活性粉末混凝土及其耐久性的应用研究

活性粉末混凝土及其耐久性的应用研究

韩少杰卜娜蕊（指导教师）

河北建筑工程学院河北张家口075000

摘要：经特殊的配制方法获得的活性粉末混凝土RPC自问世以来凭借其优越的性能，如优异的抗冻、抗渗、抗腐蚀、抗碳化等性能，而具有广阔的研究前景与应用市场，深受工程材料界人士的青睐。因此对RPC的配置原理、耐久性能及应用领域的深入研究非常有必要。

关键词：活性粉末混凝土；耐久性；工程应用

0前言

近些年来，随着科学技术的进步与发展，中国的建筑材料也在不断推陈出新，相关的工作人员渐渐将研究的热点放在活性粉末混凝土上。RPC活性粉末混凝土（ReactivePowderConcrete）是一种超高强度、低脆性、耐久性优异并具有广阔应用前景的新型建筑材料，它最早于20世纪90年代初由法国首先开发。它的立方体抗压强度可达到200~800MP，同时具有25~150MP的抗拉强度。这些年，工程界不断朝RPC快速走向市场的方向而努力，如今已经在工程的应用上取得比较可观的进展，例如在1997年首次在加拿大建成了一座跨径60m的RPC人行桁架桥，2003年北京交通大学首次在国内用RPC制成无筋空心盖板。在这之后，国内外均出现了大量RPC工程实例。

1.RPC的研制

1.1RPC的定义

RPC是由级配石英细砂（剔除混凝土粗骨料）、粉煤灰、石英粉、硅灰、高效减水剂以及钢纤维组成一种水泥基复合材料，在混凝土凝固前和凝固期间采用加压成型工艺而获得的。根据它的抗压强度可将其分为RPC200和RPC800两个强度等级。RPC200的钢纤维长度为12mm，直径为0.2mm，在材料中所占体积率为2%。相比于RPC200，RPC800则采用了长度仅为3mm的凹凸形钢纤维。

1.2RPC的制备原则

为了尽可能地减小混凝土中的孔隙间距，使得各种材料搅拌后更加密实，根据最大密实度原理，RPC所采用的原材料平均颗粒尺寸均在0.1μｍ~1mm之间。RPC的制备遵循了以下五条基本原则：

（1）剔除掉粗骨料，用细沙来代替，从而提高其匀质性；

（2）优化整体组分颗粒级配，在凝固前和凝固期间加压，来提高拌合物的密集性。不同的粒级都有一个密集的颗粒大小的范围，粒级之间要有明显的划分，两个相邻粒级的平均直径之比大于13；

（3）凝固后进行热养护，以此来改善微观结构特性，加强细骨料与活性粉末的反应，提高界面的粘结力；

（4）通过加入细钢纤维，从而提高结构韧性与体积的稳定性。

1.3RPC各组分优越性

级配石英砂作为混凝土的细骨料，具有很高的硬度和优良的界面性能，并且易于采购。不仅提高了组分的细度，而且消除了细骨料对于胶凝材料在水化过程中产生的水化产物的收缩约束，使得混凝土更加密实均匀，很大程度上减少了材料内部的微裂缝和孔隙。

矿物掺合料（如石灰石粉、钢渣粉）的使用，营造一个相对良好的动态水化环境，改善水泥浆体与骨料界面的粘接强度，提高混凝土强度和耐久性。

使用高效减水剂可以降低混凝土中的用水量，从而降低了水灰比，达到改善混凝土的工作性能的目的。

钢纤维能够改善低水灰比造成的混凝土化学收缩、干燥收缩和自收缩，并且提高了混凝土的抗拉强度，很大程度上改善了高强以及超高强混凝土普遍存在的高脆性的问题，提升了混凝土的延性。

2.RPC的工程应用前景

2.1大跨结构和桥梁领域的应用

在桥梁工程这个领域，RPC具有显著的优势。高强度和良好的韧性使得RPC在制备梁构件时不需要配筋，因此降低了自重，截面变薄且形状变得更加多样化，还能够制备出薄壁、大跨度、细长结构形式的新型预制构件。RPC受弯构件和钢材的强重比相近，结构的自重轻并且有着不错的刚度性能，随着技术的进步，可代替钢结构。澳大利亚已经成功建立了一座可以通过机动车的RPC大桥，由此可见，RPC结构在桥梁上的应用也在逐渐朝着大型化发展，前景十分可观。

2.2高层或超高层建筑领域的应用

钢筋混凝土结构在高层或超高层建筑中利用较为广泛，但是其最严重的缺点便是自重大。如果利用RPC制成的混凝土钢管构件则会改善其自重大这一缺点，并且可以满足高层建筑对于混凝土性能的要求，还能保证其较高的抗压强度，所以在这一领域有很广阔的发展前景。

3.RPC耐久性研究

混凝土的耐久性能是实际使用情况下，混凝土结构能够抵抗各种破坏因素的能力以及能够长期保证结构的强度和外形完整的能力。这就使得混凝土材料应该具有良好的抗冻性能、抗碳化性能、抗氯离子渗透性能、抗腐蚀性能等。

3.1RPC抗渗性

RPC由石英细沙、粉煤灰、钢纤维与界面过渡层组成，以特殊养护工艺加工制成。影响其抗渗性（主要是抗氯离子渗透能力）的因素主要包括以下几点：

3.1.1水胶比

结构内部的孔隙率与混凝土抗渗性的休戚相关。首先，氯离子渗透能力和水胶比呈现正相关关系。所以降低水胶比可以有效减小混凝土孔隙率，增强混凝土的密实度和抵抗氯离子渗透的性能。

3.1.2粉煤灰

粉煤灰的颗粒尺寸大小介于硅灰和水泥之间，可以很好地填充硅灰和水泥产生的缝隙，达到优化组分颗粒级配的目的，使得RPC混凝土结构更加密实，提高耐久性能。

3.1.3细钢纤维

RPC氯离子扩散系数随着细钢纤维用量的增大而增大。由于增加钢纤维在整个结构的比例，生成的RPC-细钢纤维界面就变大，就导致界面上生成的微小裂缝变多，这对于结构的耐久性能来说无疑是亟待改善的。而且加入钢纤维虽然提高了结构的抗拉强度，但在一定程度上却降低了它的和易性。

3.1.4养护条件

RPC在蒸汽养护条件下，混凝土的密实度得到大大提高，由于组分级配粒径不同而产生的空隙也减少了，进而促进混凝土耐久性的提高。

3.2RPC抗碳化性

混凝土的碳化是指混凝土受到的一种化学腐蚀。空气中CO2渗入混凝土内部，与其碱性物质发生化学反应后生成碳酸盐和水，使得混凝土内部丧失高碱性环境的过程称为混凝土碳化。碳化后使混凝土的碱性降低，当碳化程度超过混凝土的保护层时，在水与空气同时存在的条件下，就会导致混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋因此而生锈。

CO2之所以能进入混凝土内部，与结构其自身的密实度有着密切的关系。RPC结构在密实性能上有以下几个优点：

3.2.1低水胶比结构

RPC结构相比于普通混凝土拥有较低的水胶比。水胶比越小，结构孔隙率相对较低，由此降低了CO2在结构内部的扩散速率，这就增加了水蒸气与CO2在其内部的扩散阻力，从而体现了RPC的良好的抗碳化性能。

3.2.2采用级配石英细沙（剔除掉粗骨料）

粒径大的骨料容易产生净浆的离析和沉淀，因此增强了结构的渗透性。不同级配的石英细纱能够与水泥浆较好的粘接，使得CO2不易从其界面进行扩散，从而提升了整个基体的匀质性。

3.3RPC抗冻性能

迄今为止，已经有很多学者对混凝土冻融破坏的机理进行了大量深入的研究，下面总结如下几点：

（1）随着钢纤维掺量的加入，有效地减少了结构内部裂缝的产生和发展，从而增加RPC结构的抗冻性能。

（2）采用蒸汽养护代替标准养护可以改善混凝土的密实性能，减少裂缝和空隙的产生。

（3）低水胶比使得混凝土内部没有多余的水分，抗冻性能自然得到良好保证。

3.4RPC抗腐蚀性能

RPC混凝土中加入了活性矿物掺合料（如硅灰）和高效减水剂，很大程度上提升了混凝土的耐化学侵蚀（特别是硫酸盐和氯化物）性能。硅灰中的活性SiO2，在常温下与发生反应后生成强度高、具有良好稳定性的低碱度水化凝胶，从而提高了RPC的抗侵蚀能力。

4结论

1.水胶比、钢纤维掺量、硅粉掺量对RPC强度和耐久性影响特别显著；

2.RPC强度随水胶比的降低而提高，随钢纤维、硅粉掺量的增加而提高；

3.掺入粉煤灰制备RPC，不仅降低RPC的制备成本，还可较好地改善RPC的耐久性和工作性能，所以采用掺入粉煤灰来制备RPC更为合适。

参考文献

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