大掺量矿物微细粉活性粉末混凝土的研究综述

谢彪XIE Biao

（中铁城建集团第一工程有限公司，太原030024）

0 引言

随着建筑行业的飞快发展，对建筑材料的性能要求也越来越高，传统钢筋混凝土的强度和性能，对于一些有特殊要求的建筑已远不能满足。高效减水剂的广泛应用以及优质活性矿物细粉的加入，使得高强混凝土应运而生。但其早期强度发展迅速，开裂及倒缩现象显著，并且随着混凝土强度的不断提高，混凝土的抗拉强度低、韧性差的缺点愈加显著。为此，人们在混凝土中加入抗拉强度高、极限延伸率大的各种纤维，从而形成纤维混凝土。纤维混凝土具有较高抗拉、抗弯强度，良好的任性和延性。但当粗骨料粒径较大时，纤维的抗拉“桥梁”作用受到阻碍，为了获得性能更加优异的混凝土，20世纪末，法国的布伊格（Bouygues）公司研制成功了活性粉末混凝土（简称RPC）。它是集高强混凝土和纤维混凝土的优势于一体，剔除粗骨料，代以石英砂为骨料，掺入适量短纤维和活性矿物掺合料，采用高效减水剂来降低水胶比，配以成型加压、加热养护等措施，制备出的具有超高强、低脆性、高耐久性的新型水泥基复合材料。随后活性粉末混凝土便成为了国际工程领域的一个新的研究热点，但是水泥、硅灰等材料，低温水化速度慢，造价也相对较高，为此便形成了以大掺量的矿物微细粉代替部分水泥和硅灰的大掺量矿物微细粉活性粉末混凝土，如此良好的工作性能，使得活性粉末混凝土在国内外得到了广泛的应用。

1 活性粉末混凝土的制备原理及改善性能方法

构件所获得的最大承载力取决于微裂缝的数量及孔隙的大小，这也正是活性粉末混凝土产生高强的原因，它的基本配置原理和改善性能方法如下：

1.1 剔除粗骨料，代之以平均粒径250um的细砂

传统混凝土的粗骨料粒径较大，在混凝土和骨料的界面上产生微裂缝，另外当温度、荷载变化时，二者的收缩变形不一致，从而使裂缝产生，降低强度。但是活性粉末混凝土剔除粗骨料代之细砂，由于骨料粒径较小，自身存在缺陷的概率也低，同时没有粗骨料，构建的匀质性提高。从而提高活性粉末混凝土的强度。

1.2 掺入矿物微细粉及高效减水剂

活性粉末混凝土常掺的矿物微细粉包括硅灰、粉煤灰、矿渣、石灰石粉等。通过矿物微细粉和高效减水剂的双掺，使得活性粉末混凝土在较低水胶比的情况下，达到最大填充密实度，另外矿物微细粉中的硅灰水化生成水化硅酸钙凝胶，可有效改善界面区的微观结构。由于活性粉末混凝土水胶比极低，水泥和硅灰不能水化完全，但是粉煤灰水化速度慢，可使体系形成一个良好的水化环境，在一定程度上改善了活性粉末混凝土的性能。

1.3 采用加压及热养护

在活性粉末混凝土凝结过程中施加一定的压力，可以有效地减少活性粉末混凝土中气孔的数量，还可以排出一定量的多余水份，提高浆体的密实性，在凝固后采用热养护，可以加速水化反应及火山灰效应的程度，改善微观结构，提高界面粘结力。

1.4 加入较短钢纤维，提高延性及韧性

钢纤维的抗拉强度较高，可以弥补混凝土抗拉强度差的缺点，当活性粉末混凝土材料出现较小的裂缝的时候，高弹性模量的钢纤维与混凝土基体之间的粘结力，具有一定的阻裂作用。

2 活性粉末混凝土的研究现状及应用前景

活性粉末混凝土由于其优异的力学性能和耐久性能，使得其在诸多工程实际中的得到应用。1997年加拿大Sherbrooke市建成了一座跨径60m的RPC人行桥。当地气候条件恶劣，最低温度可达零下40度，雪天还要经常撒盐水，对结构耐久性要求很高。由于采用RPC，减轻桥梁自重，提高其在除冰盐腐蚀与冻融循环作用下的耐久性能，这一应用，极大地推动了RPC在桥梁领域的应用。2002年澳大利亚建成一座跨径15m，宽度为21m的预应力RPC公路桥，这是RPC真正应用于工程结构领域的标志。2006年美国建成一座高等RPC单跨简支梁桥，并获得06年度波特兰水泥协会桥梁奖。我国对RPC的研究起步较晚，但是发展很快，北京交通大学的郑遵畅等对掺加玄武岩纤维的活性粉末混凝土基本性能进行试验研究，探究了不同玄武岩纤维体积掺量下活性粉末混凝土的力学以及耐久性能。哈尔滨工业大学的李建平等对超细矿粉活性粉末混凝土性能进行研究，在参照前人获得的RPC配合比的基础上，通过正交试验，成功配置出满足性能要求的超细矿粉活性粉末混凝土，并研究了其抗渗、抗冻性。中南大学的李会艳等对聚丙烯酸酯对活性粉末混凝土性能的影响进行研究，得出掺加聚丙烯酸酯可以有效改善符合浆体的流动性，同时也可降低减水剂的饱和点。我国对RPC的应用在铁路领域应用较多，例如，2006年青藏铁路多年冻土区首先试用了RPC人形道板，2007年在迁曹铁路上使用了20m跨度的T型RPC梁，在冀港铁路线上采用了跨度为32m的预应力RPC梁。基于RPC的高强、高性能，使得其极具推广价值并具有广阔的应用前景。在土木工程领域，高层和大跨结构的迅速发展，为RPC的应用提供了巨大的空间，此外在特种结构工程的施工中，也拥有广阔的应用前景。利用RPC的超高强度及韧性，在不配筋或者少配筋的情况下，生产薄壁制品、细长构建，可替代工业厂房的钢屋架和高层、超高层建筑的上部钢结构，大幅降低造价。利用RPC的超高抗渗性与抗拉性能，可替代钢材制造压力管道、中低放射性核废料储存器，既降低风险又延长寿命。

四大掺量矿物微细粉活性粉末混凝土配制思想。

国内外对活性粉末混凝土的研究，一般选用水泥和硅灰构成粉体堆积，但是这种情况存在水泥用量大，且粉体堆积效率不高的问题，如果用矿物掺合料来代替一部分水泥和硅灰，不但可以降低成本，而且具有良好的生态效益。所谓大掺量活性粉末混凝土是指粉煤灰等矿物细粉掺量超过胶凝材料总量40%以上的活性粉末混凝土。粉煤灰、矿渣、石灰石粉等大多是工业废渣，将其作为矿物掺合料应用于混凝土中具有良好的经济效益和生态效益，因而得到了越来越多的关注。大掺量矿物微细粉活性粉末混凝土的配置思想是剔除粗骨料、优化细骨料的级配，通过掺加大量颗粒分布良好的矿物细粉来取代用量较高的水泥，在改善均匀性的同时达到最佳的密实状态，并在此基础上添加掺量及长径比适宜的钢纤维，以此来改善活性粉末混凝土的脆性。一般认为矿物掺合料的粒径越小越有利于其水化，但是如果过度追求超细的矿物掺合料，不但增加了施工成本而且还会增加粉磨电耗，既不经济又不环保。况且粒径较小的多种矿物掺合料添加到一起，如果没有形成良好的级配的话，同样不利于混凝土的发展，不能达到理想的预期效果。所以在现实应用中既要考虑到性能因素也要考虑到经济因素。

3 RPC存在的问题

3.1 虽然RPC的研究国内外都趋于成熟，但在严酷环境下活性粉末混凝土中的钢纤维存在锈蚀的危险，这无疑对RPC的耐久性及力学性能造成影响，寻找性能好又不易腐蚀的纤维来代替钢纤维是未来RPC的发展方向。

3.2 混杂纤维RPC应该得到推广，混在纤维RPC中高模量纤维对提高混凝土的力学性能具有一定的优越性，低模量纤维对提高混凝土的任性及耐久性具有一定的优越性。混杂纤维RPC能有效形成优势互补，所以用混杂纤维来代替单一纤维来制备活性粉末混凝土具有更广阔的应用前景。

3.3 高温养护条件在一定程度上阻碍了RPC的发展，一般实验室难以达到高温养护条件，高温养护增加了RPC在野外和实际工程浇筑时的困难。如何探究RPC在标养条件下达到高强性能，应成为以后RPC的研究方向之一。

3.4 造价偏高。硅灰、钢纤维等掺合料价格偏高，从而使RPC的整体造价远远高于普通混凝土。如何在保持高强、高性能的基础上有效地降低造价也是RPC亟待解决的问题之一。

4 结论和应用前景展望

RPC作为一种新型的超高强、高性能的水泥基复合材料，在高层、桥梁、管道等领域拥有广阔的应用前景，RPC具有超高的力学性能，优异的耐久性能，这必将使得RPC在未来的新型水泥基复合材料领域成为主力军。利用既经济又环保的矿物微细粉来取代用量较大的水泥，可以很好地解决水泥水化和自重较大的问题，如何解决活性粉末混凝土中钢纤维的锈蚀，以及高温养护条件的限制是今后活性粉末混凝土应该研究的问题，另外硅灰、石英砂的材料造价偏高，这无疑限制了其大量普及，寻找造价相对较低但性能相当的建筑材料来取代一部分硅灰和石英砂，应该成为今后活性粉末混凝土的研究新方向。

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