1、活性粉末混凝土（RPC）在工程结构中的应用与前景柯开展 蔡文尧（福建省建筑科学研究院，福建 福州 350002）摘 要 活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete,简称 RPC）是一种新型超高强水泥基复合材料。它具有超高的力学性质，优异的耐久性1、较低的收缩和徐变性能。本文介绍 RPC 的基本设计原理、力学特征和所产生的经济效益，着重阐述它的在结构工程中的应用及发展潜力和目前研究中存在的问题。关键词 活性粉末混凝土；应用；发展；存在问题活性粉末混凝土（RPC）作为一类新型混凝土，不仅可获得 200MPa 或 800MPa 的超高抗压强度，而且具有 3060MPa 的抗折强
2、度，有效地克服了普通高性能混凝土的高脆性，RPC 的优越性能使其在土木、石油、核电、市政、海洋等工程及军事设施中有广阔的应用前景。1 RPC 的基本设计原理它的基本设计思想是：通过提高材料组份的细度与活性，减少材料内部的缺陷（空隙与微裂缝），获得超高强度与高耐久性。RPC 的制备采取了以下措施：（1） 通过去除粗骨料提高水泥砂浆的力学性能，消除骨料与水泥砂浆的界面过渡，提高基质的匀质性。（2） 优化颗粒级配，使基体的堆积密度增大，以提高拌合物的密实度。（3）凝固以后通过热养护使 RPC 的反应性得以充分发挥，以改善微结构。（4） 掺加微细的钢纤维以提高韧性，RPC200 中掺入的纤维长度为 1
3、3mm，直径约 0.150.20mm，体积掺量为 1.5%3%。（5） 保持搅拌和浇注的方法与程序尽可能地与现在习惯的做法相接近，以便于工程应用。 2 RPC 的性能特点2.1 超高的力学性能2RPC 材料的显著特点是强度更高、韧性更大。200MPa 级 RPC 材料的抗压强度为 170230MPa，是 HSC 的 24 倍；抗折强度为 3060MPa，是 HSC 的 46 倍；断裂能达到 15000 40000J/m2,而 NC 的断裂能只有 120 J/m2。可见 RPC 具有优良的韧性和力学特性（如表 1）。表 1 RPC、HSC、NC 的力学特性比较3 4混凝土种类 抗压强度/MP 抗
4、折强度/MP 弹性模量/GPa 断裂能/J/ mRPC800 490705 45705 6374 1200020000RPC200 170230 3060 4060 1500040000HPC 60100 610 3040 140NC 2050 25 3040 1202.2 耐久性RPC 中的空隙量极小，使得空气渗透数低，水分吸收特别值小，因面具有超高的耐久性，其耐久性能比普通混凝土以及高性能混凝土好得多。从表 1、表 2 中可见，利用 FRPC（纤维活性粉末混凝土）对腐蚀介质的抵抗固体核废料储存器，其使用寿命高达 500 年。加拿大对 RPC200 进行过 300 次快速融循环，最高 4 C
5、,最低-18 C，变化速度 6 C/h，试样丝毫未受损，50 次冰盐冻融重量损失率平均低于 8g/m,而魁北克省的允许标准为 800g/m,因此可基本忽略不计。表 2 RPC、HSC、NC 耐久性比较性能 普通混凝土（NC）高强混凝土(HSC)活性粉末混凝土(RPC)空气渗透系数 140 120 2.5水分吸收特性 2.7 0.4 0.2氯离子扩展 1.1 0.6 0.02碳化深度 10 2 0冻融剥落 1000 900 7磨耗系数 4.0 2.8 1.32.3 良好的环保性能RPC 是一种符合我国可持续发展战略要求的环保材料。表 3 可见，在同等承载力条件下，RPC 材料的水泥用量几乎是普通
6、混凝土与 HSC 的 1/2，因此同等量水泥生产过程中的 CO2 排放量也只有一半左右。对不可再生的自然资源骨料的用量，RPC 材料也只占 HSC 和普通混凝土的 1/3 与 1/4。表 3 同等承载力条件下不同材料性能比较2.4 良好的经济效益按当地（福州地区）可比价格计算，尽管 FRPC 的价格是普通混凝土的 2.4 倍，是高强混凝土的 1.95 倍，采用 FRPC200 粉末混凝土仍比普通混凝土节省 37.2%，比高强混凝土节省 35.6%，经济效益是十分巨大的，这里还不包括因为重量减轻节省的施工成本、加快资金周转等间接的经济效益，也不包括因为 FRPC 可以直接承受剪力，取消构件中的附
7、加抗剪钢筋。3 RPC 的工程结构应用73.1 预应力结构领域RPC200 有极高的抗压强度、弹性模量和开裂强度使预应力筋的强度得以充分利用，无需配防止预拉应力下发生开裂的预应力筋，并使锚具下的承压面不致发生过大的压缩变形，可大大减少预应力损失。RPC200 的另一显著特性是徐变和收缩现象极其微小，这使其预应力构件中由于材料收缩、徐变引起的预应力损失值降至最大。可以说 RPC200 在预应力利用中有良好的应用前景。为解决在铁路轨道接头处和小半径曲线段预应力轨枕破坏较严重的问题，用 RPC 试制的预应力轨枕，静载抗裂度有明显提高，疲劳性能明显改善。3.2 预制结构产品领域使用 RPC200 可以
8、有效减小结构自重，在具有相同抗弯能力的前提下，RPC200 结构的重量仅为钢筋混凝土结构的 1/21/3，几乎与钢结构相近。因此，完全可以用 RPC 来代替铸铁，生产现有许多铸铁制品，如井盖、水算子、模具等，可以大幅度降低制品的自重，而不影响使用效果8。工程实例有世界上第一座以 RPC 为材料的步行/自行车桥（图 1）位于加拿大魁北克省的谢布洛克（Sherbrooke）市。该桥于 19961997 年期间建成的。采用 RPC 钢管混凝土桁架桥结构。桥跨度 60m，桥面宽 4.2m。桥面板厚为 30mm，每隔 1.7m 设置高 70mm 的加混凝土品种 C30 普通混凝土 C60 高强混凝土 R
9、PC200 粉末混凝土计算等效载面厚/mm 500 400 150混凝土体积/m 126 100 33单方胶凝材料用/(kg/m)350 400 705CO2 排放量/t 44 40 23骨料总用量/t 230 170 60强肋。桁架腹杆市直径为 150mm、壁厚为 3mm 的不锈钢管、内灌 RPC200。下弦为 RPC 双梁，梁高 380mm；均按常规混凝土工艺预制。每个预制段长 10m、高 3m，运到现场后用后张预应力拼装。采用 RPC 的桁架桥，大大减轻了自重，提高了在高湿度环境、频繁承受冰盐腐蚀与抗冻融循环作用下的耐久性能。3.3 抗震结构领域RPC200 可以作为一种很有前途的抗震结
10、构材料。这是由于更轻的结构系统降低了惯性荷载；结构构件横截面高度的减少允许构件在弹性范围内发生更大的变形；极高的断裂能及高韧性使结构构件可以吸收更多的地震能。应用于框架节点将极大提高节点的抗震承载力，并彻底解决节点区钢筋过密、箍筋绑扎困难和混凝土难以浇筑密实等问题。3.4 钢管混凝土领域无纤维 RPC 制成的钢管混凝土，具有极高的抗压强度、弹性模量和抗冲击韧性，用它来做高层或超高层建筑的支柱，可大幅度减少截面尺寸，增加建筑物的使用面积与美观。利用钢管侧限无纤维 RPC，使其在凝固前受到压缩，夹杂其中的空气及早期的化学收缩大都被排除，此外在压缩期间，某些拌合水也被挤出，使 RPC 的水胶比得以降
11、低，从而提高了密实度。此外，由于影响 RPC 成本的主要因素是钢纤维的价格，故无论是从力学观点，还是从经济角度考虑，无纤维 RPC 钢管混凝土都具有很大发展潜力。3.5 覆面镶板领域因 RPC 中不含粗骨料而具有高密实性与良好的工作性能，使其与模板相接触的表面具有很高的光洁度，外界的有害物质很难侵蚀到 RPC 中，而且 RPC 中的着色剂等组份也不易向外折开利用，这一特点可制作 515mm 厚的建筑物覆面镶板，这一类型的产品目前在色彩、构造及外形上都具有多样性。在市政工程中可以利用 RPC200 的高强度制成井盖，厚度差不多在 30mm，比起一般的铸铁井盖更为经济实用，且力学性能更好。RPC
12、比 HSC 的内部结构更为密实，且空隙率与多余水分也都较少，所以抗火性能比 HSC 强，可用于抗高温材料制作。但其高温下的破坏现象和机理目前还没有相关研究，急需开展初步的实验研究，以核定 RPC 的抗火能力。3.6 核电站工程领域由于 RPC 的空隙率极低，它不但能够防止放射性物质从内部泄漏，而且能够抵御外部侵蚀性介质的腐蚀，因此是制备新一代核废料储存容器的理想材料。法国就利用 RPC这一性能对一座核电厂的冷却塔进行了改造。冷却塔的内部结构是由横纵梁交错构成的桁架支撑引导废液的倾斜面板。因为废料的侵蚀性极强，所以利用 RPC 材料抗渗透性能好的特点，来替换原来已被严重腐蚀的桁架梁。3.7 大跨
13、圆形屋顶结构领域在房屋建设中，采用 RPC200 设计建造的大跨球形圆顶，可制成直径为 120m 的净空，这一建筑的设计原则是：由 RPC200 预制的后张法预应力拱形梁连接其周围的预应力梁而组成环形伞状支撑结构。用 30mm 厚的 RPC200 硬化板覆盖于拱梁上形成屋顶。梁板间像瓦那样相互交叠，预制板间留出空隙排放雨水。这一建筑结构中由梁和板组成的屋盖纵平均厚度仅为 0.10m。3.8 下水道系统工程领域由于 RPC 良好的耐磨性能和低渗透性，可用于生产各种耐腐蚀的压力管和排水管道，在美国的下水道系统工程中得到广泛的发展和应用。为适应各种不同特点和用途的压力管道，已开发出多种施工技术和方法
14、。对于水平压力管道，采用离心浇注法，充分利用了RPC 的高抗压强度、水密性和低渗透性。在竖直压力管道中采用湿法浇注有效地利用了 RPC的气密性，减小了空气渗透。用于制造涵洞和下水道的施工方法“干法浇注”和“顶部顶进灌浆浇注法”正在进一步的完善中。3.9 水工建筑物领域在水工建筑物中，主要将 RPC 用于提高坝面的抗渗性能和抗裂性能，以及高速水流作用的部位，如溢洪道、泄水孔、有压输水道、消力池、闸底板等。在国外许多坝用 RPC 进行修补，纤维体积掺量一般在 1.5%3.0%，在经过一年运行后检查，没发现严重的磨蚀和剥落。工程实现表明 RPC 有很强的抗气蚀能力和抗冲磨能力。可以抵抗严酷条件下的气
15、蚀和冲磨作用。例如在葛洲坝二江泄水闸和映秀湾电站拦河闸底板修补中试用，效果突出。3.10 港口和海洋工程领域人们最担心的是海水环境中 RPC 的腐蚀问题，所以对这一领域中的应用持慎重态度。然而日本和挪威的试用经验是令人鼓舞的。在日本用 RPC 做钢管桩防蚀层，在海水中浸泡实验表明 RPC 有很强的防蚀能力，刚管桩表明无锈蚀仍有金属光泽。在国外还用于海底输气管道的隧洞衬砌、海底核废料库的支护、海上采油平台后张预应力管道孔的封堵以及码头混凝土受海水腐蚀部位的修补等。4 RPC 的应用前景与当前存在的关键技术问题RPC 集钢材强度大、韧性高和传统混凝土抗火、抗腐蚀性强的优点于一体。目前，它的应用已经
16、进入到桥梁与路面工程、建筑工程、水利工程、特种结构多个领域。历史已经多次证明，一种新材料的问世，必然伴随着从本构关系、计算方法、到测试技术，新理论新技术的发明或发现，必然伴随着一个产业链的诞生，同时，也重新排列着各国的技术位置。我国的当务之急必须首先在实际工程中成功应用。当前 RPC 研究中存在的关键技术问题：（1） 界面问题。在长期的实验研究中，我们感觉到纤维与基质的界面问题是制约 FRPC200 发展的关键问题。（2） RPC 的宏细观本构关系，至今仍无明确公认的新的力学计算模型，使当前的工程应用仍限于参考纤维高强混凝土加上经验估算的方式进行，实际上这已经阻碍了工程应用，也阻碍了性能更好的 FRPC 材料本身的发展。（3）发展针对新材料 RPC 的活性测试技术，作为传统力学参数实验的补充和发展。当前必需解决的是相对稳定的操作规程和相应的数据解释文件及标准参考值。（4） 在工程应用方面还欠缺工程经验和工程规范。（5）大比尺构件模型实验结果与实际原型工程测试结果的对比资料仍然是一片空白。因此，FRPC 的研究工作必须继续进行艰苦的努力，任重而道远。
