活性粉末混凝土在桥梁工程中的应用和发展前景

于景超（辽宁城市建设职业技术学院，辽宁 沈阳110122）

1 引言

随着大型工程结构的应用和发展及其设计、使用要求的不断提高，工程界对混凝土的高强度、结构自重、长期体积稳定性和综合复杂环境作用下的耐久性均提出了比以往更高的要求。活性粉末混凝土为实现上述要求提供了材料上的可能。活性粉末混泥土—Reaction powder concrete（简称 RPC）是由法国著名营造公司Bouygues 公司以Pierre Richard 为首的研究小组于1993 年率先研制成功的一种超高强、高韧性、高耐久性和体积稳定的水泥基复合材料。由水泥、石英砂、石英粉、硅灰、钢纤维和高效碱水剂等组分，采用适当的成型和养护工艺制作而成。由于通过提高组分的细度和活性使材料内部缺陷减少到最小，因此可获得超高强度与耐久性。1994 年美国认证协会ACI 在旧金山召开的春季会议上，Richard 等人公布了他们的研究成果，并首次提出了活性粉末混凝土这一术语。根据组分、养护方法和成型条件的不同，可以制成抗压强度分别为200MPa、800MPa 左右的RPC，分别简称为RPC200 和RPC800。由于RPC 优良的力学性能和耐久性，问世后短短的几年内就在工程领域获得应用。目前，它的应用已经进入到桥梁工程、建筑工程、水利工程、核电站工程、特种结构等多个领域，并表现出良好的应用前景。

2 活性粉末混凝土的基本设计原理

活性粉末混凝土的基本设计原理是：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），以获得由其组成材料所决定的超高强度与高耐久性。

2.1 消除缺陷，提高材料的均质性

1）去除粗骨料，消除骨料与水泥砂浆的界面过渡，改善内部结构的均匀性。

水泥水化初期由于化学收缩会在骨料与水泥浆界面引起微裂缝，混凝土受到荷载作用后，粗骨料与砂浆界面处应力集中，极易引起破坏。由于微裂缝的长度与骨料粒径尺寸成正比，骨料粒径减小，裂缝宽度也小，RPC 去除粗骨料，（粒径大于1mm 骨料），只用细骨料，极大地减少了水化初期骨料与水泥浆界微裂缝的宽度，因而，混凝土的强度得到较大提高。同时骨料粒径的减小，使得由于骨料自身的缺陷对RPC 整个基体的影响也随之减小。

2）增加活性组分，改善浆体的力学性能

在普通混凝土中，由于骨料与硬化水泥石之间弹性模量的差异（骨料的弹性模量是硬化水泥石的3 倍左右），导致其在荷载作用下骨料与水泥石变形不协调而在界面处产生成细微的裂缝。RPC 中含有较多硅灰，骨料周围的Ca(OH)2晶体因与之反应生成大量水化硅酸钙凝胶而使界面处裂缝大为减少;同时，在热处理的过程中，石英粉与水化产物发生反应，会大幅度地提高硬化水泥石的弹性模量等浆体的力学性能。基本消除RPC 中由于骨料与硬化水泥石之间弹性模量的不均匀性影响而产生的微裂缝缺陷。

表1 活性粉末混凝土、高强混凝土、普通混凝土的力学特性比较

2.2 优选级配，凝固加压，提高密实度

采用最大密实理论模型进行颗粒比优化，使颗粒混合体形成最小空隙的填充状态，同时选择与活性组分相容性良好的高效减水剂，在最优级配条件下，根据相对密度（脱模时的混凝土密度与理想压实的颗粒配料的固体密度之比），确定最佳用水量，从而使拌合物到最大密实状态。

对新拌混凝土施加围压，可排除混凝土中搅拌时加入多余的水分，排尽新拌混凝土中绝大部分气泡，最大程度地减少材料中孔隙的数量和体积;同时，可补偿化学收缩，消除在水化过程中因化学收缩引起的微裂缝。

2.3 凝固后热养护，充分发挥反应性，改善微结构

在RPC 凝固后进行热养护可以加速水泥水化反应的进程和火山灰效应的发挥，改善水化产物的微观结构。热养护温度不同，RPC 的微观结构和水化产物的结构形态有所不同。对于RPC200的可在90°温度下常压养护，RPC800 可在250~400°温度下压力养护，高温（250~400°）热养护会使水化生成物(水化硅酸钙)凝胶大量脱水，形成硬硅钙石结晶。

2.4 掺加微细的钢纤维以提高韧性

未掺钢纤维的RPC 与普通混凝土相比，其抗拉强度与韧性有一定提高，但仍属脆性材料，抗拉强度偏低。为了改善这一性能，RPC 中采用掺入了微细（直径为0.15~0.2mm）的钢纤维，由于它能够阻碍混凝土基体在外荷载作用下内部微裂纹的产生、扩展，因此，可显著提高RPC 的断裂韧性、延性、抗拉强度和抗弯强度，有效地避免无征兆的脆性破坏的发生。

3 活性粉末混凝土的优良工程性能

3.1 超高的强度和韧性

RPC200 材料的抗压强度为170~230MPa，是高强混凝土的2~4 倍；抗折强度为30~60MPa，是高强混凝土的4~6 倍；断裂能达到15000~40000J/m2，而普通混凝土的断裂能只有120J/m2。可见RPC 是具有高强度和高韧性的材料。

表2 活性粉末混凝土、高强混凝土、普通混凝土耐久性比较

3.2 超常的耐久性

由于RPC 的较低水胶比和较高的密实度，材料内部空隙率极小，使得空气和水分渗透系数极低，抗有害介质侵蚀能力强，因而，与其它混凝土相比具有超高的耐久性。

3.3 良好的经济和环保性能

由于RPC 超高的强度，在实际工程中，RPC可以减少构件混凝土用量近2/3，而且还可大大减少构件中的配筋量，甚至完全取消构件中附加抗剪钢筋，经济效益十分显著。在同等承载力条件下，RPC 材料的水泥用量几乎是普通混凝土或高强混过凝土的1/2，对不可再生的自然资源骨料的用量，RPC 材料也只占普通混凝土或高强混凝土的1/3~1/4。因此，RPC 是一种符合可持续发展要求的、环保性能良好的材料。

4 国内外工程应用实例

世界上第一座以RPC 为材料的桥梁是1997年建成的位于加拿大魁北克省Sherebrooke 市的一座人行桥。该桥采用RPC 钢管混凝土桁架结构，桥梁跨度60m，桥面宽4.2m，桁架腹杆为直径为150mm、壁厚为3mm 的不锈钢管，内灌RPC200，下弦为RPC 双梁，采用后张预应力节段拼装施工。由于混凝土使用了RPC，大大提高了桥梁在当地低温、高湿度、严重冰盐腐蚀与冻融循环等恶劣环境作用下的耐久性能。且大大减轻了桥梁自重。2002 年韩国的汉城用RPC混凝土建造了跨度为120m 的π 型人行拱桥。2006 年在美国Iowa 州建造了径跨为30.48m 的MarsHill 桥，该桥为单跨公路桥，上部结构，由3 根工字形主梁组成，全部采用RPC 材料建造。我国从1997 年开始对RPC 进行研究，近几年来对RPC 材料的配比、性能已经有了充分的认识。

工程应用方面，在我国，为了改变桥梁（特别是铁路桥梁）中普通钢筋混凝土人行道板强度等级较低、耐久性差、抵抗冲击能力弱、动力特性差、角钢支架养护维修量大、费用高等缺点，最早尝试采用新型RPC 人行道板系统来替代传统的普通钢筋混凝土板及角钢支架，利用RPC 的优良性能减小构件尺寸和自重，提高使用寿命，RPC 人行道板已先后在北京五环高速公路，青藏铁路、广州市新光大桥、京沪高速铁路整体式栏杆中得到了成功应用，并取得了良好的技术和经济效果。2006 年迁曹铁路滦柏干渠大桥工程采用5 孔图号为专桥（02）2061-20 米低高度后张预应力RPC 混凝土梁，所用的RPC 混凝土材料配比如下：

钢纤维长度12~16mm，长径比60~70；矿物掺和料主要成分为硅灰、粉煤灰、矿粉、稀土等，每片梁混凝土用量25m3，施工控制坍落度160~180mm，12 组抗压试件在2d 初张拉时达到很高强度值，平均92.7MPa，最大103.3MPa，最小79.7MPa，终张拉时，12 组抗压试件平均强度为114.4MPa，抗折强度平均可达20MPa，远远大于普通混凝土。拆模后梁体表面平整光滑，没有有害裂纹和掉角缺陷，取得了良好的效果。2009 年，RPC130 活性粉末混凝土在石武客运专线河南段SWZQ-2 标桥梁工程盖板中也得到了成功应用。

5 RPC 在桥梁工程领域应用价值和前景

1)RPC 材料可以有效地减小桥梁结构的截面尺寸和自重，提高桥梁的跨越能力

普通配筋钢筋混凝土桥梁的最大缺点是自重大，在大跨预应力混凝土梁式桥中，恒载作用效应将占结构总作用效应的80%以上。由于RPC材料超高的抗压强度，可有效减少截面尺寸、减轻自重。据统计，采用RPC 其截面尺寸可以做到普通混凝土构件1/3 左右，上部结构梁的总重将降低40%左右，RPC 抗弯拉强度的提高使其具有较高抗剪强度，甚至有可能使RPC 在结构中独立承受剪力，从而在桥梁结构中大大减少或完全去除辅助抗剪配筋，这样就可以在设计中采用更薄的和更具有创新性的截面形状。因此，RPC 对减轻配筋混凝土桥梁结构的自重、提高桥梁结构抵抗使用荷载的有效性、增大结构的跨越能力具有极为重要的现实意义。

表3 RPC 混凝土配比（kg/m3）

2)在预应力及钢管混凝土桥梁领域将发挥重要作用

由于RPC 极高的抗压强度、弹性模量和弯拉强度使高强预应力筋的强度得以充分利用，且无需配置防止施工阶段在拉应力作用下发生开裂的非预应力钢筋，较高的弹性模量使锚具下的混凝土承压面的压缩变形大大减小，加之RPC 的收缩徐变现象极小，使其预应力构件中由于混凝土的弹性压缩、收缩、徐变引起的预应力损失值降至最大。极大地提高了预应力混凝土桥梁的安全度和跨度。

利用钢管侧限无纤维RPC 制成的无纤维钢管粉末混凝土，是具有超高的密实度、抗压强度、弹性模量和抗冲击韧性的材料，且因无钢纤维，成本低，是建造大跨径和超大跨桥梁的重要突破，具有巨大发展潜力。

3)RPC 材料将极大提高桥梁的耐久性和使用寿命

RPC 具有良好的抗渗性高密实性与高冲击韧性、抗疲劳性和抗耐磨性，将极大提高既有桥梁的耐久性能，使得采用RPC 的桥梁可以在各种恶劣环境长期作用下处于免维护或少维护状态。不仅可以很好地保证交通运输的通畅，而且还可以节约大量的维修费用。

4）将有效降低桥梁建设成本，发挥显著的社会和经济效益

与普通混凝土、高强、高性能混凝土相比，RPC 大量减少了水泥和不可再生骨料的使用数量。由于其超高强度，用RPC 设计的桥梁构件，可以极大地减少箍筋、受力钢筋、加强钢筋等价格较高、耗能较大的钢筋用量。在城市轨道高架桥建设中，利用RPC 材料的特点，改变传统的施工方法，采用预制拼装RPC 桥墩不仅能充分利用材料强度，还可以将桥墩构件在工厂集中预制，与基础施工平行作业，减少现场工作量和场地占用，极大地缩短施工工期，提高建桥速度，从而有效地解决城市中桥梁建设期间道路等空间的占用问题，具有较高的社会和经济效益。

6 结 语

RPC 作为一种新的、具有优良物理力学性能和工程性能的配筋混凝土结构形式，在公路、铁路、城市桥梁工程中已显示出良好的应用价值和广阔的应用前景。国内外对RPC 的研究和应用表明，它的应用将改变传统配筋混凝土结构的设计，并引入新的施工技术和理念，对桥梁工程的发展必将产生重大而深远的影响。

[1]Pierre Richard.Reactive Powder Concrete:A new ultra-high strength cementitious material[A].In:the 4th international symposium on utilization o f high strength/ high performance concrete [C] Paris.1996:1343-1349

[2]朱英磊活性粉末混凝土的性能研究及应用[J]混凝土2000，(7)

[3]檀军锋活性粉混凝土土（RPC）在铁路预制梁工程中的应用[J]上海铁道科技2007，(2)

[4]刘数华等活性粉末混凝土在桥梁工程中的研究和应用[J]公路2009，(3)