1北京市市政專業(yè)設(shè)計院股份公司 北京 100037

摘要：活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡稱RPC）是繼高強、高性能混凝土之后研制成功的集超高強度、高耐久性于一身的新型水泥基復(fù)合材料。在土木工程領(lǐng)域中，隨著高層建筑和大跨結(jié)構(gòu)迅速增加，為RPC的應(yīng)用和推廣提供了巨大的市場。筆者通過理論分析、模擬試驗等方式對RPC材料與鋼材結(jié)合能力進行測定，并據(jù)此論證RPC材料應(yīng)用于快速拼裝施工中的可行性。

關(guān)鍵詞：RPC混凝土；快速施工；可行性分析

1 RPC混凝土概述

1.1 RPC混凝土的概念

RPC混凝土也叫活性粉末混凝土（reactive powder concrete），定義：以細砂為骨料，摻入大量硅灰等礦物摻合料、高效減水劑和微細鋼纖維，薄弱的界面得到大幅度加強，使斷裂能提高兩個數(shù)量級以上，成為一種高強度、高韌性、低孔隙率的混凝土材料。是于1993年由法國Bouygues公司Richard等人率先研制出來的[1]。

1.2 國內(nèi)外RPC混凝土研究現(xiàn)狀

由于活性粉末混凝土具有超高強度、高韌性、高耐久性、良好的體積穩(wěn)定性和環(huán)保性能，因此可應(yīng)用的領(lǐng)域極為廣泛 [4]。這在國內(nèi)外引起了材料界和工程界的關(guān)注，并進一步研究如何將這種材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用于土木工程中。

國外對RPC配制技術(shù)的研究較為成熟，有關(guān)RPC的材料、配比、養(yǎng)護條件、耐久性和強度等方面研究成果表明，由于RPC具有較好的勻質(zhì)性及密實度，抗壓強度和耐久性等均有大幅提高；養(yǎng)護條件對RPC力學(xué)性能的影響很大，確定了合適的養(yǎng)護條件[1]、[2]、[5～6]。目前，國外對RPC的研究重點已從基本性能轉(zhuǎn)移到了構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法上，以求將這種材料盡快在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中推廣 [3]。

當前國內(nèi)也有很多單位開展了對RPC材料的研究，清華大學(xué)最早開始研究RPC材料，東南大學(xué)、北京交通大學(xué)、中南大學(xué)等都相繼開始研究RPC的配合比及成型工藝。很多學(xué)者開始研究RPC的構(gòu)件性能，對其結(jié)構(gòu)進行理論計算，并在實際工程中開始使用RPC結(jié)構(gòu)，雖然僅作為輔助構(gòu)件，但RPC的優(yōu)越性仍然顯露無疑。

在對RPC的本構(gòu)關(guān)系的試驗研究中，與普通高性能混凝土（HPC）和普通混凝土（OC）進行比較，結(jié)果表明：RPC的極限壓應(yīng)變是HPC的2～3倍。在相同抗彎強度的前提下，RPC結(jié)構(gòu)重量僅為普通鋼混結(jié)構(gòu)的1/2～1/3，大大減輕了結(jié)構(gòu)自重；同時，在未經(jīng)加壓成型、標準養(yǎng)護等條件下，RPC的抗壓強度仍可達170MPa～230MPa。

1.3 國內(nèi)RPC混凝土研究存在問題

我國對RPC的研究雖然起步較晚，但也取得了一定的成績。就目前而言，RPC在研究中存在著以下幾個問題。

（1）缺少優(yōu)質(zhì)摻料。

（2）制作成本高，制備工藝復(fù)雜。

（3）自收縮較大。

（4）缺少明確公認的RPC本構(gòu)關(guān)系。

（5）雖然RPC具有較好的韌性，但RPC構(gòu)件的抗震性能能否滿足結(jié)構(gòu)的抗震要求目前還未可知，相關(guān)研究工作還沒開展，因此應(yīng)進一步考察RPC受力構(gòu)件的抗震性能[3]；

（6）目前有關(guān)高性能混凝土抗火性能及災(zāi)后損傷評估的研究還不完善，而活性粉末混凝土在高溫下的破壞現(xiàn)象和機理目前還沒有相關(guān)研究，急需開展相關(guān)的試驗研究，以考察RPC的抗火性能[3]；

（7）缺少完備的規(guī)范制度。

（8）要提出針對RPC這種新材料的活性測試技術(shù)，就必須解決缺乏相對穩(wěn)定的操作規(guī)程、相應(yīng)的數(shù)據(jù)解釋文件及標準參考值的現(xiàn)狀；

（9）大比尺構(gòu)件模型試驗結(jié)果與實際原型工程測試結(jié)果的對比資料仍然是一片空白。

2 RPC混凝土用于快速拼裝施工的優(yōu)點

隨著國家經(jīng)濟的房展，城市交通壓力日益增大；在現(xiàn)況城市交通網(wǎng)內(nèi)進行結(jié)構(gòu)施工，會影響到城市正常的交通運營。在這種背景下，快速拼裝施工的優(yōu)點不言而喻。拼裝施工就像搭積木一樣，把整體結(jié)構(gòu)劃分為多種結(jié)構(gòu)預(yù)制單元，再通過栓接、焊接、二次澆筑接頭等方式在現(xiàn)場快速拼裝成形，大大節(jié)省了現(xiàn)場作業(yè)的時間，減少了城區(qū)內(nèi)施工對于交通的影響。同時，該施工工藝具有：廠制單元質(zhì)量高、尺寸精度好、現(xiàn)場施工快捷、工藝簡單、極大的節(jié)省了施工工期等特點。

但是現(xiàn)有的拼裝施工中由于混凝土材料本身的缺點，預(yù)制單元多采用鋼結(jié)構(gòu)，增加了工程投資。

而活性粉末混凝土（RPC）特殊的性能可以彌補這些缺點，筆者從RPC材料自身特性出發(fā)，挖掘其在拼裝施工領(lǐng)域的適用性。

2.1高強度、高韌性、高耐久性

RPC的抗壓強度可以達到200MPa ～800MPa；抗拉強度可以達到20MPa～50MPa；彈性模量為40Gpa～60Gpa；斷裂韌性高達40000J/m2，是普通混凝土的250倍，可與金屬鋁媲美；氯離子滲透性是高強混凝土的1/25，抗?jié)B透能力極強；預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土梁的抗彎強度與其自重之比接近于鋼梁。RPC在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用可以解決目前的高強與高性能混凝土抗拉強度不夠高、脆性大、體積穩(wěn)定性不良等缺點，同時還可以解決鋼結(jié)構(gòu)的投資高、防火性能差、易銹蝕等問題。

2.2 RPC與鋼材結(jié)合性能優(yōu)越

普通混凝土在復(fù)雜應(yīng)力及疲勞荷載作用下，結(jié)合處易開裂、剪力鍵失效等，這是其用于拼裝施工中的主要弊病。

而筆者通過查閱國內(nèi)外資料、模型分析、試件試驗等方法，分析發(fā)現(xiàn)RPC材料兼顧了混凝土材料和鋼材的部分優(yōu)點，非常適合運用到鋼—砼組合構(gòu)件中，其優(yōu)越的性能也通過鋼筋拔出試驗、剪力鍵推出試驗、板受彎試驗等得到了驗證?，F(xiàn)總結(jié)出以下結(jié)論：

（1）RPC本身超高的強度和致密性，使得粘結(jié)強度比普通混凝土高了很多，并且在鋼筋拔出試驗中沒有出現(xiàn)劈裂破壞。

試驗均采用立方體RPC試塊，只是鋼筋直徑和布置位置有所不同。試驗均以鋼筋被拉斷或鋼筋拔出作為最終破壞形式，RPC混凝土完好，未出現(xiàn)明顯裂縫。

部分試塊保護層厚度小到1厘米，在拉拔力試驗中，仍然沒有混凝土被劈裂的現(xiàn)象產(chǎn)生，說明RPC材料的抗劈裂性能很好，能夠很好地握裹住鋼筋，而且可以看出RPC超高的致密性可以更好地保護鋼筋不被腐蝕。

（2）對RPC混凝土與普通混凝土的鋼筋拔出做對比試驗，驗證了RPC對鋼筋的握裹力明顯高于普通混凝土。

RPC與HRB500鋼筋的粘結(jié)強度規(guī)律與普通混凝土和普通鋼筋的粘結(jié)性能一致，都是與相對保護層厚度成正比，與相對錨固長度成反比，與鋼筋直徑成反比，只是因為RPC本身超高的強度和致密性，使得粘結(jié)強度比普通混凝土高了很多。在鋼筋被拔出至破壞的過程中，變形鋼筋肋間的混凝土主要是受拉力作用，所以RPC的抗拉強度對粘結(jié)強度有一定的影響。粘結(jié)強度隨著RPC強度的提高而提高。

（3）RPC剪力鍵推出試驗中，多組試驗結(jié)果均是剪力釘被剪斷，RPC沒有出現(xiàn)明顯裂縫；證明在剪力鍵傳力體系中RPC的安全性能較高。

試驗采用經(jīng)典剪力鍵推出試驗?zāi)Ｐ?，對于剪力釘直徑、剪力釘間距等進行了分組。

按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50017-2003）第11.3.1條的規(guī)定，對于栓釘剪力連接件進行驗算。

由于RPC混凝土超高的抗壓強度，使得公式左邊的值遠高于普通混凝土。

RPC混凝土的軸心抗壓強度設(shè)計值取為130N/mm2，普通混凝土采用C50，即普通混凝土的軸心抗壓強度設(shè)計值取為22.4N/ mm2；帶入公式發(fā)現(xiàn)RPC的計算結(jié)果是普通混凝土的2.4倍。而采用普通混凝土計算發(fā)現(xiàn)，（混凝土承載力），（鋼栓釘承載力）。普通混凝土與鋼栓釘?shù)某休d力基本相等。故RPC混凝土的承載力為鋼栓釘?shù)亩兑陨?，所以推出試驗中，剪力釘被剪斷，RPC沒有出現(xiàn)明顯裂縫。

（4）RPC板件的正截面受彎與普通混凝土的適筋梁正截面受彎破壞狀態(tài)一樣，只是RPC出現(xiàn)裂縫后，還能繼續(xù)承擔部分荷載，不會發(fā)生混凝土突然斷裂的情況，說明RPC具有較好的延性，這對工程應(yīng)用有著重要意義。

綜上所述，RPC混凝土與鋼構(gòu)件結(jié)合的性能較強，在常規(guī)驗證試驗中均表現(xiàn)出了超越普通混凝土的優(yōu)良特性?？梢栽O(shè)想，通過合理的構(gòu)造設(shè)計，我們把一個大體量的混凝土結(jié)構(gòu)拆分為多個小規(guī)模構(gòu)件，在各小構(gòu)件連接處預(yù)埋鋼連接件；在施工現(xiàn)場通過快速的栓接、焊接等工藝迅速組裝構(gòu)件，形成整體受力的結(jié)構(gòu)；然后在不影響交通運營的基礎(chǔ)上，對連接部位進行現(xiàn)澆處理，用混凝土保護住鋼構(gòu)件，完成整個施工流程。

這種做法既保證了混凝土結(jié)構(gòu)的整體性和可靠性，又盡可能的減小施工占地的時間和空間，節(jié)省了造價、工期，可謂一舉多得的好方案。

3 RPC混凝土用于快速拼裝施工存在的問題

RPC良好的性能，使其應(yīng)用于拼裝施工領(lǐng)域的潛力極大，在論證了RPC的優(yōu)點后我們也從存在問題的角度分析一下其存在的問題及今后研究的方向。

3.1較高的造價和嚴格的制作工藝

這是RPC材料應(yīng)用于工程領(lǐng)域最大的絆腳石。由于國內(nèi)對于RPC材料運用起步較晚，不具備大型工業(yè)化生產(chǎn)的能力，使得RPC材料在國內(nèi)造價過高。

RPC材料配料、攪拌、養(yǎng)護等要求均比普通混凝土嚴格，制作工藝的不成熟和苛刻的制作條件要求限制了這一材料的推廣。

不過隨著技術(shù)的更新和市場化運作的開始，RPC材料一定能從試驗性材料轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌鰪V泛推廣材料。

3.2缺乏規(guī)范及標準

RPC材料在國內(nèi)尚屬于開發(fā)階段，國內(nèi)還沒有針對這種材料的相關(guān)規(guī)范和標準，制約著RPC投放市場的進度。隨著更多相關(guān)科研成果、試驗工程的出現(xiàn)，RPC的規(guī)范化進程也會越來越快。

3.3缺少實際工程

盡管RPC材料在國際上已經(jīng)運用到實際工程中，并作為主受力構(gòu)件已經(jīng)開始運營，但是國內(nèi)僅僅將其用于局部構(gòu)件或者附屬構(gòu)件中，暫時沒有把RPC作為主受力構(gòu)件的工程案例。

4 結(jié)論

RPC作為一種新興材料應(yīng)用于快速拼裝施工領(lǐng)域是可行的，也是非常有潛力的。其優(yōu)越的性能為土木工程業(yè)打開了一片新的領(lǐng)域，雖然目前存在著一些技術(shù)、經(jīng)濟方面的問題，但隨著土木工程業(yè)對其研究的深入，我們對于RPC的前景充滿信心。

參考文獻：

[1]P.Richard，M.Cheyrezy.Reactive powder concrete with high ductility and 200Mpa～800Mpa compressive strength，ACI SP 144，1994，507-518.

[2]Pierre Richard，Marcel Cbeyrezy，Composition of Reactive Powder Concrete，Cement and Concrete Research，1995，Vol.25（7）：1501-1511

[3]王震宇，陳松來，袁杰.活性粉末混凝土的研究與應(yīng)用發(fā)展[J].混凝土，2003，11（168）：39-44.

[4]覃維祖.活性粉末混凝土的研究[J].石油工程建設(shè)，2002（3）

[5] Marcel Cbeyrezy，Vincent Maret，Laurent Frouin.Micro structural Analysis of RPC.Cement and Concrete Composites，1995，Vol.25（7）：1491-1500

[6] V.Matte，C.Richet，M.Moranville.Characterization of reactive powder concrete as a candidate for the storage of nuclear wastes.Symposium on High-Performance and Reactive Powder Concrete，Sherbrooke，Canada，1998，Vol.3：75-88