活性粉末混凝土的制备原理与特性

孙志光

（中国建筑第八工程局有限公司，北京 100097）

1 引言

在结构工程向大型化、复杂化和功能化发展的趋势下，对混凝土抗压强度等级的要求不断提高。然而高强度等级未能解决混凝土低拉压比问题，通常以提高配筋率的方式加以弥补。高配筋率增大了浇筑施工难度，同时，钢筋约束条件下混凝土收缩应力加剧开裂，加剧外界侵蚀介质渗入，降低混凝土结构耐久性。此外，对于高强混凝土，骨料—水泥石界面过渡区仍然是降低力学性能和耐久性的主要薄弱环节。

针对以上问题，上世纪末由法国布伊格（Bouygues）公司基于“高致密水泥基均匀体系”（DSP）模型和纤维增强复合材料原理，以水泥、硅粉、石英砂（400～600μm）、高效减水剂和钢纤维等为主要组成材料，在凝结硬化过程中，配以施压、热处理等养护制备工艺，研发了一种超高强、低脆性和耐久性优异的新型高性能混凝土——活性粉末混凝土（RPC）。

虽然 RPC 的研究与应用尚不足二十年，但其兼具了钢材强度大、韧性高和混凝土耐火、耐腐蚀性强的优点，具有广阔的应用前景，已成为国际工程材料领域研究热点之一[1,2]。本文通过分析活性粉末混凝土的配制、微观结构和性能的基本原理，明确活性粉末混凝土力学性能和耐久性特征，针对RPC 的工程应用性能，提出尚需解决的问题。

2 基本原理

通常混凝土是由砂、石、水泥、水、矿物掺合料和化学外加剂六相配制的复合材料，其中水泥石—粗骨料界面过渡区具有 Ca(OH)2结晶粗大和孔隙率高等特点，表现为应力集中、粘结力低，成为影响混凝土力学性能及耐久性的主要因素。因此，提升界面过渡区结构特征是实现混凝土高性能化的最重要途径之一。RPC 通过剔除粗骨料，提高胶凝材料活性，优化颗粒密堆积结构，能够减小内部缺陷，从而获得优良力学性能和耐久性。

2.1 剔除粗骨料，提高均匀性，减少缺陷

对于固体材料，通常理论强度约为弹性模量的 0.1～0.2倍，但实测值仅为弹性模量的 (0.1～0.2)×10-3倍，相差甚远，其原因在于材料内部结构存在大量缺陷。在新拌混凝土阶段，骨料表面聚集水膜，硬化混凝土局部孔隙率显著增大，此外，泌水也使骨料下表面形成水囊，结构混凝土未承受荷载作用情况下，界面过渡区便充满微裂缝。由于水泥石与骨料的弹性模量存在差异，当应力和温度变化时，水泥石和骨料变形量不同，水泥石—骨料界面出现剪应力和拉应力，诱发微裂缝。随着应力增加，微裂缝不断扩展，逐步延伸至水泥石，最终导致水泥石断裂。提高 RPC 材料的均匀性是消除混凝土固有缺陷的有效方法，主要途径如下：

（1）降低骨料粒径和含量，改善结构均匀性。

国外研究表明，荷载作用下，混凝土微观裂缝宽度与骨料粒径呈正比关系[3]。剔除普通混凝土粗骨料（通常最大粒径为 9～80mm），仅以石英砂作为细骨料，使骨料粒径减至约2%，荷载作用、收缩和高温养护等因素引发的微裂缝宽度显著减小，改善了界面过渡区结构特征，材料宏观性能提升。

相比于石英砂间隙，水泥浆体积富余度比约为 120%，石英砂无法形成骨架结构，在浆体收缩过程中，石英砂随浆体移动，有效减小了石英砂与水泥石间开裂倾向[3,4]。

粗骨料与水泥石弹性模量比约等于 3，以致粗骨料与水泥石形变特性不一致，界面过渡区易形成微观裂缝。RPC 骨料与水泥石的弹性模量之比在 1～1.4 之间，形变一致性显著提高。

（2）改善浆体水化微观结构，强化骨料—水泥石界面。

大掺量高活性矿物掺合料（硅粉）是 RPC 配制的主要特征之一，硅粉具有三个作用：① 优化密堆积结构，提高密实度；② “滚珠效应”可提升流变特性；③ 高火山灰活性，与 Ca(OH)2发生二次水化反应，细化 Ca(OH)2晶体尺寸，优化 Ca(OH)2取向排列；降低 C-S-H 凝胶钙硅比，提高浆体强度，强化界面过渡区。

RPC200 物理力学性能演变发展规律研究表明硅灰最佳掺量为 25%～35%[5]，火山灰效应分析发现 RPC 中硅灰增强作用极高，高温养护条件下，强度贡献率约为 40%。

此外，硅灰有益于提高钢纤维与水泥基基体间粘结力，何峰等研究表明掺入 20%～30% 硅灰可使钢纤维与基体界面粘结强度达到峰值[7-11]。

2.2 提高堆积密度

大量研究表明优化颗粒级配，采用多级粒径分布，堆积密度最优时，材料内部微观缺陷最少。应用流变学和密堆积结构优化理论来决定高效减水剂最佳掺量。改善拌合工艺，使拌合物组分分布均匀、流动性优良。在凝结过程中，对RPC 材料施压养护，可以使内部气体和自由水排出，消除部分收缩孔隙，降低孔隙率，进一步提高密实度[12]。

2.3 高温养护改善水化微观结构

RPC 材料的水化微观结构特征受养护温度的显著影响。Marcel Cheyrezy 的研究表明 20℃ 养护至 28d 龄期，C-S-H 凝胶链短，火山灰二次水化程度低；水化结构决定于高温养护和加压状态，火山灰反应在 200～250℃ 之间时加强，提高养护温度可增加 C-S-H 凝胶链长[13,16,17]。硅粉反应活性依赖于高温养护和持续时间，养护温度是水化微观结构的主要决定因素之一[14]。

研究表明，在 20～90℃ 常压养护条件下，RPC200 水化产物呈无定形态，提高养护温度，火山灰二次水化效应加强，100nm 以上孔体积降低，孔结构细化。在 250～400℃ 压力养护条件下，RPC 800 水化产物 C-S-H 凝胶脱水，生成硬硅钙石晶体。

2.4 复合钢纤维，提高韧性

相对于普通混凝土，无纤维 RPC 仅具有高强度，但韧性未有明显改善。基体和纤维属两类材料，钢纤维使 RPC 成为各向异性材料，纤维可以阻滞水泥基料在荷载裂缝扩展。在承受荷载前期，以水泥基基体受力为主，钢纤维约束水泥基体裂缝的产生和发展。伴随荷载增大，基体逐渐开裂，一部分基体退出工作，横跨裂缝的钢纤维继续承受荷载作用，破坏荷载提高。超过极限荷载后，裂缝继续扩展，钢纤维不断拉断或拔出，过程中承载能力缓慢下降，荷载—位移曲线包络面积增大，断裂能、断裂韧性和裂缝张开位移提高，材料破坏呈现出延性[18]。

钢纤维对 RPC 增强作用程度与钢纤维材质、数量、形貌、分布方向以及与基体粘结力等密切相关。研究表明钢纤维增强作用与直径呈反比；一定范围内，与钢纤维掺入量呈正比，且对抗弯强度作用远高于抗压强度，但过量掺入钢纤维，将降低 RPC 工作性。因此，应综合考虑 RPC 工作性和力学性能进行钢纤维掺量设计。通常，RPC 钢纤维直径为0.15～0.18mm，长 3～12mm，掺量为 2%～6%（体积）比较合理。

3 性能特点

RPC 抗压强度为 200～800 MPa，抗拉强度 25～150 MPa，断裂能高达 30 kJ/m²，是一种超高力学性能混凝土。目前，工程界通常将 RPC 材料划分为 RPC200 和 RPC800 两个强度等级，前者采用蒸汽养护，后者采用高温高压养护。RPC200、RPC800、高强混凝土与普通混凝土力学性能对比见表 1[1,4]，可以看出：相对高强混凝土（HSC）和普通混凝土（NSC），RPC 抗压强度、抗折强度和断裂能均有显著提升，韧性得以优化。

表1 RPC200、RPC800、HSC 与 NSC 的力学性能对比分析

图1 给出了 RPC 和高性能混凝土（High-performance Concrete，HPC）的典型应力—应变曲线[19]，分析可知 RPC受压构件的抗压强度和变形性能远优于 HPC。钢管约束和预应力进一步提升了 RPC 抗压强度和延性，明示了 RPC 材料更为高效和合理利用途径。

图1 RPC 和 HPC 抗压强度-应变全曲线

严酷服役环境下，耐久性是衡量材料品质的一项重要指标。近年来，国内外已开展了相关研究，主要研究方向包括RPC 的抗渗性、抗侵蚀性、抗冻性和耐磨性等方面[20,21]。

优良的孔结构使 RPC 材料具有低渗透性、高抗侵蚀介质渗入性能和耐磨性，表 2 给出了 RPC 与其它几种混凝土的耐久性指标的比较[22]。

4 工程应用

表2 NSC、HPC、RPC 耐久性对比

近年来，国内外对 RPC 材料进行了多领域应用探索。加拿大魁北克省利用 RPC 材料建成世界上第一座公路桥——Sherbrooke 桥，其采用 RPC 钢管桁架结构，单跨跨径 60m，桥宽度 4.2m。桥面板厚度 30mm，间隔 1.7m 设置加强肋，加强肋高 70mm。桁架腹杆采用直径 15cm、壁厚 3mm 不锈钢管，内部灌注 PRC200，下弦采用 RPC 双梁。常规预制件长 10m、高 3m，现场后张预应力拼装。图 2～4 分别给出Sherbrooke 桥的设计示意图、实景图和上部结构[18,23]。

图2 Sherbrooke 桥设计示意图

图3 Sherbrooke 桥实景图

图4 Sherbrooke 桥上部结构形式

法国拉法基公司率先将 RPC 材料作为结构材料和装饰材料商业化，该产品成功应用于和平桥主跨结构（图 5）。和平桥具有建设速度快，自重轻的特点，标志着 RPC 在实际应用中达到了新的高度[18]。

图5 和平桥全景图

此外，美国已建成直径 18m 的 RPC 无钢筋圆形屋盖，施工工期缩短至普通钢结构的 1/3，澳大利亚已建成第一座RPC 公路桥——Shepherds Creek Road Bridge，法国成功制备了 RPC 核废料容器，葡萄牙利用 RPC 材料建造防护堤等海防结构，日本利用 RPC 预制箱梁建成了 Sakata-Mirai 步行桥。由于优异的抗腐蚀性和抗渗性，RPC 在压力管道和下水道等领域同样得到了广泛应用。目前，我国 RPC 材料的工程应用尚处于起步阶段，在高速铁路、青藏铁路和北京五环等工程中已有推广应用。

5 存在的问题

国内外 RPC 材料性能和工程应用性能已有大量研究成果，然而，总体而言，RPC 研究和应用仍存在如下几方面的问题，亟需完善：

（1）设计、生产、质量控制与检验等标准缺失。

由于缺少材料设计、生产、质量控制与检验等标准，RPC 取材、设计和制备等工艺过程无规范可依，针对 RPC性能评价指标和检测方法的缺失，以致不同单位制备的同种RPC 材料性能差异较大。

（2）RPC 结构设计理论和方法滞后。

目前，国内外未有 RPC 结构设计通用标准规范，设计方法以普通混凝土结构设计规范为准，很大程度上限制了 RPC优异性能的发挥。因此，深入研究 RPC 材料工作性、力学性能和耐久性，构建针对 RPC 材料的结构设计规范和施工技术规范是亟待解决的技术问题。

（3）收缩大，且不易现场浇筑。

低水胶比、高胶凝材料用量和高温养护等因素导致 RPC收缩量大，同时给现场浇筑施工造成一定困难。

（4）制备工艺复杂、成本过高。

大掺量的钢纤维、硅灰和高效减水剂，高品质原材料和复杂的制备工艺，以及特殊的成型和养护等因素，使 RPC 材料的生产成本过高，一定程度上阻碍了大范围的推广应用。

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