活性粉末混凝土耐久性研究（1）

第一章  緒  論  
　　 
隨著社會科技得告訴發(fā)展，混泥土技術也得到了廣大發(fā)展，高性能混泥土的應用也越來越廣泛。然而，材料具有優(yōu)異的性能不僅取決于其組分的質地，還要取決于另外一個關鍵因素：致密，均勻的內部結構。作為非勻質多孔的混泥土材料，其性能的提高更有賴于其勻質性的改善和孔隙率的降低⑴?；钚苑勰┗炷嗤粒≧eactive Powder Contrete，縮寫為RPC）是續(xù)高強度，高性能混泥土之后，于二十世紀末由法國布伊格（Bouygues）公司研究成功的一種超高強、低脆性、耐久性優(yōu)異并具有廣闊應用前景的新型超高強混泥土。它是由級配良好的石英細砂（不含粗骨料）、水泥、石英粉、硅粉、高效減水濟等組成，為了提高RPC的韌性和延性可加入鋼纖維⑵。在RPC的凝結、硬化過程中可采取適當?shù)募訅?、加熱等成型養(yǎng)護工藝。由于其成分中粉末的含量和活性的增加而被稱為活性粉末混泥土。1998年8月，在加拿大召開的高性能混泥土及活性粉末混泥土國際研討會上，就RPC的原理、性能和應用進行了廣泛而深入的討論。與會專家一致認為：作為一類新型混泥土，RPC具有廣泛的應用前景⑶。  
　　 
在這短短的幾年里，活性粉末混泥土在國際上得到了廣泛的應用。法國一核電站采用活性粉末混泥土為冷卻系統(tǒng)生產了2500多根大小梁（耗用混泥土823m3）、生產了打量核廢料儲存容器；在加拿大Shwrbrooke建造了一座跨徑60m、供行人和自行車通行的橋梁，以抵抗當?shù)囟玖阆?0度反復灑除冰鹽的嚴酷環(huán)境條件的侵蝕。通過這些工程應用，初步顯示出活性粉末混泥土良好的使用性能、簡便的生產和施工工藝，因而具有廣闊的發(fā)展前景⑷。不過在國內，活性粉末混泥土還在研究階段，真正被用在工程上的很少。在深圳，道路上的鑄鐵井蓋被盜現(xiàn)象嚴重，考慮用活性粉末混泥土做成雨水井蓋代替鑄鐵雨水井蓋是一個很有意義的課題?；钚苑勰┗炷嗤辆哂腥绱酥叩目箟?、抗折強度可以有效地減少結構物地自重，而且由于較高的密實性使它的滲透性降低，其耐久性也得到了保證。所以，活性粉末混泥土是做雨水井蓋的一種理想材料。  
　　 
與普通混泥土相比較，活性粉末混泥土可以減少材料用量，降低建筑成本，節(jié)約資源，減少生產、運輸和施工能耗。采用活性粉末混泥土將對改善和保護人類環(huán)境作出巨大的貢獻。  

1.1 RPC的配制原理  

a　應用消除缺陷的指導思想選擇骨料品種  

　　在普通混泥土中，水泥石和集料的彈性模量不同，當應力、溫度發(fā)生變化時，致使界面處形成細微的裂縫；另外，在混泥土硬化前，水泥漿體中的水分向集料表面遷移，在集料的表面形成一層水膜，從而在硬化的混泥土中留下細小的縫隙；此外，漿體泌水也會在集料下表面形成水囊。因此，混泥土在承受荷載作用以前，界面就充滿了微裂縫。收到荷載作用以后，在水泥石與骨料的界面上出現(xiàn)剪應力和拉應力，隨著應力的增長，微裂縫不斷擴展并伸向水泥石，最終導致水泥石的斷裂。為了盡量減少微裂縫和孔隙等缺陷，在配置RPC時剔除了普通混泥土中所采用的粗骨料（碎石，卵石等），而采用最大粒徑小于600um，平均粒徑為250um的細石英砂，可以取得以下三方面效果：  

（1）減小內部微裂縫寬度?；炷嗤潦盏胶奢d作用后，微裂縫寬度和被水泥漿包圍的顆粒直徑成正比；在RPC中，顆粒的直徑減小了50倍，可以極大地減小由力學（外荷載）、化學（內收縮）、加熱養(yǎng)護（由于砂漿和骨料的膨脹率不同）引起的微裂縫的寬度。  

（2）改善水泥石的力學性能。RPC的楊氏模量超過50GPa，在其最密實狀態(tài)時可達到75GPa，水泥石和骨料的整體彈性模量稍微小于骨料的彈性模量，大大減小不均勻性的影響。  

（3）降低骨料在總體積中所占的比例。在RPC中，水泥漿體積比松堆砂子的孔隙要大20％左右，砂子在RPC中不能構成骨架，而只是一種被水泥漿體包裹的、含有缺陷的混合物，砂子會隨著水泥漿的收縮而移動，因此砂子與水泥漿之間不會產生裂縫。  

b　采用最大密實理論模型選擇材料直徑  

　　對粉末堆積的研究表明（1），當大小均勻的球形顆粒粉末倒入容器時，即使進行面心立方或六方密堆排列，堆積密度也較低，一般小于74％。通過振動可以提高堆積密度，但即使采用最仔細的振動方式，最高振實密度也只能達到62.8％。為了提高堆積密度，常在較大的均一的顆粒之間加入細小的顆粒，先是粒徑最大的球體堆積成最密填充，剩下的孔隙依次由小直徑的球體填充下去，使球體間的孔隙減小，從而達到最大密實狀態(tài)。  
　　 
在制備RPC時，盡量選用本級顆粒的粒徑變化范圍較小，而與相鄰粒級的平均粒徑差比較大的材料。如選用粒徑范圍在150～600um之間，平均粒徑為250um的石英砂；粒徑范圍為80～100um的水泥；平均粒徑為0.1～0.2um的硅灰。  
　　 
此外，提高密實度和抗壓強度的另一種有效的途徑是在新拌混泥土凝結前和凝結期間加壓。這一措施有三方面的效果：其一，加壓數(shù)秒就可以有效地消除或減少氣孔；其二，當模板有一定滲透性時，加壓數(shù)秒可將多余的水分自模板間隙中派出；其三，如果在混泥土凝結期間始終保持一定壓力，可以消除由于材料化學收縮引起的部分孔隙。  

c　摻入微鋼纖維增大RPC韌性  

　　未摻鋼纖維的RPC收壓應力應變曲線呈線彈性變化，破壞時呈明顯的脆性破壞。摻入鋼纖維可以提高韌性和延性。RPC200中摻入鋼纖維直徑約為0.15mm，長度為3～12mm，體積參量為1.5％～3.0％。對于在250℃以上溫度養(yǎng)護的RPC800,其力學性能（抗壓強度和抗拉強度）的改善是通過摻入更短（長度小于等于3mm）且形狀不規(guī)則的鋼纖維來獲得。  

1.2　RPC的研究及應用現(xiàn)狀  
　　 
國外對RPC 配制技術的研究已較成熟,其中包括對RPC的材料、配比、養(yǎng)護條件、耐久性和強度等方面進行了大量的試驗研究,結果表明由于RPC 具有較好的勻質性及密實度,其抗壓強度和耐久性均有較大幅度地提高,并研究了養(yǎng)護條件對RPC 力學性能的影響,以確定合適的養(yǎng)護條件;以及對RPC 的微觀結構進行了研究,揭示其高強度及高耐久性的工作機理;并對RPC制成的放射性核廢料儲藏容器的性能進行了研究,指出RPC 不但能夠防止放射性物質從內部泄漏,而且能夠抵御外部侵蝕性介質的腐蝕,是制備新一代核廢料儲存容器的理想材料。另外,由于它的良好耐磨性能和低滲透性,可以用于生產各種耐腐蝕的壓力管和排水管道。目前,國外對RPC 的研究重點已由基本性能轉到了構件及結構的設計方法上,以求將這種超高性能混凝土盡快在結構應用中推廣,相關工作正在進行,還沒有形成系統(tǒng)的研究成果,更沒有涉及到RPC結構的抗震及抗火性能。  
　　 
RPC 在國外已有不少工程實例,主要制品包括:法國BOUYGUES公司與美國陸軍工程師團合作，進行了RPC制品的實際生產。F·de LARRARD提出基于最大密實度理論的固體懸浮模型（SSM），進行了RPC配合比設計。美國CPAR計劃及法國與美國陸軍工程師團合作生產的RPC制品包括：大跨度預應力混凝土梁、壓力管道及放射性固體廢料儲存容器。預應力混凝土梁中由RPC材料承受剪切力，可完全取消附加的抗剪配筋，而且可以減少梁的截面和配筋量；采用RPC的壓力管道提高了工作壓力，而且大大增強了對侵蝕性介質的抗侵蝕能力；用RPC制備的固體肥料儲存容器可長期儲存中、低放射性肥料，其使用壽命可高達500年。法國某核電站的冷卻系統(tǒng)采用RPC 生產了2500 多根預制梁,耗用混凝土823m³ ,同時還生產了大量核廢料儲存容器。加拿大在對RPC 配合比研究的基礎上,94 年開始進行工業(yè)性試驗,研究了無纖維RPC 鋼管混凝土,并用于加拿大魁北克省70米跨的Sherbrooke 人行混凝土桁架橋上。橋構件采用30mm厚無纖維RPC 橋面板、直徑150mm 的預應力RPC 鋼管混凝土桁架、纖維RPC 加勁肋和纖維RPC 梁,整個結構在現(xiàn)場進行組裝,見圖1 。由于采用了RPC ,不僅大大減輕了橋梁結構的自重,同時提高了橋梁在高濕度環(huán)境、除冰鹽腐蝕與凍融循環(huán)作用下的耐久性能。  


　　國內近幾年才開始RPC 的研究,目前還沒有工程應用實例。與國外采用水泥- 硅粉兩組分膠凝材料不同,國內研究者結合我國HPC 的制備技術及經驗,選擇了水泥- 粉煤灰- 硅粉三組分膠凝材料體系。文獻對RPC 的基本性能進行了較為系統(tǒng)的試驗,主要考察了水膠比、粉煤灰、硅粉和鋼纖維摻量對RPC 流動性和強度的影響,同時對養(yǎng)護溫度、養(yǎng)護時間、凝結時間和開始熱養(yǎng)護時刻對RPC 強度的影響進行了研究。研究結果表明: 粉煤灰的加入, 在極低水膠比(0.16)的條件下,使混凝土工作度與成型密實程度得到明顯改善,通過適當時間的熱養(yǎng)護處理,可以獲得與水泥—硅粉兩組分膠凝系統(tǒng)相當強度和其他性能的效果。為將RPC 實際應用,進一步開展了攪拌設施、高頻振搗與脫模劑的試驗研究,發(fā)展RPC 的原材料選擇、制備技術及生產工藝,這是它能夠在短短幾年里就在國外工程建設領域里獲得應用的關鍵。  
　　 
文獻對RPC 的本構關系進行了試驗研究,并與HPC和OC 進行了比較,結果表明:RPC 的極限壓應變?yōu)镠PC 的2～3 倍。從結構抗震角度來看,這比具有極高的抗壓強度更為重要。在具有相同抗彎能力的前提下,采用RPC 結構重量僅為普通鋼筋混凝土結構的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(yǎng)護條件下,其抗壓強度仍可達170MPa～230MPa。  
　　 
總體上講，我國在超高強混凝土的研究與應用方面與國際上的差距還不小，其中的原因主要有以下幾點：  

（1）國產的減水劑質量差。高效減水劑是配制高強混凝土必不可少的成分，其質量的優(yōu)劣直接影響到混凝土的性能。目前國產萘系合成高效減水劑減水率為18～22％，普通減水劑為8～10％，而日本產的聚丙烯酸系高效減水劑減水率高達35％，普通型達15％。當減水劑的減水率超過30％時，只用高效減水劑及普通硅酸鹽水泥即可配制C100以上的超高強混凝土。因此，研制優(yōu)質的高效減水劑對我國超高強混凝土技術的發(fā)展時極其重要的。  

（2）高標號水泥應用較少。提高水泥標號，混凝土強度可隨之提高，而我國生產高標號水泥的技術水平有限，目前配制高強混凝土主要使用525號水泥，625號以上的水泥很少采用，限制了混凝土強度的提高。  

（3）高強混凝土的脆性較為嚴重，影響了它在工程中的應用。從文獻［4］可知，在RPC中摻加鋼纖維或用鋼管對RPC施加側向約束，可使RPC的極限應變達到普通混凝土的2～3倍，有效地解決了高強混凝土脆性嚴重的問題，尤其是鋼管約束的方法，必要時還可施加沿鋼管軸線方向的預應力，不僅效果好，而且價格低廉，非常適合在工程實踐中推廣應用。  

（4）硅灰價格昂貴，使利用硅灰配制超高強混凝土的方法在工程應用中受到限制，因此，尋找價廉質優(yōu)的活性摻料來替代硅灰，就顯得十分重要。  

（5）養(yǎng)護制度不完善，影響了混凝土強度的提高及其應用。文獻研究指出:熱養(yǎng)護有利于提高RPC 的抗壓強度,對相同配比的RPC,高溫(250 ℃) 養(yǎng)護的混凝土抗壓強度最高,熱養(yǎng)護(90 ℃) 次之,標準養(yǎng)護最低,相差達30MPa 以上,而且養(yǎng)護制度對不同摻合料混凝土的強度影響也不同。目前,工程實踐中由于技術水平及價格等因素的限制,對養(yǎng)護制度的重視普遍不足,這對超高強混凝土的強度及耐久性提高十分不利,在今后的研究與應用中應給予足夠的重視。  

1.3　RPC應用與研究中存在的問題  
　　 
為了降低RPC的生產成本及改善其工作性能，摻入粉煤灰后RPC拌合物的流動度有較大的提高，但在摻入量較大時，隨粉煤灰摻量的增加，拌合物流動度提高的幅度并不明顯。隨著拌合物粉煤灰摻量的增加，拌合物的粘稠性有很大的改善，在振搗過程中有較多的氣泡逸出，拌合物的工作性能得到改善，減少RPC中的孔隙等缺陷。并且在此過程中，RPC的抗折性能也有一定影響，這是由于摻入粉煤灰后拌合物的粘性降低，包裹在里面的氣泡比較容易逸出，減少了RPC中的缺陷從而提高了RPC的抗折強度。  
　　 
但就目前而言，活性粉末混泥土存在的主要問題，是由于超低水膠比而使它的自身收縮明顯加大、采用熱養(yǎng)護的影響較顯著等，因而只適于預制生產，而不能現(xiàn)澆，在結構工程中的應用受到限制。  

1.4　RPC的發(fā)展趨勢  
　　 
綜上所述,RPC 具有極其優(yōu)越的性能,可應用的領域也非常廣泛。在土木工程領域中,隨著我國高層建筑和大跨結構迅速增加,為RPC的應用提供了巨大的市場,且在結構及橋梁改造、特種結構工程中也具有廣闊的應用前景。從工程應用的角度來看,RPC 在以下幾個方面具有較好的發(fā)展和應用前景:  

(1) 預應力結構和構件。目前由于建筑結構對混凝土預制構件的需求量較多,因此預應力廠家如果投入適量的資金,對部分設備進行改造,完全可以生產上述活性粉末混凝土預制構件。利用RPC 的超高強度與高韌性,能生產薄壁、細長、大跨等新穎形式的預制構件,可大幅度縮短工期和降低工程造價  

(2) 鋼- 混凝土組合結構。眾所周知,鋼筋混凝土的最大缺點是自重大,一般的建筑中結構自重為有效荷載的8～10 倍。而用無纖維RPC 制成的鋼管混凝土,具有極高的抗壓強度、彈性模量和抗沖擊韌性,用它制作高層或超高層建筑的結構構件,可大幅度減小截面尺寸和結構自重,增加建筑物的使用面積與美觀,因此RPC 鋼管混凝土構件有著廣闊的應用前景。  

(3) 特殊用途構件。RPC 的孔隙率極低,具有超高抗?jié)B性及良好的耐磨性,不但能夠防止放射性物質從內部泄漏,而且能夠抵御外部侵蝕性介質的腐蝕,可以用于生產核廢料儲存容器和各種耐腐蝕的壓力管和排水管道,不僅可大大降低造價, 而且可大幅度延長構件的使用壽命。  
(4)RPC 的早期強度發(fā)展快,后期強度極高,用于補強和修補工程中可替代鋼材和昂貴的有機聚合物,既可保持混凝土體系的有機整體性,還可降低工程造價。  
(5)RPC的高密實性與良好的中作性能，使其與模板相結觸的表面具有很高的光潔度，外界的有害介質很難侵入到RPC中去，而且RPC中的著色劑等組分也不易向外析出，利用這一特點可作建筑物的外裝飾材料。  

1.5　本文研究的主要問題  
　　針對RPC的特性和存在的主要問題，本文著重研究了在不同硅灰參量，不同用砂粒徑，不同鋼纖維參量與品種以及不同的養(yǎng)護條件下活性粉末混泥土不同的力學性能及耐久性。由于現(xiàn)實生活中的井蓋通常用鑄鐵制造，且由于鑄鐵本身具有再利用價值，因此社會上經常出現(xiàn)井蓋丟失，平坦大道時有餡井出現(xiàn)，因此造成人仰車翻，成為全國一大公害的情況。而活性粉末混泥土的種種性能顯示出其代替球墨鑄鐵做成井蓋的可能性，一旦試驗研究成功，由于RPC井蓋具有不可回收的特點，且成本大大降低，這將給社會經濟及治安帶來積極的因素。本文做了用活性粉末混泥土做成井蓋的探索性試驗，取得了一定成績。