活性粉末混凝土（RPC）研究應(yīng)用現(xiàn)狀

楊洪寬 雷景刊 王雪純

（西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 611756）

活性粉末混凝土（RPC）研究應(yīng)用現(xiàn)狀

楊洪寬 雷景刊 王雪純

（西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 611756）

經(jīng)特殊的配制方法獲得的活性粉末混凝土RPC自問世以來憑借其優(yōu)越性能，如超高抗壓強(qiáng)度及耐久性等，具有廣闊的研究前景與應(yīng)用市場，深受工程材料界人士的青睞。本文重點(diǎn)介紹了近年來RPC的配置理論、相關(guān)性能的研究應(yīng)用進(jìn)展，分析了RPC目前所存在的突出問題，并對(duì)RPC未來的發(fā)展提出了相應(yīng)建議。

RPC；制備；性能；應(yīng)用；問題

1 前 言

現(xiàn)代社會(huì)對(duì)混凝土材料提出了更高的要求：高耐久性、高強(qiáng)度、高韌性等。早在20世紀(jì)90年代法國學(xué)者Prierrer Richard和Marcel Cheyrezy采用DSP（Densified Small Particles)模型，剔除傳統(tǒng)混凝土粗骨料，依據(jù)最緊密堆積原理，用最大粒徑為400～600um的石英砂為骨料，摻入適量短纖維和活性礦物摻和料經(jīng)成型施壓熱養(yǎng)護(hù)處理研制出一種具有高強(qiáng)度、高韌性、高斷裂能、耐久性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的混凝土。近20余年來，工程界不斷朝著RPC加速走向市場的方向努力，并已在工程應(yīng)用上取得較大進(jìn)展，如1997首次在加拿大Sherbooke市建成了一座跨徑60m的RPC人行桁架橋，2003年北京交通大學(xué)首次在國內(nèi)用RPC制成無筋空心蓋板。其后，國內(nèi)外均有RPC工程實(shí)例出現(xiàn)，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)RPC的確具有區(qū)別于普通混凝土的優(yōu)點(diǎn)。

2 RPC制備

剔除混凝土粗骨料以實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的勻質(zhì)性，以級(jí)配石英砂（最大粒徑400um～600um）作為集料，摻加適量活性摻合料如硅灰、粉煤灰有效填充，形成高致密均勻結(jié)構(gòu)體系，加入微細(xì)高強(qiáng)度鋼纖維以阻裂、增強(qiáng)與增韌，另加入與活性組分相容性良好的高效減水劑。在混凝土凝固前和凝固期間采用加壓成型工藝，實(shí)現(xiàn)排水、排氣與減孔，從而提高密實(shí)度（有人認(rèn)為可依據(jù)工程需要和造價(jià)來決定是否采取加壓措施[1]）。凝固后進(jìn)行熱養(yǎng)護(hù)以改善內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，提高混凝土的強(qiáng)度與耐久性。

表1 RPC200最佳配合比及性能檢測結(jié)果

表2 RPC-130最佳配合比及性能檢測結(jié)果

有研究通過比較在不同配合比下RPC200的力學(xué)性能和耐久性能，得出最佳配合比及其性能（見表1），最終該產(chǎn)品應(yīng)用于實(shí)際工程[2]。某工程針對(duì)哈齊客專全線橋梁人行道擋板、電纜槽蓋板工程進(jìn)行研究，表2為其最佳配合比下RPC工程性能檢測結(jié)果[3]。

3 RPC的工程性能

3.1 RPC的力學(xué)性能

由于配置原理基于最大密實(shí)度理論，且采用活性摻合料代替部分水泥，使得RPC的水膠比降低，水灰比增大，使得水泥硅灰等得以充分水化，礦物摻合料還使得混凝土在水化過程之后的火山灰反應(yīng)消耗大量Ca(OH)2晶體而產(chǎn)生C-S-H凝膠。RPC經(jīng)熱養(yǎng)護(hù)后抗壓強(qiáng)度可達(dá)200MPa或800MPa，為普通高強(qiáng)混凝土的3倍以上。有研究表明有鋼纖維存在的RPC抗折強(qiáng)度值在30～60MPa之間，而普通混凝土的抗折強(qiáng)度值為2～5MPa。

3.2 RPC的耐久性能

RPC孔隙率低、孔徑小（見表3）[4]，其氯離子滲透系數(shù)僅為2.17×10-14m2/s[5]。有研究表明RPC經(jīng)歷1500次15%的鹽類循環(huán)結(jié)晶后其質(zhì)量損失率僅為0.62%[6]。這些足以說明RPC極低的孔隙率、超高的抗?jié)B性。

表3 RPC材料孔結(jié)構(gòu)分析

某研究設(shè)計(jì)RPC加速碳化實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了RPC材料、普通混凝土及高強(qiáng)混凝土28天的碳化性能，發(fā)現(xiàn)RPC碳化深度為0，較之于C80混凝土平均碳化深度為1.37mm，得出了RPC抗碳化性能最佳的結(jié)論[7]，其后又有研究均表明RPC的碳化深度接近于0[8][9]，可以極好地抵抗外界環(huán)境的碳化作用。

在RPC抗化學(xué)腐蝕方面，何峰等研究了硫酸溶液與鹽酸溶液對(duì)RPC強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著浸泡時(shí)間的延長，RPC表現(xiàn)出良好的抗酸侵蝕性能[10]。

某研究設(shè)計(jì)了RPC應(yīng)用于季凍區(qū)路面工程的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)300次凍融循環(huán)后RPC相對(duì)動(dòng)彈性模量達(dá)到98%以上，質(zhì)量損失率在0～0.3%，耐久性指數(shù)接近100%，而HPC只有63.6%,表明RPC的抗凍性遠(yuǎn)高于其他混凝土[11]。某研究人員多次試驗(yàn)后，測試其所得最佳配合比（表4）下的RPC抗凍性能結(jié)果為F600[12]。

3.3 RPC的環(huán)保性能

表5[13]給出了同等承載力條件下30MPa引氣型混凝土、60MPaHPC與200MPa級(jí)RPC的生態(tài)性能，可以看到200MPa級(jí)RPC的水泥用量與二氧化碳排放量幾乎是30MPa引氣型混凝土與60MPaHPC的1/2，骨料用量為30MPa引氣型混凝土的1/4，為60MPaHPC的1/3。這表明RPC的優(yōu)越性能可以大大減少原料的投入，節(jié)約生態(tài)資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

表4 某RPC最佳配合比

4 RPC近年應(yīng)用情況

近年國外RPC被運(yùn)用于橋梁較多，如奧地利威爾德公路拱橋 、HST270鐵路輔橋[14]。我國在前言所述RPC首例實(shí)踐后在青藏鐵路、遷曹鐵路、襄渝二線、鄭西客運(yùn)專線工程等均涉及RPC材料。但是目前國內(nèi)RPC運(yùn)用于各類蓋板較多，近年來工程界為發(fā)揮RPC的巨大價(jià)值進(jìn)行了相關(guān)實(shí)踐，簡要介紹如下。

4.1 RPC應(yīng)用于鐵道工程

某研究建立分析對(duì)比了NC和RPC兩種不同材料無砟軌道結(jié)構(gòu)軌道板的性能，發(fā)現(xiàn)RPC軌道板較NC實(shí)體板具有更高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性[15]。針對(duì)普通混凝土制成的高速鐵路無砟軌道板易受列車荷載與溫度變化而受破壞的問題，研究發(fā)現(xiàn)，以RPC制成新型四架板能同時(shí)滿足剛度與強(qiáng)度的要求，相比與普通混凝土其翹曲變形減少37%～ 41.7%[16]。

4.2 RPC應(yīng)用于橋梁工程

某景區(qū)跨度為20米的人行天橋在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)對(duì)比了RPC與C50的工程性能，數(shù)據(jù)如表6，發(fā)現(xiàn)RPC可以很好的滿足人行天橋項(xiàng)目的使用要求，且具有足夠的安全儲(chǔ)備[17]。另有人試設(shè)計(jì)了600m跨徑RPC拱橋，并與同種高強(qiáng)混凝土拱橋的受力性能和施工性能進(jìn)行比較，得出超大跨徑RPC拱橋從結(jié)構(gòu)受力性能和施工性能等方面而言均可行的結(jié)論[18]。薊港鐵路擴(kuò)能改造工程中考慮到RPC（配合比見表7）高度的力學(xué)性能和良好的耐久性能，結(jié)合現(xiàn)場施工技術(shù)條件，低成本地成功使用RPC200梁[19]。

表5 同等承載力條件下不同混凝土材料生態(tài)性能比較

4.3 RPC應(yīng)用于管道方面

美國為適應(yīng)各種不同特點(diǎn)和用途的壓力管道，開發(fā)出了多種RPC下水道系統(tǒng)施工技術(shù)和方法[20]。國內(nèi)有人建立RPC埋地輸水管道模型分析說明了RPC可應(yīng)用于市政工程，并且給出了管道構(gòu)造與施工要求的考慮[5]。

表6 某人行天橋C50與RPC橋面板應(yīng)力參數(shù)

表7 預(yù)應(yīng)力RPC簡支T梁配合比

4.4 RPC應(yīng)用于其它方面

某研究在水膠比為0.21時(shí)，以如下配合比：m（水泥）：m（石英砂）：m（礦粉）：m（硅粉）=1:1.1:0.14:0.2，研發(fā)出新型的RPC仿古磚，成功運(yùn)用于天安門地面改造工程[21]。另一研究針對(duì)某城市道路用磚，通過實(shí)驗(yàn)研究采用RPC路面磚，其技術(shù)要求如表8，實(shí)踐檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)該路面磚不僅滿足《城市道路混凝土路面磚》標(biāo)準(zhǔn)要求，而且能增加混凝土路面磚的使用壽命[22]。

表8 RPC路面磚技術(shù)要求（尺寸為240 mm×480 mm×80 mm）

基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、成型模具開發(fā)、施工工藝等配套技術(shù)，有研究設(shè)計(jì)了新北京四惠立交東向北匝道橋RPC掛檐板，并在該項(xiàng)更換施工工程中取得成功應(yīng)用[23]。

法國對(duì)一座核電廠的冷卻塔進(jìn)行改造時(shí)采用RPC 材料替換原有已被嚴(yán)重腐蝕的桁架梁，說明RPC是制備新一代核廢料儲(chǔ)存容器的理想材料[24]。

5 RPC在我國研究和應(yīng)用進(jìn)程中存在的問題

現(xiàn)存突出問題有：在技術(shù)方面一是水泥強(qiáng)度等級(jí)較低：我國水泥細(xì)度和產(chǎn)量方面受到制約，52.5和62.5的水泥使用較少。二是優(yōu)質(zhì)減水劑缺乏：萘系減水劑減水率20%左右，坍落度損失快，聚羧酸減水劑減水率30%～40%，坍落度損失少，但與膠凝材料、人工砂適應(yīng)性變化大。三是養(yǎng)護(hù)制度不完善：在實(shí)際工程應(yīng)用中，養(yǎng)護(hù)條件沒有達(dá)到RPC的養(yǎng)護(hù)要求，使得PRC性能不能夠發(fā)揮出來。另外由于硅灰的摻入、高效減水劑和鋼纖維的使用以及特殊條件下的成型和養(yǎng)護(hù)條件，提高了RPC的成本。且目前關(guān)于RPC僅有《客運(yùn)專線活性粉末混凝土材料人行道擋板、蓋板暫行技術(shù)條件》、《活性粉末混凝土構(gòu)件施工要點(diǎn)手冊(cè)》等規(guī)范[4]，尚未形成更廣領(lǐng)域的成熟的配置、檢測理論規(guī)范。

6 結(jié) 語

新型復(fù)合材料RPC有著高強(qiáng)度、高韌性、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，近年國外還進(jìn)行著高溫下不同RPC的性能研究[25]、RPC抗沖擊與抗爆炸性能研究[26]、以建筑廢渣部分替代RPC中硅灰或水泥的研究[27]、以浮石為基礎(chǔ)的輕質(zhì)RPC研究等[28]。相信RPC未來能在多方面最大程度地滿足時(shí)代的需求。RPC可能在將來建造高層建筑物、抗震結(jié)構(gòu)、防泄漏工程等方面得到更廣泛的運(yùn)用。

[1]方志,楊劍.FRP和RPC在土木工程中的研究與應(yīng)用[J].鐵道科學(xué)與工程報(bào),2005,04:54-61.

[2]季學(xué)陽,王衛(wèi)民,張超,姚棟,劉凱,孫常杰.活性粉末混凝土(RPC200)的試驗(yàn)研究[J].混凝土世界,2016,07:64-68.

[3]常青.嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路RPC-130活性粉末混凝土材料應(yīng)用[J].中國建材科技,2014,01:38-39+47.

[4]施惠生,施韜,陳寶春,姚玉梅.摻礦渣活性粉末混凝土的抗氯離子滲透性研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,01:93-96.

[5]王冬冬.活性粉末混凝土管道在輸水工程中的應(yīng)用研究[D].河北農(nóng)業(yè)大學(xué),2015.

[6]Wang Y,An M Z,Yu Z R,et al. Durability of reactive powder concrete under chloride-salt freeze–thaw cycling[J].Materials and Structures,2017,50(1).

[7]宋少民,未翠霞. 活性粉末混凝土耐久性研究[J].混凝土,2006,02:72-73+80.

[8]LEE M G，WANG Yungchih，CHIU Chuite.A preliminary study of reactive powder concrete as a new repair material[J].Construction and Building Materials

[9]王子瑋.活性粉末混凝土抗氯離子滲透性能研究[D]北京：北京交通大學(xué)，2011.

[10]何峰,黃政宇,易偉建.活性粉末混凝土的耐酸性[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2011,20(2):44-49.

[11]鞠彥忠,張琳,王德弘.季凍區(qū)路用活性粉末混凝土的耐久性研究[J].混凝土,2013,08:60-63.

[12]張寶龍,張楠.活性粉末混凝土(RPC)配制與性能研究[J].青島理工大學(xué)學(xué)報(bào),2015,04:103-109+114.

[13]蔡路,陳太林,陳磊,來源.活性粉末混凝土的配制原理及應(yīng)用[J].河南建材,2006,05:57-59.

[14]杜任遠(yuǎn),黃卿維,陳寶春.活性粉末混凝土橋梁應(yīng)用與研究[J].世界橋梁,2013,01:69-74.

[15]楊劍,汪金勝,彭鑫.RPC在無砟軌道中的應(yīng)用研究與展望[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2015,01:53-58.

[16]Yang J,Kong B,Cai C S, et al. Behavior of High-Speed Railway Ballastless Track Slabs Using Reactive Powder Concrete Materials[J].Journal of Transportation Engineering,2016,142(8).

[17]方磊.RPC混凝土的優(yōu)越性能和應(yīng)用現(xiàn)狀[J].山西建筑,2015,23:106-107.

[18]黃卿維,傅元方,許春春,陳寶春.超大跨徑活性粉末混凝土拱橋試設(shè)計(jì)研究[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版),2015,03:252-256+266.

[19]張奇.活性粉末混凝土鐵路橋簡支T梁應(yīng)用分析[J].城市建設(shè)理論研究:電子版,2013(8).

[20]李顯,吳飛海,壽權(quán)羊,等.活性粉末混凝土(RPC)的工程性能及應(yīng)用前景分析[J].中國水運(yùn)月刊,2012,12(7):225-227.

[21]李銳,范磊,曹志峰,彭明強(qiáng).活性粉末混凝土仿古磚在天安門地面改造工程中應(yīng)用的研究[J].新型建筑材料,2014,09:22-24+58.

[22]史忠,葛海濤,呂麗萍.活性粉末混凝土路面磚的應(yīng)用研究[J].市政技術(shù),2014,S1:159-161.

[23]范磊,李東,盧士軍,等.活性粉末混凝土(RPC)掛檐板的研制及工程應(yīng)用[J].混凝土與水泥制品,2014(4):44-46.

[24]李顯,吳飛海,壽權(quán)羊,馮劍沖.活性粉末混凝土(RPC)的工程性能及應(yīng)用前景分析[J].中國水運(yùn)(下半月),2012,07:225-227.

[25]Sanchayan S,Foster S J.High temperature behaviour of hybrid steel–PVA fibre reinforced reactive powder concrete[J].Materials and Structures,2016,49(3):769-782.

[26]Xu J,Wu C,Xiang H,et al.Behaviour of ultra high performance fibre reinforced concrete columns subjected to blast loading[J].Engineering Structures,2016,118:97-107.

[27]Zhu P,Mao X Q,Qu W,et al.Investigation of using recycled powder from waste of clay bricks and cement solids in reactive powder concrete[J].Construction & Building Materials,2016,113:246-254.

[28]G?k?e H S,Sürmelio?lu S,?zge Andi?-?akir.A new approach for production of reactive powder concrete:lightweight reactive powder concrete (LRPC)[J].Materials and Structures,2017,50(1).

The research and application status of reactive powder concrete

With advantages such as high compressive strength and good durability,once the specially prepared RPC (Reactive Powder Concrete）emerged,it has been favor of engineering materials community for it’s broad market prospect and application field.This article focuses on the newly mix proportion theory of RPC and research and application progress of relevant performance.Present problems and appropriate recommendations for the future development of RPC were also discussed in the end.

RPC；reparation；performance；application；problem

TU528

：B

：1003-8965（2017）02-0033-03