等于 3，以致粗骨料與水泥石形變特性不一致，界面過渡區(qū)易形成微觀裂縫。RPC 骨料與水泥石的彈性模量之比在 1～1.4 之間，形變一致性顯著提高。

（2）改善漿體水化微觀結構，強化骨料—水泥石界面。

大摻量高活性礦物摻合料（硅粉）是 RPC 配制的主要特征之一，硅粉具有三個作用：① 優(yōu)化密堆積結構，提高密實度；② “滾珠效應”可提升流變特性；③ 高火山灰活性，與 Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應，細化 Ca(OH)2晶體尺寸，優(yōu)化 Ca(OH)2取向排列；降低 C-S-H 凝膠鈣硅比，提高漿體強度，強化界面過渡區(qū)。

RPC200 物理力學性能演變發(fā)展規(guī)律研究表明硅灰最佳摻量為 25%～35%[5]，火山灰效應分析發(fā)現(xiàn) RPC 中硅灰增強作用極高，高溫養(yǎng)護條件下，強度貢獻率約為 40%。

此外，硅灰有益于提高鋼纖維與水泥基基體間粘結力，何峰等研究表明摻入 20%～30% 硅灰可使鋼纖維與基體界面粘結強度達到峰值[7-11]。

2.2 提高堆積密度

大量研究表明優(yōu)化顆粒級配，采用多級粒徑分布，堆積密度最優(yōu)時，材料內(nèi)部微觀缺陷最少。應用流變學和密堆積結構優(yōu)化理論來決定高效減水劑最佳摻量。改善拌合工藝，使拌合物組分分布均勻、流動性優(yōu)良。在凝結過程中，對RPC 材料施壓養(yǎng)護，可以使內(nèi)部氣體和自由水排出，消除部分收縮孔隙，降低孔隙率，進一步提高密實度[12]。

2.3 高溫養(yǎng)護改善水化微觀結構

RPC 材料的水化微觀結構特征受養(yǎng)護溫度的顯著影響。Marcel Cheyrezy 的研究表明 20℃ 養(yǎng)護至 28d 齡期，C-S-H 凝膠鏈短，火山灰二次水化程度低；水化結構決定于高溫養(yǎng)護和加壓狀態(tài)，火山灰反應在 200～250℃ 之間時加強，提高養(yǎng)護溫度可增加 C-S-H 凝膠鏈長[13,16,17]。硅粉反應活性依賴于高溫養(yǎng)護和持續(xù)時間，養(yǎng)護溫度是水化微觀結構的主要決定因素之一[14]。

研究表明，在 20～90℃ 常壓養(yǎng)護條件下，RPC200 水化產(chǎn)物呈無定形態(tài)，提高養(yǎng)護溫度，火山灰二次水化效應加強，100nm 以上孔體積降低，孔結構細化。在 250～400℃ 壓力養(yǎng)護條件下，RPC 800 水化產(chǎn)物 C-S-H 凝膠脫水，生成硬硅鈣石晶體。

2.4 復合鋼纖維，提高韌性

相對于普通混凝土，無纖維 RPC 僅具有高強度，但韌性未有明顯改善?；w和纖維屬兩類材料，鋼纖維使 RPC 成為各向異性材料，纖維可以阻滯水泥基料在荷載裂縫擴展。在承受荷載前期，以水泥基基體受力為主，鋼纖維約束水泥基體裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。伴隨荷載增大，基體逐漸開裂，一部分基體退出工作，橫跨裂縫的鋼纖維繼續(xù)承受荷載作用，破壞荷載提高。超過極限荷載后，裂縫繼續(xù)擴展，鋼纖維不斷拉斷或拔出，過程中承載能力緩慢下降，荷載—位移曲線包絡面積增大，斷裂能、斷裂韌性和裂縫張開位移提高，材料破壞呈現(xiàn)出延性[18]。

鋼纖維對 RPC 增強作用程度與鋼纖維材質(zhì)、數(shù)量、形貌、分布方向以及與基體粘結力等密切相關。研究表明鋼纖維增強作用與直徑呈反比；一定范圍內(nèi)，與鋼纖維摻入量呈正比，且對抗彎強度作用遠高于抗壓強度，但過量摻入鋼纖維，將降低 RPC 工作性。因此，應綜合考慮 RPC 工作性和力學性能進行鋼纖維摻量設計。通常，RPC 鋼纖維直徑為0.15～0.18mm，長 3～12mm，摻量為 2%～6%（體積）比較合理。

3 性能特點

RPC 抗壓強度為 200～800 MPa，抗拉強度 25～150 MPa，斷裂能高達 30 kJ/m2，是一種超高力學性能混凝土。目前，工程界通常將 RPC 材料劃分為 RPC200 和 RPC800 兩個強度等級，前者采用蒸汽養(yǎng)護，后者采用高溫高壓養(yǎng)護。RPC200、RPC800、高強混凝土與普通混凝土力學性能對比見表 1[1,4]，可以看出：相對高強混凝土（HSC）和普通混凝土（NSC），RPC 抗壓強度、抗折強度和斷裂能均有顯著提升，韌性得以優(yōu)化。

表1 RPC200、RPC800、HSC 與 NSC 的力學性能對比分析

圖1 給出了 RPC 和高性能混凝土（High-performance Concrete，HPC）的典型應力—應變曲線[19]，分析可知 RPC受壓構件的抗壓強度和變形性能遠優(yōu)于 HPC。鋼管約束和預應力進一步提升了 RPC 抗壓強度和延性，明示了 RPC 材料更為高效和合理利用途徑。

圖1 RPC 和 HPC 抗壓強度-應變?nèi)€

嚴酷服役環(huán)境下，耐久性是衡量材料品質(zhì)的一項重要指標。近年來，國內(nèi)外已開展了相關研究，主要研究方向包括RPC 的抗?jié)B性、抗侵蝕性、抗凍性和耐磨性等方面[20,21]。

優(yōu)良的孔結構使 RPC 材料具有低滲透性、高抗侵蝕介質(zhì)滲入性能和耐磨性，表 2 給出了 RPC 與其它幾種混凝土的耐久性指標的比較[22]。

4 工程應用

表2 NSC、HPC、RPC 耐久性對比

近年來，國內(nèi)外對 RPC 材料進行了多領域應用探索。加拿大魁北克省利用 RPC 材料建成世界上第一座公路橋——Sherbrooke 橋，其采用 RPC 鋼管桁架結構，單跨跨徑 60m，橋?qū)挾?4.2m。橋面板厚度 30mm，間隔 1.7m 設置加強肋，加強肋高 70mm。桁架腹桿采用直徑 15cm、壁厚 3mm 不銹鋼管，內(nèi)部灌注 PRC200，下弦采用 RPC 雙梁。常規(guī)預制件長 10m、高 3m，現(xiàn)場后張預應力拼裝。圖 2～4 分別給出Sherbrooke 橋的設計示意圖、實景圖和上部結構[18,23]。

圖2 Sherbrooke 橋設計示意圖

圖3 Sherbrooke 橋?qū)嵕皥D

圖4 Sherbrooke 橋上部結構形式

法國拉法基公司率先將 RPC 材料作為結構材料和裝飾材料商業(yè)化，該產(chǎn)品成功應用于和平橋主跨結構（圖 5）。和平橋具有建設速度快，自重輕的特點，標志著 RPC 在實際應用中達到了新的高度[18]。

圖5 和平橋全景圖

此外，美國已建成直徑 18m 的 RPC 無鋼筋圓形屋蓋，施工工期縮短至普通鋼結構的 1/3，澳大利亞已建成第一座RPC 公路橋——Shepherds Creek Road Bridge，法國成功制備了 RPC 核廢料容器，葡萄牙利用 RPC 材料建造防護堤等海防結構，日本利用 RPC 預制箱梁建成了 Sakata-Mirai 步行橋。由于優(yōu)異的抗腐蝕性和抗?jié)B性，RPC 在壓力管道和下水道等領域同樣得到了廣泛應用。目前，我國 RPC 材料的工程應用尚處于起步階段，在高速鐵路、青藏鐵路和北京五環(huán)等工程中已有推廣應用。

5 存在的問題

國內(nèi)外 RPC 材料性能和工程應用性能已有大量研究成果，然而，總體而言，RPC 研究和應用仍存在如下幾方面的問題，亟需完善：

（1）設計、生產(chǎn)、質(zhì)量控制與檢驗等標準缺失。

由于缺少材料設計、生產(chǎn)、質(zhì)量控制與檢驗等標準，RPC 取材、設計和制備等工藝過程無規(guī)范可依，針對 RPC性能評價指標和檢測方法的缺失，以致不同單位制備的同種RPC 材料性能差異較大。

（2）RPC 結構設計理論和方法滯后。

目前，國內(nèi)外未有 RPC 結構設計通用標準規(guī)范，設計方法以普通混凝土結構設計規(guī)范為準，很大程度上限制了 RPC優(yōu)異性能的發(fā)揮。因此，深入研究 RPC 材料工作性、力學性能和耐久性，構建針對 RPC 材料的結構設計規(guī)范和施工技術規(guī)范是亟待解決的技術問題。

（3）收縮大，且不易現(xiàn)場澆筑。

低水膠比、高膠凝材料用量和高溫養(yǎng)護等因素導致 RPC收縮量大，同時給現(xiàn)場澆筑施工造成一定困難。

（4）制備工藝復雜、成本過高。

大摻量的鋼纖維、硅灰和高效減水劑，高品質(zhì)原材料和復雜的制備工藝，以及特殊的成型和養(yǎng)護等因素，使 RPC 材料的生產(chǎn)成本過高，一定程度上阻礙了大范圍的推廣應用。

[1]覃維祖.一種超高性能混凝土——活性粉末混凝土[J].工業(yè)建筑，1999, 29(4): 16-18.

[2]閻培渝.超高性能混凝土（UHPC）的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].混凝土世界，2010,(15): 36-41.

[3]F de Larrard, T Sedran. Optimization of Ultra-High-Performance-Concrete by the Use of A Packing Model. Cement and Concrete Research, 1994, 24(6).

[4]Bonneau O, Poulin C, Dugat J, et al. Reactive Powder Concrete: from theory to practice .Concrete International, 1996,18(4): 47-49.

[5]Olivier Bonneau, Christian Vernet, Micheline Moranville,Pierre-Claude. Characterization of the granular packing and percolation threshold of reactive powder concrete. Cement and Concrete Research. 2000, (30): 1861-1867.

[6]何峰，楊軍平，馬淑芬.硅灰摻量對活性粉末混凝土(RPC200)性能的影響[J].桂林工學院學報，2007, 27(1):77-80.

[7]何峰，黃政宇.硅灰和石英粉對活性粉末混凝土抗壓強度貢獻的分析[J].混凝土，2006 (1): 39-42.

[8]Yin -Wen Chan，Shu - Hsien Chu. Effect of Silica Fume on Steel Fiber Bond Characteristics in Reactive Powder Concrete.Cement and Concrete Research，2004(34): 1167- 1172.

[9]Yin-Wen Chan and Shu-Hsien Chu. Effect of silica fume on steel fiber bond characteristics in reactive powder concrete.Cement and Concrete Research, 2004, 34 (7): 1167-1172.

[10]Whiting D A, Detwiler R J, Lagergren E. Cracking tendency and drying shrinkage of silica fume concrete for bridge deck application. ACI Materials Journal, 2000, 97(1): 71-77.

[11]Helene Zanni, Marcel Cheyrezy, Vincent Maret,et al.Investigation of Hydration and Pozzolanic Reaction in Reactive Powder Concrete( RPC). Cement and Concrete Research, 1996,26(1): 93-100.

[12]Pierre Mounangaa, Abdelhafid Khelidja, Ahmed Loukilib,et al. Predictiong Ca(OH)2content and chemical shrinkage of hydrating cement pastes using analytical approach. Cement and Concrete Research, 2004, 34 (1): 255–265.

[13]Helene Zanni, Marcel Cheyrezy, Vincent Maret, et al.Investigation of Hydration and Pozzolanic Reaction in Reactive Powder Concrete( RPC)Using Sinmr. Cement and Concrete Research, 1996, 26(1): 93-100.

[14]Samuel Philippot, Sylvie Masse, Helene Zanni, et al. Study of Hydration and Pozzolanic Reactions in Reactice Powder Concrete(RPC). Magnetic Resonance Imaging, 1996, 14(7): 891-893.

[15]Masse S., Zanni H., Lecourtier J., et al. NMR study of tricalcium silicate and cement hydration at high temperature.Cement and Concrete Research, 1993, (23): 1169-1177.

[16]Marcel Cheyrezy, Vincent Maret, Laurent Frouin.Microstructural analysis of RPC. Cement and Concrete Research,1995, 25 (7): 1491-1500.

[17]M. Cherrezy, V. Maret, L. Frouin. Microstructual analysis of RPC. Cement and Concrete research, 1996, 26 (1): 93-100.

[18]劉娟紅.大摻量礦物細粉活性粉末混凝土水化特征和性能的研究[D].博士學位論文.北京：中國礦業(yè)大學(北京)，2008.

[19]楊吳生，黃政宇.活性粉末混凝土耐久性能研究[J].混凝土與水泥制品，2003 (1): 19-20.

[20]安明喆.RPC材料研究報告[J].北京：北京交通大學，2003.

[21]龍廣成.活性粉末混凝土研究[D]. 碩士學位論文.長沙：中南大學，2000.

[22]Roux N, Andrade C, Sanjuan A M. Experimental Study of Durability of Reactive Powder Concretes. Journal of Materials in Civil Engineering, 1996, 8 (1):1-6.

[23]原海燕.配筋活性粉末混凝土受拉性能試驗研究及理論分析[D].博士論文.北京：北京交通大學，2009.