RPC混凝土用于快速拼裝施工中的可行性分析

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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合材料。在土木工程領域中，隨著高層建筑和大跨結構迅速增加，為RPC的應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材料與鋼材結合能力進行測定，并據此論證RPC材料應用于快速拼裝施工中的可行性。

關鍵詞：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 國內外RPC混凝土研究現狀

由于活性粉末混凝土具有超高強度、高韌性、高耐久性、良好的體積穩定性和環保性能，因此可應用的領域極為廣泛 [4]。這在國內外引起了材料界和工程界的關注，并進一步研究如何將這種材料產業化應用于土木工程中。

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

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

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

1.3 國內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）缺少優質摻料。

（2）制作成本高，制備工藝復雜。

（3）自收縮較大。

（4）缺少明確公認的RPC本構關系。

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

（6）目前有關高性能混凝土抗火性能及災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象和機理目前還沒有相關研究，急需開展相關的試驗研究，以考察RPC的抗火性能[3]；

（7）缺少完備的規范制度。

（8）要提出針對RPC這種新材料的活性測試技術，就必須解決缺乏相對穩定的操作規程、相應的數據解釋文件及標準參考值的現狀；

（9）大比尺構件模型試驗結果與實際原型工程測試結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點

隨著國家經濟的房展，城市交通壓力日益增大；在現況城市交通網內進行結構施工，會影響到城市正常的交通運營。在這種背景下，快速拼裝施工的優點不言而喻。拼裝施工就像搭積木一樣，把整體結構劃分為多種結構預制單元，再通過栓接、焊接、二次澆筑接頭等方式在現場快速拼裝成形，大大節省了現場作業的時間，減少了城區內施工對于交通的影響。同時，該施工工藝具有：廠制單元質量高、尺寸精度好、現場施工快捷、工藝簡單、極大的節省了施工工期等特點。

但是現有的拼裝施工中由于混凝土材料本身的缺點，預制單元多采用鋼結構，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，挖掘其在拼裝施工領域的適用性。

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，抗滲透能力極強；預應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在工程結構中的應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、體積穩定性不良等缺點，同時還可以解決鋼結構的投資高、防火性能差、易銹蝕等問題。

2.2 RPC與鋼材結合性能優越

普通混凝土在復雜應力及疲勞荷載作用下，結合處易開裂、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外資料、模型分析、試件試驗等方法，分析發現RPC材料兼顧了混凝土材料和鋼材的部分優點，非常適合運用到鋼—砼組合構件中，其優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。現總結出以下結論：

（1）RPC本身超高的強度和致密性，使得粘結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象產生，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鋼筋的粘結強度規律與普通混凝土和普通鋼筋的粘結性能一致，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的抗拉強度對粘結強度有一定的影響。粘結強度隨著RPC強度的提高而提高。

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

試驗采用經典剪力鍵推出試驗模型，對于剪力釘直徑、剪力釘間距等進行了分組。

按照《鋼結構設計規范》（GB 50017-2003）第11.3.1條的規定，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計值取為22.4N/ mm2；帶入公式發現RPC的計算結果是普通混凝土的2.4倍。而采用普通混凝土計算發現，（混凝土承載力），（鋼栓釘承載力）。普通混凝土與鋼栓釘的承載力基本相等。故RPC混凝土的承載力為鋼栓釘的二倍以上，所以推出試驗中，剪力釘被剪斷，RPC沒有出現明顯裂縫。

（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一樣，只是RPC出現裂縫后，還能繼續承擔部分荷載，不會發生混凝土突然斷裂的情況，說明RPC具有較好的延性，這對工程應用有著重要意義。

綜上所述，RPC混凝土與鋼構件結合的性能較強，在常規驗證試驗中均表現出了超越普通混凝土的優良特性。可以設想，通過合理的構造設計，我們把一個大體量的混凝土結構拆分為多個小規模構件，在各小構件連接處預埋鋼連接件；在施工現場通過快速的栓接、焊接等工藝迅速組裝構件，形成整體受力的結構；然后在不影響交通運營的基礎上，對連接部位進行現澆處理，用混凝土保護住鋼構件，完成整個施工流程。

這種做法既保證了混凝土結構的整體性和可靠性，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，使其應用于拼裝施工領域的潛力極大，在論證了RPC的優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材料應用于工程領域最大的絆腳石。由于國內對于RPC材料運用起步較晚，不具備大型工業化生產的能力，使得RPC材料在國內造價過高。

RPC材料配料、攪拌、養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變為市場廣泛推廣材料。

3.2缺乏規范及標準

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

3.3缺少實際工程

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

4 結論

RPC作為一種新興材料應用于快速拼裝施工領域是可行的，也是非常有潛力的。其優越的性能為土木工程業打開了一片新的領域，雖然目前存在著一些技術、經濟方面的問題，但隨著土木工程業對其研究的深入，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用發展[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，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