活性粉末混凝土在組合結構中的應用及其工程實例*

王 淵，劉金濤，李慶華

（1.杭州市市政公用建設開發公司，浙江 杭州 310009；2.浙江大學建筑工程學院，浙江 杭州 310058）

活性粉末混凝土在組合結構中的應用及其工程實例*

王 淵1，劉金濤2，李慶華2

（1.杭州市市政公用建設開發公司，浙江 杭州 310009；2.浙江大學建筑工程學院，浙江 杭州 310058）

文章介紹活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）的基本性能，并在此基礎上分析RPC在RPC-混凝土組合結構、RPC-鋼組合結構的基本力學性能、設計理論和工程意義。最后，針對國內外應用工程實例做了較為全面地總結，并對國內外RPC組合結構研究的趨勢與不足進行了探討。

活性粉末；混凝土；組合；結構；實例；力學性能

1 RPC的特性及用途和發展

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）是繼高性能混凝土之后，由法國BOUYGUES公司于上世紀末開發出的具有超高強度、高耐久性、高韌性的水泥基材料[1]。該材料根據高致密水泥基均勻體系模型，以400～600μm的石英砂作為骨料，同時加入微型鋼纖維和各類活性礦物材料[2]，并采用熱養護和加壓成型等方法[3]。根據其熱處理方式的不同，其抗壓強度可以達到200MPa至800MPa；抗折強度為20～40MPa，是高強混凝土的4～6倍；斷裂韌性高達40000J/m2，是普通混凝土的250倍[4]；氯離子滲透性是高強混凝土的1/25[5,6]。適量微鋼纖維的加入使RPC比高性能混凝土具有更高的韌性，極限拉伸應變達到0.5%，并且具有明顯的拉伸應變硬化特性[7]。

通過對相同抗彎承載力的RPC工字鋼、預應力混凝土及普通鋼筋混凝土四種不同材料制作的梁構件的截面尺寸、單位長度重量進行了比較，結果表明RPC梁的截面高度是預應力混凝土梁和普通混凝土梁高度的53%，單位長度重量是預應力混凝土梁的28%，是普通混凝土梁的24.5%，RPC梁具有顯著地經濟效益[8]。根據國內外已有使用RPC材料工程實例[9,10]，同等承載力條件下RPC材料的水泥用量幾乎是普通混凝土與HPC的1/2，CO2排放量也只有同等量水泥一半左右。RPC材料骨料的用量只占HPC與C30混凝土的1/3與1/4[11]。鋼筋與RPC之間的粘結強度遠大于普通混凝土或普通鋼纖維混凝土[12]，RPC致密的結構及鋼纖維的摻入是其具有超高粘結強度的主要原因，鋼纖維為0.5～2.0vf.%時，梁式試驗的粘結強度大于中心拔出試驗[13,14]。目前，國內在RPC在結構工程方面的應用才剛剛起步，材料應用中應該遵循“物盡其用”的原則。RPC不僅擁有超高強度而且兼具一定的韌性，因此可用于高層結構、高鐵簡支箱梁、大跨橋梁結構等要求承載力高的結構，從而有效降低結構截面尺寸和自重、增加結構使用空間[15]。另一方面，利用RPC的高抗滲性能、抗沖擊和耐磨性，可用于石油、核電工業、軍事防御工程。

2 RPC在組合結構中的應用

2.1 RPC-混凝土組合梁

混凝土疊合梁結構是一種在預制構件上澆筑混凝土而形成的一種裝配整體式混凝土結構（Composite Structures，組合結構）。該結構兼具現澆整體式結構和全裝配式結構的優點，可以有效降低工期和造價。隨著RPC材料的不斷發展，通過在傳統混凝土梁的受拉區配置受拉性能更好的RPC而得到了RPC-混凝土疊合梁結構，該結構不僅滿足結構力學需求而且可以有效降低成本。

2004年，北京交通大學肖國梁[16]等人提出將RPC與普通混凝土組合箱梁應用于實際工程的設計構想，如圖1所示。研究者利用有限元程序分析了RPC-混凝土組合箱梁的基本力學性能、破壞模式、動荷載作用下的動力響應。季文玉[17-19]等人開展了普通混凝土-RPC組合構件相關研究，通過在混凝土構件受拉區配制RPC材料、受壓區二次澆注普通混凝土制備出不同種類的疊合梁，基于截面的受力全過程分析表明：RPC-混凝土疊合梁的極限抗彎強度與混凝土整澆梁的極限荷載相等，可利用梁構件抗彎強度公式計算疊合梁的極限抗彎強度；受拉區RPC材料的存在可將截面開裂彎矩提高4～5倍，與此同時，RPC澆筑高度、混凝土等級和配筋率等參數對橋梁撓度發展增大系數相關。

圖1 RPC與普通混凝土組合箱梁截面設計[16]

2008年，同濟大學的溫華杰[20]等采用非線性有限元程序對預應力RPC-混凝土組合截面梁進行破壞全過程分析，試驗結果表明將RPC材料配置在受拉區并采用預應力鋼筋可以充分發揮RPC材料的耐久性和經濟性；在三維有限元分析模型試驗加載過程中實測曲線和模擬曲線對比表明彈性段和彈塑性階段擬合較好，符合正常使用階段的精度要求。

廖莎[21]等人研究RPC無粘結預應力疊合梁的受力性能，試件的截面尺寸和配筋如圖2所示。結果表明無預應力的RPC疊合梁在彈性階段的撓度可以采用現行規范進行計算，截面平均應變基本符合平截面假定；相比于普通無粘結預應力混凝土梁，鋼纖維的加入對梁的裂縫分布沒有影響，但可以大幅度提高截面的開裂彎矩?；谏鲜鲈囼灒熘强22]采用有限元分析軟件建立了RPC無粘結預應力疊合梁的三維非線性數值分析模型，分析了疊合梁的受彎性能并討論了破壞機理。RPC無粘結預應力疊合梁的M-δ曲線主要分為彈性階段、開裂彈性階段和破壞階段：疊合梁撓度在彈性階段增長緩慢；疊合梁在開裂彈性階段剛度降低、撓度增加；疊合梁在破壞階段標志為受壓區混凝土的破壞，縱向受壓鋼筋和架立筋受壓屈服并發生脆性破壞。

圖2 RPC疊合梁截面尺寸與配筋圖[21]

2.2 鋼-RPC組合結構

鋼-混凝土組合梁是一種新式的結構形式，通過剪力連接件將鋼梁與混凝土板連接組合在一起，其具有鋼材和混凝土各自的優異特性，如截面剛度大、承載能力高、抗震好和便于施工等優點[23,24]。相比于傳統的鋼筋混凝土梁，鋼-混凝土組合梁有效減小結構尺寸、減輕自重并提高了結構延性；相比于相同承載力的鋼結構，它有效降低鋼量、增加剛度并提高結構的耐久性和穩定性[25]。

肖赟[26]利用Matlab迭代程序對RPC-鋼組合梁截面從加載到破壞進行了全過程分析，并且和相同尺寸的普通混凝土組合梁進行了對比。結果表明RPC-鋼組合梁受力狀態也經歷彈性、彈塑性、塑性階段，并且RPC-鋼組合梁達到極限承載力后的下降段較緩；相同截面下RPC-鋼組合梁的承載能力是普通混凝土-鋼組合梁的1.3倍；在相同承載力情況下RPC組合梁的板厚只有普通混凝土-鋼組合梁厚度的65%。侯忠明[27]以組合梁的鋼梁下翼緣達到極限拉應變作為承載能力極限狀態，應用ANSYS對RPC-鋼簡支組合梁受力全過程進行了非線性分析，并在此基礎上對RPC-鋼組合梁的曲率延性、位移延性和轉角延性進行了研究。結果表明正常使用條件下RPC-鋼簡支組合梁翼板下緣不會開裂，組合梁在強化階段的實際延性遠遠大于普通組合梁。吳學敏[28]設計出RPC-波紋鋼腹板組合箱梁并的研究其受力性能，該組合箱梁的頂板和底板采用高強度RPC材料，而腹板采用波紋鋼。限元分析證明“擬平截面假定”適用于RPC的波紋鋼腹板預應力組合箱梁，組合梁彎矩和軸力主要由RPC頂板和地板承擔，波紋鋼腹板主要用于抵抗剪力。曾峰[29]討論不同荷載類型、寬跨比條件下RPC-鋼組合梁以及普通混凝土-鋼組合梁有效寬度的變化。研究表明RPC-剛組合梁的有效寬度隨著寬跨比的增加而降低；有效寬度在集中荷載作用處取得最小值并沿著梁段方向增大；均布荷載下組合梁的有效寬度在梁跨中心處取得最大值，并向支座兩端逐漸降低。

傳統的鋼橋面板由于存在剛度不足、抗疲勞性能差和粘結力不足等原因容易造成損傷，通過將傳統的混凝土瀝青層替換為RPC層可大幅度提高橋面剛度并降低鋼結構應力。由于RPC的超高強度，新型鋼-RPC組合橋面結構體系中地鋼箱與RPC板之間的連接需要考慮剪切力的作用。邵旭東[30,31]利用特殊的抗剪連接件、建筑結構膠設計出了“正交異性鋼板-超薄RPC組合橋面結構”，其構造如圖3所示。通過對不同連接形式推出試件進行的靜力試驗的比較，得到了使用35mm長度、13mm直徑栓釘連接的正交異性鋼板-RPC組合梁的破壞極限荷載，其承載力高于規范計算值；200萬次正交異性鋼板-超薄RPC組合橋面結構在設計應力幅疲勞試驗后沒有開裂，且梁剛度沒有明顯下降。湖南大學周環宇[32]以非線性有限元程序為基礎并結合現場推出試驗，對鋼-RPC新型組合結構體系下的抗剪連接件進行了受力分析，結果表明栓釘直徑是影響短栓釘抗剪承載力的主要因素，長徑比小于4的栓釘與RPC材料結合良好，不需要考慮拔出破壞，鋼結構規范中栓釘的抗剪計算公式修正為：。

Suleiman[33]等對預制預應力H形RPC樁與H形鋼樁進行受力性能對比試驗。結果表明：采用與鋼樁相同的打樁設備，無需樁帽即可將RPC樁打入硬土層中，且樁頭不會發生破壞，認為RPC樁可使用更大的樁錘并減少錘擊次數。RPC樁與鋼樁的端阻力分別占樁承載力的57%和25%。RPC由于具有更大的截面積，樁豎向承載力比鋼樁高86%。這不僅可減少RPC樁的數量，而且可降低結構使用壽命內的維修費用。

3 國內外工程實例

目前，RPC材料在結構工程中還沒有廣泛應用[34-36]，主要集中在大跨橋梁的預制構件、橋面板、壓力管道、鋼管混凝土和放射性固體廢料儲存容器等方面，具體工程如表1所示。早期開展預應力鋼筋RPC梁的結構試驗證明RPC材料適用于大型橋梁工程[37]，1997年世界上第一座RPC步行橋在加拿大Sherbrooke建成，該橋桁架腹桿為灌裝RPC材料的鋼管混凝土，下弦為RPC雙梁，單跨60m，橋面寬4.2m，橋面板厚30mm，采用現場后張預應

力拼裝[38,39]。2002年，韓國首爾建造了跨度120m拱型預應力RPC人行天橋，梁高1.3m，橋面寬4.3m，橋面板厚30mm。在腹板和橋面板節點處配置15.2mm鋼鉸線；主跨全部使用RPC材料制備，沒有配置普通鋼筋。和平橋的建設規模和技術難度遠遠高于Sherbrook步行橋，是RPC應用史上的里程碑[39]。

圖3 正交異性鋼板-超薄RPC組合橋面結構[31]

巴卡爾橋[40]位于克羅地亞的巴卡爾海峽，該橋跨度為432m，主拱圈的矢高為72m，矢跨比f/l=1/6。橋面結構是一個總長為820m的22跨連續箱梁，截面形式為單箱三室，主拱圈也是單箱三室的截面構造。基礎、立柱和橋臺采用現澆普通混凝土，橋梁主拱圈和連續梁采用RPC預制構件并通過吊裝拼接完成施工。2008年，法國于一個月內建成跨度為70m、高跨比1/38的Anges步行橋[41]，該橋采用預應力技術將15個U形RPC預制構件連為整體，總質量僅為144t。

表1 國內外已有使用RPC結構工程實例

法國的新Jean Bouin[42]體育場外殼為3600塊預制

RPC薄板組成的自承重雙重曲面結構，建筑面積達到兩萬平方米。RPC薄板為厚度35mm的三角形網狀構件，通過在屋蓋的RPC薄板中預先安裝玻璃，使得屋蓋具有采光的功能。日本東京國際機場跑道擴建項目將6900塊、總體積22000m3預應力RPC板作為飛機跑道，是RPC用量最大的工程[43]。3.53m×7.82m RPC雙向預應力肋預制板板厚75mm，肋高為175mm。當RPC強度達到45 MPa時進行放張預應力，再進行90℃蒸氣養護48小時。與抗壓強度設計值50MPa的普通混凝土板相比，質量可減少56%。

在國內，RPC主要應用于鐵路橋梁、人行道板和溝槽蓋板。2005年，沈陽某工業廠房擴建工程使用軸心抗壓強度120.5 MPa的RPC，設計并制作84根預制梁和預制雙T板構件，梁的長度為4.29～15.75 m，雙T板長度為7.35～9.73 m[44]。2006年，遷曹鐵路灤柏干渠大橋工程首次采用跨度為20 m的RPC預應力T形梁。2008年，在薊港鐵路采用高度1800mm、跨度32m的T形梁，成功解決了線路跨線凈高受限的問題[45,46]。

4 結論

（1）RPC的力學性能和耐久性遠遠優于傳統混凝土和高強混凝土，因此將其應用于新型大跨度、高承載結構有較大優勢。但是目前該材料使用率仍較低，主要是由于以下兩方面原因：一方面，RPC材料復雜的成分和養護工藝造成了成本較高，且新型RPC結構對載荷的力學響應仍然沒有研究透徹；另一方面，RPC組合結構設計理論和工藝采仍沿用普通混凝土規范，限制了RPC進一步推廣和應用。

（2）相比傳統混凝土預制構件，新型的RPC組合結構具有廣闊的市場前景。但是產品設計大多基于普通混凝土的規范，采用一種半經驗半理論的經驗公式，不具有普適性。與此同時，RPC部件截面尺寸明顯減小，這對節點和連接的工藝、構造和性能提出了更高要求。如何采用合理的節點和連接有效地將各部件組裝成整體，并具有預定的性態和功能，是今后RPC組合構件研究目標之一。

[1] Richard P, Cheyrezy M. Composition of Reactive Powder Concretes[J]. Cement & Concrete Research, 1995,25(7):1501-1511.

[2] Chan Y, Chu S. Effect of silica fume on steel fiber bond characteristics in reactive powder concrete[J]. Cement and Concrete Research, 2004,34(7):1167-1172.

[3] Morin V, Cohen-Tenoudji F, Feylessoufi A, et al. Evolution of the capillary network in a reactive powder concrete during hydration process[J]. Cement and Concrete Research, 2002,32(12):1907-1914.

[4] Dugat J, Roux N, Bernier G. Mechanical properties of reactive powder concretes[J]. Materials & Structures, 1996,29(4):233-240.

[5] Roux N. Experimental Study of Durability of Reactive Powder Concretes[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 1996,8(1):1-6.

[6] Feylessoufi A, Villieras F, Michot L J, et al. Water environment and nanostructural network in a reactive powder concrete[J]. Cement and concrete composites, 1996,18(1):23-29.

[7] Wille K, El-Tawil S, Naaman A E. Properties of strain hardening ultra high performance fiber reinforced concrete (UHP-FRC) under direct tensile loading[J]. Cement and Concrete Composites, 2014,(48):53-66.

[8] Dauriac C. Special concrete may give steel stiff competition[J]. The Seattle Daily Journal of Commerce, 1997.

[9] Guerrini G L. Applications of High-Performance Fiber-Reinforced Cement-Based Composites[J]. Applied Composite Materials, 2000,7(2):195-207.

[11] Bonneau O, Lachemi M, Dallaire é, et al. Mechanical properties and durability of two industrial reactive powder concretes[J]. ACI Materials journal, 1997,94(4):286-290.

[12] Sayed Ahmad F, Foret G, Le Roy R. Bond between carbon fibre-reinforced polymer (CFRP) bars and ultra high performance fibre reinforced concrete (UHPFRC): Experimental study[J]. Construction and Building Materials, 2011,25(2):479-485.

[13] Jia F, An M, Kong D. Study on the bond mechanism between Reactive Powder Concrete and steel bars: 2010 International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering, 2010[C].

[14]賈方方,安明喆,余自若,等.鋼筋與活性粉末混凝土黏結性能的梁式試驗研究[J].鐵道學報,2012,(6):83-87.

[15]李業學,謝和平,彭琪,等.活性粉末混凝土力學性能及基本構件設計理論研究進展[J].力學進展,2011,(1):51-59.

[16]肖國梁,高日,李承根.活性粉末混凝土與普通混凝土組合箱梁的受力性能[J].鐵道學報,2004,(4):116-119.

[17]季文玉,過民龍,李旺旺.RPC-NC組合梁界面受力性能研究[J].中國鐵道科學,2016,(1):46-52.

[18]曹道武.RPC-NC疊合梁動力性能研究[D].北京交通大學,2015.

[19]鄭潤國.RPC-NC組合截面梁收縮徐變變形差對梁體性能的影響分析[D].北京交通大學,2014.

[20]溫華杰,屈文俊.預應力RPC—NC組合截面梁的非線性有限元分析[J].上海公路,2009,(3):45-49.

[21]廖莎,馬遠榮.活性粉末混凝土(RPC)預應力疊合梁受彎性能研究[J].湖南大學學報(自然科學版),2005,(1):57-62.

[22]朱智俊.活性粉末混凝土無粘結預應力疊合梁受彎性能分析及承載力計算[D].湘潭大學,2012.

[23] Johnson R P. Composite structures of steel and concrete: beams, slabs, columns, and frames for buildings[M]. John Wiley & Sons, 2008.

[24] Bouazaoui L, Perrenot G, Delmas Y, et al. Experimental study of bonded steel concrete composite structures[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2007,63(9):1268-1278.

[25] Spacone E, El-Tawil S. Nonlinear analysis of steel-concrete composite structures: State of the art[J]. JOURNAL OF STRUCTURAL ENGINEERING, 2004,130(2):159-168.

[26]肖赟.活性粉末混凝土（RPC）-鋼組合梁截面受彎全過程分析及優化設計[D].北京交通大學,2008.

[27]侯忠明.鋼—活性粉末混凝土簡支組合梁受力性能研究[D].北京交通大學橋梁與隧道工程,2007.

[28]吳學敏.活性粉末混凝土波紋鋼腹板組合箱梁的受力性能研究[D].北京交通大學,2013.

[29]曾峰,鄒中權,樂游.RPC-鋼組合梁有效寬度研究[J].湖南工程學院學報（自然科學版）,2014,24(3):77-80.

[30]邵旭東,張哲,劉夢麟,等.正交異性鋼-RPC組合橋面板彎拉強度的實驗研究[J].湖南大學學報(自然科學版),2012,(10):7-13.

[31]邵旭東,曹君輝,易篤韜,等.正交異性鋼板-薄層RPC組合橋面基本性能研究[J].中國公路學報,2012,(2)：40-45.

[32]周環宇.鋼—活性粉末混凝土（RPC）組合梁界面受剪分析[D].湖南大學,2013.

[33] Suleiman M T, Vande Voort T, Sritharan S. Behavior of Driven Ultrahigh-Performance Concrete H-Piles Subjected to Vertical and Lateral Loadings[J]. JOURNAL OF GEOTECHNICAL AND GEOENVIRONMENTAL ENGINEERING, 2010,136(10):1403-1413.

[34] Cavill B, Chirgwin G. The world's first RPC road bridge at Shepherds Gully Creek, NSW: Austroads Bridge Conference, 5th, 2004, Hobart, Tasmania, Australia, 2004[C].

[35] Gunes O, Yesilmen S, Gunes B, et al. Use of UHPC in Bridge Structures: Material Modeling and Design[J]. Advances in Materials Science and Engineering, 2012,2012:1-12.

[36] Al-Abasi J S, Al-Saraj W K. Behavior of RC T-Beam Hollow and Solid Section with Reactive Powder Concrete under Pure Torsion[J]. Journal of Engineering and Development, 2015,19(2).

[37] Fortner B. Materials: FHWA Gives Superior Marks to Concrete Bridge Girder[J]. Civil Engineering—ASCE, 2001,71(10).

[38] Blais P Y, Couture M. Precast, prestressed pedestrian bridge - World's first reactive powder concrete structure[J]. PCI JOURNAL, 1999,44(5):60-71.

[39]彭艷周.鋼渣粉活性粉末混凝土組成、結構與性能的研究[D].武漢理工大學,2009.

[40] Candrlic V, Mandic A, Bleiziffer J. The largest concrete arch bridge designed of RPC200: 4th Symposium on Strait Crossing BERGEN, NORWAY, 2001[C].

[41] Owen W. Wiley Online Library[M]. 2005.

[42] Mazzacane P, Ricciotti R, Lamoureux G, et al. Roofing of the stade Jean Bouin in UHPFRC[J]. Newsletter, 2015.

[43] Musha H, Ohkuma H, Kitamura T. Innovative UFC structures in Japan[J]. Newsletter, 2015.

[44]賈方方.鋼筋與活性粉末混凝土粘結性能的試驗研究[D].北京交通大學,2013.

[45] Gao R, Liu Z M, Zhang L Q, et al. Static properties of plain reactive powder concrete beams: Key Engineering Materials, 2005[C]. Trans Tech Publ.

TU375

A

2096-2789（2016）11-0003-05

國家自然科學基金項目（51622811），浙江省自然科學基金資助項目（LR16E080001）。

王淵（1970-），男，浙江杭州人，高級工程師，研究方向：市政道橋工程。