型鋼活性粉末混凝土組合結構研究綜述

翟建愷 孫一天

(揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇揚州225127)

0 引言

普通型鋼混凝土結構一直是現代大跨度、高荷載建筑的主要結構形式，由于型鋼剛度大，可以承受較高的載荷，常用于解決由于建筑物梁柱截面尺寸過大而影響內部布局和區位功能使用的問題。但是隨著時代的發展，一方面建筑結構逐漸向超高、超大跨度等方向發展，型鋼混凝土結構需要尋求新的發展以滿足更高的承載力要求。另一方面這種結構顯露出越來越多的問題，如容易產生裂縫，影響構件正常使用。還有當處于鹽堿地區和凍融地區等惡劣環境下，都對型鋼混凝土的力學性能和耐久性提出了更高的要求。

1993年，法國Bouygues實驗室在高性能混凝土基礎上根據線性堆積密度模型(Linear Packing Density Model，LPDM)和可壓縮堆積模型(Compressive Packing Model，CPM)[1,2]研制出了活性粉末混凝土，一方面剔除了配制中的粗骨料顆粒，使其顆粒級配更加合理，優化了內部微觀結構。另一方面加入了適量的鋼纖維，在混凝土受壓時起到橋接裂縫的作用。當出現較小裂縫時，高彈性模量的鋼纖維與混凝土基體之間的黏結力具有一定的阻裂作用[3]。為了改善普通型鋼混凝土的各方面性能，需要研究型鋼活性粉末混凝土組合結構來滿足現代社會的建筑需要。

1 RPC的各項性能

1.1 抗壓性能

王志偉[4]在對RPC的基本力學性能進行研究時，得出了16組不同 配比FRP200制成100 mm×100 mm×100 mm的立方體在養護至試驗齡期后測得的抗壓強度值。其抗壓強度達到130 MPa～160 MPa，一方面是由于內部組分密實，孔隙率小，另外一方面得利于鋼纖維與水泥基體之間的粘結力。

1.2 抗拉性能

眾所周知，對于普通混凝土來說，抗拉強度是其最大的短板，通常只有抗壓強度的1/20～1/10，而RPC的抗拉強度可以達到20 MPa～50 MPa，遠遠超過普通混凝土，具有實用價值，可以非常方便地制作一些小型的受拉構件，不需要加入鋼筋。

1.3 韌性

陳敬衛等[5]在研究RPC時通過實驗得出了其彎曲韌性曲線，與鋼材的曲線類似，具有很高的阻裂能力。試驗中測出的RPC材料斷裂韌性高達40 000 J/m2，是普通混凝土的250倍，這主要是因為鋼纖維彈性模量在40 MPa～60 MPa，遠大于水泥基體，當RPC構件受彎時，鋼纖維首先承擔了大部分拉力，有效地保護了構件整體穩定，提高了韌性。比強度很高[6]，非常適合用于老化大跨度建筑，比如橋梁等的加固和修補。

1.4 抗凍性

孫偉[7]在分析RPC耐久性時進行了RPC基體未摻入鋼纖維和加入鋼纖維的抗凍融對比實驗，數據表明，FRP基體在未摻入鋼纖維前就表現出很強的抗凍融性能，在連續凍融循環700次的條件下，其相對動彈模量僅僅下降不到2%，加入鋼纖維之后，相對動彈模量始終保持不變。綜合兩次實驗，得出RPC具有極強的抗凍性。

1.5 抗碳化

未翠霞和宋少民[8]很早就在研究大摻量粉煤灰活性粉末混凝土耐久性時，使用加速碳化的方法，進行了大摻量粉煤灰活性粉末混凝土與C80普通高強混凝土在養護后，放置于CO2濃度為60%，溫度20 ℃，濕度70%的碳化箱中28 d后，二者碳化深度的對比實驗。結果普通高強混凝土試樣碳化深度均值為1.37 mm，而大摻量粉煤灰活性粉末混凝土碳化深度為0 mm，可見RPC混凝土具有極強的抗碳化能力。

1.6 抗腐蝕性

葉青等[9]對活性粉末混凝土耐久性研究中，進行了RPC和高強混凝土抗腐蝕性對比研究實驗。結果表明，不管是在何種侵蝕介質中，何種侵蝕方式下，RPC的抗壓強度抗侵蝕系數都大于高強混凝土，得出RPC具有強抗腐蝕性的結論。

1.7 抗滲透性

北京交通大學的安明喆、楊新紅等[10]在2007年就在其對RPC耐久性的研究中通過NEL法測定了RPC和HPC的氯離子擴散系數，實驗結果表明HPC氯離子擴散系數22.17×10-14m2/s，遠低于RPC的154.44×10-14m2/s，對比之下，RPC具有很強的抗滲透能力。

2 現階段工程應用

2.1 橋面板鋪裝

袁江林[11]進行相關橋面板鋪裝時提出了新型鋼纖維RPC復合鋪裝的鋼混連接形式。只在車道中央和RPC板橫向邊緣設置栓釘，其余部分均使用粘合劑進行連接。此應用中主要利用了RPC來提高頂板剛度，增強正交異性橋面板的抗疲勞性能。相信不久的將來，非常適合制作大跨度的RPC材料會在橋梁構造方面被越來越多地開發和利用。

2.2 機場飛機跑道

法國N.Roux等[12]對于C30,C80,RPC200進行了耐磨性實驗，結果表明RPC的耐磨系數僅僅為1.3，遠遠超過普通混凝土，接近于玻璃的耐磨性。這使得RPC在日本東京國際機場D跑道擴建項目中得到應用，而且RPC軸心抗壓強度可以輕松達到200 MPa，輕質高強，這是對于RPC耐磨性和超高強性能的綜合工程應用。

2.3 提升框架節點抗震能力

框架結構由于節點較弱，地震時容易發生剪切破壞。正常施工時，節點處需要綁扎大量鋼筋達到加固作用，耗材較大。RPC材料不僅高強，而且它所具有的高斷裂能及韌性使結構構件可以吸收更多的地震能[13]，無疑是用于節點連接處最好的材料。對于抗震設計越來越重視的現代社會，RPC在抗震設計方面無疑會發揮越來越多的作用。

3 RPC在型鋼混凝土結構中應用的探討

型鋼混凝土結構多采用組合框架的形式運用于建筑中，傅傳國、熊學玉、鄭文忠、王琨等[14-19]進行了各種截面形式型鋼混凝土組合框架結構的研究與分析，結果表明，這種組合框架結構由于耗能能力較強且延性較好，具有良好的抗震性能。RPC作為一種新型混凝土材料，代替普通混凝土，與型鋼組合的梁、柱構件方面的研究也越來越多。卜良桃[21，22]在進行外包RPC型鋼梁抗彎性能試驗和型鋼外包RPC的界面黏結性能的實驗研究中，成功推導出外包RPC型鋼梁正截面開裂彎矩、抗彎承載能力和界面極限黏結力的計算公式。黎紅兵等[23]則對型鋼活性粉末混凝土柱軸壓性能進行了實驗研究和模擬分析，結果表明，型鋼與活性粉末混凝土具有良好的協同工作能力，最終的破壞形態均以柱端部劈裂破壞為主。這些研究都表明RPC與型鋼的結合應用是未來發展的趨勢，這種新型組合結構的優點將會被越來越多地發掘。

4 型鋼RPC組合結構的優點

1)高剛度、高承載力的型鋼和高強、高韌性的RPC相結合，不僅使得新型結構擁有超強承載力，而且由于受拉區鋼纖維可以協助型鋼受拉，大大提高了組合結構的阻裂能力。

2)普通型鋼混凝土在惡劣環境下耐久性會大大降低，而RPC具有高抗凍性、高抗滲透性和高耐腐蝕性的特點，取代普通混凝土與型鋼相結合，能夠最大限度地保護型鋼，大幅提高構件的耐久性，減少不必要的加固修復費用。

3)RPC本身就具有超高強的性能和穩定性，如果在內部適配型鋼，可以相結合制作高強抗震防災的預制柱，在一些地震多發區域有廣泛的應用前景。

5 結語

1)型鋼活性粉末混凝土組合結構可以應用于裝配式建筑中，一方面由于型鋼本身剛度很高，方便支模，可以節約裝配式構件澆筑成本，另外一方面由于RPC高強不易破損，十分有利于裝配式構件的搭接設計。

2)型鋼活性粉末混凝土組合結構可以與預應力技術結合，由于RPC內部致密，收縮變形小，可以大大減少預應力損失，將這種組合結構抵抗裂縫的能力發揮到極致。

3)充分發揮RPC高強性能需要高壓高溫的養護方式，然而型鋼活性粉末混凝土組合結構在工地上很難達到這種最優養護條件，可以對此深入研究工地環境下這種組合結構的最優養護方式，既保證構件達到較高的預期強度，又經濟合理。