活性粉末混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用和發(fā)展前景

于景超（遼寧城市建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽110122）

1 引言

隨著大型工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展及其設(shè)計(jì)、使用要求的不斷提高，工程界對(duì)混凝土的高強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)自重、長期體積穩(wěn)定性和綜合復(fù)雜環(huán)境作用下的耐久性均提出了比以往更高的要求。活性粉末混凝土為實(shí)現(xiàn)上述要求提供了材料上的可能。活性粉末混泥土—Reaction powder concrete（簡稱 RPC）是由法國著名營造公司Bouygues 公司以Pierre Richard 為首的研究小組于1993 年率先研制成功的一種超高強(qiáng)、高韌性、高耐久性和體積穩(wěn)定的水泥基復(fù)合材料。由水泥、石英砂、石英粉、硅灰、鋼纖維和高效堿水劑等組分，采用適當(dāng)?shù)某尚秃宛B(yǎng)護(hù)工藝制作而成。由于通過提高組分的細(xì)度和活性使材料內(nèi)部缺陷減少到最小，因此可獲得超高強(qiáng)度與耐久性。1994 年美國認(rèn)證協(xié)會(huì)ACI 在舊金山召開的春季會(huì)議上，Richard 等人公布了他們的研究成果，并首次提出了活性粉末混凝土這一術(shù)語。根據(jù)組分、養(yǎng)護(hù)方法和成型條件的不同，可以制成抗壓強(qiáng)度分別為200MPa、800MPa 左右的RPC，分別簡稱為RPC200 和RPC800。由于RPC 優(yōu)良的力學(xué)性能和耐久性，問世后短短的幾年內(nèi)就在工程領(lǐng)域獲得應(yīng)用。目前，它的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入到橋梁工程、建筑工程、水利工程、核電站工程、特種結(jié)構(gòu)等多個(gè)領(lǐng)域，并表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

2 活性粉末混凝土的基本設(shè)計(jì)原理

活性粉末混凝土的基本設(shè)計(jì)原理是：通過提高材料組份的細(xì)度與活性，減少材料內(nèi)部的缺陷（空隙與微裂縫），以獲得由其組成材料所決定的超高強(qiáng)度與高耐久性。

2.1 消除缺陷，提高材料的均質(zhì)性

1）去除粗骨料，消除骨料與水泥砂漿的界面過渡，改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性。

水泥水化初期由于化學(xué)收縮會(huì)在骨料與水泥漿界面引起微裂縫，混凝土受到荷載作用后，粗骨料與砂漿界面處應(yīng)力集中，極易引起破壞。由于微裂縫的長度與骨料粒徑尺寸成正比，骨料粒徑減小，裂縫寬度也小，RPC 去除粗骨料，（粒徑大于1mm 骨料），只用細(xì)骨料，極大地減少了水化初期骨料與水泥漿界微裂縫的寬度，因而，混凝土的強(qiáng)度得到較大提高。同時(shí)骨料粒徑的減小，使得由于骨料自身的缺陷對(duì)RPC 整個(gè)基體的影響也隨之減小。

2）增加活性組分，改善漿體的力學(xué)性能

在普通混凝土中，由于骨料與硬化水泥石之間彈性模量的差異（骨料的彈性模量是硬化水泥石的3 倍左右），導(dǎo)致其在荷載作用下骨料與水泥石變形不協(xié)調(diào)而在界面處產(chǎn)生成細(xì)微的裂縫。RPC 中含有較多硅灰，骨料周圍的Ca(OH)2晶體因與之反應(yīng)生成大量水化硅酸鈣凝膠而使界面處裂縫大為減少;同時(shí)，在熱處理的過程中，石英粉與水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，會(huì)大幅度地提高硬化水泥石的彈性模量等漿體的力學(xué)性能。基本消除RPC 中由于骨料與硬化水泥石之間彈性模量的不均勻性影響而產(chǎn)生的微裂縫缺陷。

表1 活性粉末混凝土、高強(qiáng)混凝土、普通混凝土的力學(xué)特性比較

2.2 優(yōu)選級(jí)配，凝固加壓，提高密實(shí)度

采用最大密實(shí)理論模型進(jìn)行顆粒比優(yōu)化，使顆粒混合體形成最小空隙的填充狀態(tài)，同時(shí)選擇與活性組分相容性良好的高效減水劑，在最優(yōu)級(jí)配條件下，根據(jù)相對(duì)密度（脫模時(shí)的混凝土密度與理想壓實(shí)的顆粒配料的固體密度之比），確定最佳用水量，從而使拌合物到最大密實(shí)狀態(tài)。

對(duì)新拌混凝土施加圍壓，可排除混凝土中攪拌時(shí)加入多余的水分，排盡新拌混凝土中絕大部分氣泡，最大程度地減少材料中孔隙的數(shù)量和體積;同時(shí)，可補(bǔ)償化學(xué)收縮，消除在水化過程中因化學(xué)收縮引起的微裂縫。

2.3 凝固后熱養(yǎng)護(hù)，充分發(fā)揮反應(yīng)性，改善微結(jié)構(gòu)

在RPC 凝固后進(jìn)行熱養(yǎng)護(hù)可以加速水泥水化反應(yīng)的進(jìn)程和火山灰效應(yīng)的發(fā)揮，改善水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)。熱養(yǎng)護(hù)溫度不同，RPC 的微觀結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)形態(tài)有所不同。對(duì)于RPC200的可在90°溫度下常壓養(yǎng)護(hù)，RPC800 可在250~400°溫度下壓力養(yǎng)護(hù)，高溫（250~400°）熱養(yǎng)護(hù)會(huì)使水化生成物(水化硅酸鈣)凝膠大量脫水，形成硬硅鈣石結(jié)晶。

2.4 摻加微細(xì)的鋼纖維以提高韌性

未摻鋼纖維的RPC 與普通混凝土相比，其抗拉強(qiáng)度與韌性有一定提高，但仍屬脆性材料，抗拉強(qiáng)度偏低。為了改善這一性能，RPC 中采用摻入了微細(xì)（直徑為0.15~0.2mm）的鋼纖維，由于它能夠阻礙混凝土基體在外荷載作用下內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展，因此，可顯著提高RPC 的斷裂韌性、延性、抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，有效地避免無征兆的脆性破壞的發(fā)生。

3 活性粉末混凝土的優(yōu)良工程性能

3.1 超高的強(qiáng)度和韌性

RPC200 材料的抗壓強(qiáng)度為170~230MPa，是高強(qiáng)混凝土的2~4 倍；抗折強(qiáng)度為30~60MPa，是高強(qiáng)混凝土的4~6 倍；斷裂能達(dá)到15000~40000J/m2，而普通混凝土的斷裂能只有120J/m2。可見RPC 是具有高強(qiáng)度和高韌性的材料。

表2 活性粉末混凝土、高強(qiáng)混凝土、普通混凝土耐久性比較

3.2 超常的耐久性

由于RPC 的較低水膠比和較高的密實(shí)度，材料內(nèi)部空隙率極小，使得空氣和水分滲透系數(shù)極低，抗有害介質(zhì)侵蝕能力強(qiáng)，因而，與其它混凝土相比具有超高的耐久性。

3.3 良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保性能

由于RPC 超高的強(qiáng)度，在實(shí)際工程中，RPC可以減少構(gòu)件混凝土用量近2/3，而且還可大大減少構(gòu)件中的配筋量，甚至完全取消構(gòu)件中附加抗剪鋼筋，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。在同等承載力條件下，RPC 材料的水泥用量幾乎是普通混凝土或高強(qiáng)混過凝土的1/2，對(duì)不可再生的自然資源骨料的用量，RPC 材料也只占普通混凝土或高強(qiáng)混凝土的1/3~1/4。因此，RPC 是一種符合可持續(xù)發(fā)展要求的、環(huán)保性能良好的材料。

4 國內(nèi)外工程應(yīng)用實(shí)例

世界上第一座以RPC 為材料的橋梁是1997年建成的位于加拿大魁北克省Sherebrooke 市的一座人行橋。該橋采用RPC 鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)，橋梁跨度60m，橋面寬4.2m，桁架腹桿為直徑為150mm、壁厚為3mm 的不銹鋼管，內(nèi)灌RPC200，下弦為RPC 雙梁，采用后張預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝施工。由于混凝土使用了RPC，大大提高了橋梁在當(dāng)?shù)氐蜏亍⒏邼穸取?yán)重冰鹽腐蝕與凍融循環(huán)等惡劣環(huán)境作用下的耐久性能。且大大減輕了橋梁自重。2002 年韓國的漢城用RPC混凝土建造了跨度為120m 的π 型人行拱橋。2006 年在美國Iowa 州建造了徑跨為30.48m 的MarsHill 橋，該橋?yàn)閱慰绻窐颍喜拷Y(jié)構(gòu)，由3 根工字形主梁組成，全部采用RPC 材料建造。我國從1997 年開始對(duì)RPC 進(jìn)行研究，近幾年來對(duì)RPC 材料的配比、性能已經(jīng)有了充分的認(rèn)識(shí)。

工程應(yīng)用方面，在我國，為了改變橋梁（特別是鐵路橋梁）中普通鋼筋混凝土人行道板強(qiáng)度等級(jí)較低、耐久性差、抵抗沖擊能力弱、動(dòng)力特性差、角鋼支架養(yǎng)護(hù)維修量大、費(fèi)用高等缺點(diǎn)，最早嘗試采用新型RPC 人行道板系統(tǒng)來替代傳統(tǒng)的普通鋼筋混凝土板及角鋼支架，利用RPC 的優(yōu)良性能減小構(gòu)件尺寸和自重，提高使用壽命，RPC 人行道板已先后在北京五環(huán)高速公路，青藏鐵路、廣州市新光大橋、京滬高速鐵路整體式欄桿中得到了成功應(yīng)用，并取得了良好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果。2006 年遷曹鐵路灤柏干渠大橋工程采用5 孔圖號(hào)為專橋（02）2061-20 米低高度后張預(yù)應(yīng)力RPC 混凝土梁，所用的RPC 混凝土材料配比如下：

鋼纖維長度12~16mm，長徑比60~70；礦物摻和料主要成分為硅灰、粉煤灰、礦粉、稀土等，每片梁混凝土用量25m3，施工控制坍落度160~180mm，12 組抗壓試件在2d 初張拉時(shí)達(dá)到很高強(qiáng)度值，平均92.7MPa，最大103.3MPa，最小79.7MPa，終張拉時(shí)，12 組抗壓試件平均強(qiáng)度為114.4MPa，抗折強(qiáng)度平均可達(dá)20MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通混凝土。拆模后梁體表面平整光滑，沒有有害裂紋和掉角缺陷，取得了良好的效果。2009 年，RPC130 活性粉末混凝土在石武客運(yùn)專線河南段SWZQ-2 標(biāo)橋梁工程蓋板中也得到了成功應(yīng)用。

5 RPC 在橋梁工程領(lǐng)域應(yīng)用價(jià)值和前景

1)RPC 材料可以有效地減小橋梁結(jié)構(gòu)的截面尺寸和自重，提高橋梁的跨越能力

普通配筋鋼筋混凝土橋梁的最大缺點(diǎn)是自重大，在大跨預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋中，恒載作用效應(yīng)將占結(jié)構(gòu)總作用效應(yīng)的80%以上。由于RPC材料超高的抗壓強(qiáng)度，可有效減少截面尺寸、減輕自重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用RPC 其截面尺寸可以做到普通混凝土構(gòu)件1/3 左右，上部結(jié)構(gòu)梁的總重將降低40%左右，RPC 抗彎拉強(qiáng)度的提高使其具有較高抗剪強(qiáng)度，甚至有可能使RPC 在結(jié)構(gòu)中獨(dú)立承受剪力，從而在橋梁結(jié)構(gòu)中大大減少或完全去除輔助抗剪配筋，這樣就可以在設(shè)計(jì)中采用更薄的和更具有創(chuàng)新性的截面形狀。因此，RPC 對(duì)減輕配筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的自重、提高橋梁結(jié)構(gòu)抵抗使用荷載的有效性、增大結(jié)構(gòu)的跨越能力具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

表3 RPC 混凝土配比（kg/m3）

2)在預(yù)應(yīng)力及鋼管混凝土橋梁領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用

由于RPC 極高的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和彎拉強(qiáng)度使高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力筋的強(qiáng)度得以充分利用，且無需配置防止施工階段在拉應(yīng)力作用下發(fā)生開裂的非預(yù)應(yīng)力鋼筋，較高的彈性模量使錨具下的混凝土承壓面的壓縮變形大大減小，加之RPC 的收縮徐變現(xiàn)象極小，使其預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中由于混凝土的彈性壓縮、收縮、徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失值降至最大。極大地提高了預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的安全度和跨度。

利用鋼管側(cè)限無纖維RPC 制成的無纖維鋼管粉末混凝土，是具有超高的密實(shí)度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗沖擊韌性的材料，且因無鋼纖維，成本低，是建造大跨徑和超大跨橋梁的重要突破，具有巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3)RPC 材料將極大提高橋梁的耐久性和使用壽命

RPC 具有良好的抗?jié)B性高密實(shí)性與高沖擊韌性、抗疲勞性和抗耐磨性，將極大提高既有橋梁的耐久性能，使得采用RPC 的橋梁可以在各種惡劣環(huán)境長期作用下處于免維護(hù)或少維護(hù)狀態(tài)。不僅可以很好地保證交通運(yùn)輸?shù)耐〞常疫€可以節(jié)約大量的維修費(fèi)用。

4）將有效降低橋梁建設(shè)成本，發(fā)揮顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益

與普通混凝土、高強(qiáng)、高性能混凝土相比，RPC 大量減少了水泥和不可再生骨料的使用數(shù)量。由于其超高強(qiáng)度，用RPC 設(shè)計(jì)的橋梁構(gòu)件，可以極大地減少箍筋、受力鋼筋、加強(qiáng)鋼筋等價(jià)格較高、耗能較大的鋼筋用量。在城市軌道高架橋建設(shè)中，利用RPC 材料的特點(diǎn)，改變傳統(tǒng)的施工方法，采用預(yù)制拼裝RPC 橋墩不僅能充分利用材料強(qiáng)度，還可以將橋墩構(gòu)件在工廠集中預(yù)制，與基礎(chǔ)施工平行作業(yè)，減少現(xiàn)場工作量和場地占用，極大地縮短施工工期，提高建橋速度，從而有效地解決城市中橋梁建設(shè)期間道路等空間的占用問題，具有較高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié) 語

RPC 作為一種新的、具有優(yōu)良物理力學(xué)性能和工程性能的配筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，在公路、鐵路、城市橋梁工程中已顯示出良好的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。國內(nèi)外對(duì)RPC 的研究和應(yīng)用表明，它的應(yīng)用將改變傳統(tǒng)配筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并引入新的施工技術(shù)和理念，對(duì)橋梁工程的發(fā)展必將產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。

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