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活性粉末混凝土的研究与应用进展

2008-10-31 18:14:00 保护色:默认白 牵牛紫 苹果绿 沙漠黄 玫瑰红 字体:小字 中字 大字 点击数:0

    [摘 要]  活性粉末混凝土是一种具有高强度、高耐久性及良好韧性的新型水泥基复合材料,具有广阔的研究与应用前景。本文介绍了RPC 的配制原理和基本性能,概述了其研究与应用现状;探讨了目前研究中存在的问题,为将RPC 应用到现浇结构中,提出放宽对骨料粒径和成型及养护条件的限制等措施;讨论了RPC 的发展趋势,认为应进一步对RPC 的抗震、抗火等抗灾性能进行深入研究。

    [关键词]  活性粉末混凝土; 高强度; 耐久性; 韧性; 抗震性能

    1  前言

    20 世纪混凝土科学与工程技术取得了重大成就,高性能混凝土的应用极大地推动了混凝土科技的进步,促进了人类社会的发展[ 1 ] 。随着21 世纪混凝土工程的大型化、工程环境的复杂化以及应用领域的不断扩大,人们对其提出了更高的要求,混凝土材料的高性能化和高功能化是21 世纪混凝土科学和工程技术发展的重要方向[ 1~3 ] 。

    高性能混凝土有较高的抗压强度和耐久性,可以解决普通混凝土结构存在的自重大、耐久性低的缺点。但大量的研究和工程应用表明,高性能混凝土尚有许多亟待解决的问题:一是高性能混凝土的高脆性,且强度越高脆性越显著,严重影响了结构的抗震性能,必须通过配筋来提高结构的延性,而大量配筋不仅降低了高性能混凝土的经济效益,同时又带来施工浇筑的困难;二是高性能混凝土的抗火性能较差,高温下素混凝土试件常常发生爆裂现象,且随过火温度升高,混凝土的抗压强度急剧下降,影响结构的抗火性能;三是由于高性能混凝土水灰比较低,往往产生较大的收缩变形,使结构过早地出现裂缝, 影响了结构的正常使用和耐久性。上述问题的存在一定程度上阻碍了高性能混凝土的进一步推广应用,如何发展具有高强度、高耐久性和高抗灾性能的混凝土结构,达到适用性和经济效果的最佳,成为广大工程技术人员梦寐以求的目标。1993 年,法国Bouygues 实验室研制出一种超高抗压强度、高耐久性及高韧性的新型水泥基复合材料,由于提高了组分的细度和反应活性, 因此被称为活性粉末混凝土[ 4 ] ( Reactive Powder Concrete ,RPC) ,目前RPC 已成为国际工程材料领域一个新的研究热点。RPC 作为一类新型混凝土, 不仅可获得200MPa 或800MPa 的超高抗压强度, 而且具有30MPa ~ 60MPa 的抗折强度,有效地克服了普通高性能混凝土的高脆性,RPC 的优越性能使其在土木、石油、核电、市政、海洋等工程及军事设施中有着广阔的应用前景。

    2  RPC 的基本配制原理及研究与应用现状

    2.1  RPC的基本配制原理与性能

    众所周知,混凝土是由粗、细骨料和胶凝材料等混合而成的多相复合材料,其性能取决于水泥石、粗骨料及两者间界面结合的程度。研究表明[ 4~8 ] ,粗骨料与砂浆之间的过渡区是混凝土结构的薄弱环节,过渡区存在的应力集中、收缩应力和较低的粘结力是影响混凝土受力性能及耐久性的主要因素,改善其组成结构是提高混凝土性能的重要途径。RPC 正是以上述研究为基础,对混凝土内部及过渡区作了改进,其基本配制原理如下:

    (1) RPC 不使用粗骨料,选用最大粒径为015mm 的石英砂为骨料,减小过渡区的范围,在整体上提高了体系的匀质性, 从而改善RPC 的各项性能;

    (2) 选用级配在011μm~1mm 的水泥和硅粉,通过提高组分的细度,使RPC 内部达到最大填充密实度,将材料初始缺陷降至最低;

    (3) 采用高效减水剂降低水灰比,提高水泥浆强度,同时减小了用水量,大大降低了空隙率;

    (4) 成型时施加压力,有效减少了气孔和化学收缩引起的孔隙,通过90 ℃的热养护或250 ℃~400 ℃的蒸汽养护来加速粉末的水化反应,强化水化物的结合力;

    (5) 掺入细而短的钢纤维,提高了混凝土的抗弯折强度,提高了韧性。

     根据组分和制备条件的不同, RPC 分为RPC200 和RPC800 两个强度等级,其中RPC200 的抗压强度可达170MPa ~ 230MPa , 而RPC800 的抗压强度更是高达490MPa ~ 705MPa ,与钢材强度相近,其力学性能及耐久性比普通高性能混凝土(High Performance Concrete ,HPC) 和普通混凝土(Ordinary Concrete ,OC) 有较大的提高,表1 比较了RPC、HPC 和OC 的主要力学性能和耐久性指标。

表1

    由上表可以看出,RPC 不仅具有较高的抗压强度,而且由于混凝土内部孔隙率很小,所以有着优良的抗氯离子渗透、抗碳化、抗腐蚀、抗渗、抗冻及耐磨等耐久性。更为重要的是,掺加微细的钢纤维后能显著提高RPC 的抗折强度和吸收能量的能力,RPC200 的抗折强度达30MPa~60MPa ,是HPC 的6 倍左右, 其断裂能平均达30kJ / m2 , 而HPC 的断裂能只有0.14kJ /m2 ,这就使RPC 具有更好的抗震耗能能力。

    2.2  RPC的研究及应用现状

     国外对RPC 配制技术的研究已较成熟,文献[ 4~10 ]对RPC的材料、配比、养护条件、耐久性和强度等方面进行了大量的试验研究,结果表明由于RPC 具有较好的匀质性及密实度,其抗压强度和耐久性均有较大幅度地提高,并研究了养护条件对RPC 力学性能的影响,以确定合适的养护条件;文献[6 ]对RPC 的微观结构进行了研究,揭示其高强度及高耐久性的工作机理;文献[10 ]则对RPC 制成的放射性核废料储藏容器的性能进行了研究,指出RPC 不但能够防止放射性物质从内部泄漏,而且能够抵御外部侵蚀性介质的腐蚀,是制备新一代核废料储存容器的理想材料。另外,由于它的良好耐磨性能和低渗透性,可以用于生产各种耐腐蚀的压力管和排水管道。目前,国外对RPC 的研究重点已由基本性能转到了构件及结构的设计方法上,以求将这种超高性能混凝土尽快在结构应用中推广,相关工作正在进行,还没有形成系统的研究成果,更没有涉及到RPC 结构的抗震及抗火性能。

    RPC 在国外已有不少工程实例,主要制品包括:大跨桥梁的预制构件、压力管道及放射性固体废料储存容器。预制构件中采用RPC ,可以减少构件的截面和配筋;RPC 压力管道则可提高工作压力,且增强了对侵蚀性介质的抗侵蚀能力;用RPC 制备的固体废料储存容器可长期储存中、低放射性废料,其使用寿命可高达500 年。法国某核电站的冷却系统采用RPC 生产了2500 多根预制梁,耗用混凝土823m3 ,同时还生产了大量核废料储存容器。加拿大在对RPC 配合比研究的基础上,94 年开始进行工业性试验,研究了无纤维RPC 钢管混凝土,并用于加拿大魁北克省70 米跨的Sherbrooke 人行混凝土桁架桥上。桥构件采用30mm 厚无纤维RPC 桥面板、直径150mm 的预应力RPC 钢管混凝土桁架、纤维RPC 加劲肋和纤维RPC 梁,整个结构在现场进行组装,见图1 。由于采用了RPC ,不仅大大减轻了桥梁结构的自重,同时提高了桥梁在高湿度环境、除冰盐腐蚀与冻融循环作用下的耐久性能。

 

图1

图1  加拿大魁北克Sherbrooke 桥外观及结构示意图

    国内近几年才开始RPC 的研究,目前还没有工程应用实例。与国外采用水泥- 硅粉两组分胶凝材料不同,国内研究者结合我国HPC 的制备技术及经验,选择了水泥- 粉煤灰- 硅粉三组分胶凝材料体系[ 11 ,12 ] 。文献[ 11~18 ]对RPC 的基本性能进行了较为系统的试验,主要考察了水胶比、粉煤灰、硅粉和钢纤维掺量对RPC 流动性和强度的影响,同时对养护温度、养护时间、凝结时间和开始热养护时刻对RPC 强度的影响进行了研究。研究结果表明: 粉煤灰的加入, 在极低水胶比(0.16) 的条件下,使混凝土工作度与成型密实程度得到明显改善,通过适当时间的热养护处理,可以获得与水泥—硅粉两组分胶凝系统相当强度和其他性能的效果。为将RPC 实际应用,进一步开展了搅拌设施、高频振捣与脱模剂的试验研究[ 12 ] ,发展RPC 的原材料选择、制备技术及生产工艺,这是它能够在短短几年里就在国外工程建设领域里获得应用的关键。文献[13~16 ]对RPC 的本构关系进行了试验研究,并与HPC 和OC 进行了比较,结果表明:RPC 的极限压应变为HPC 的2~3 倍。从结构抗震角度来看,这比具有极高的抗压强度更为重要。在具有相同抗弯能力的前提下,采用RPC 结构重量仅为普通钢筋混凝土结构的1/ 2~1/ 3 ,大大减轻了结构自重;同时,在未经加压成型、标准养护条件下,其抗压强度仍可达170MPa~230MPa ,但文献并没有给出RPC 本构关系的定量描述。文献[17 ,18 ]研究指出:热养护有利于提高RPC 的抗压强度,对相同配比的RPC ,高温(250 ℃) 养护的混凝土抗压强度最高,热养护(90 ℃) 次之,标准养护最低,相差达30MPa 以上,而且养护制度对不同掺合料混凝土的强度影响也不同。目前,工程实践中由于技术水平及价格等因素的限制,对养护制度的重视普遍不足,这对超高强混凝土的强度及耐久性提高十分不利,在今后的研究与应用中应给予足够的重视。

    3  RPC 应用与研究中存在的问题

    目前RPC 应用中存在的主要问题是:由于对骨料、水泥、掺合料的粒径和成型及养护条件要求较严,因此只适宜预制生产,不能现场浇筑,使其工程应用范围受到限制。如何结合我国国情开发活性粉末混凝土,尽快应用于我国的基础设施建设,还应该在以下几方面进行深入研究。

    3.1  最优配比及制备工艺

    RPC在制备过程中需要加压成型和蒸汽养护,这在现浇结构中很难实现,解决这一矛盾是下一步研究的重点。应结合我国国情,考虑实用性和经济性,对现浇结构中RPC 的最优配比及制备工艺开展研究,研究方向为: ①适当放宽对粗骨料粒径的限制条件,使其介于RPC(400μm 石英砂) 与HPC(15mm ~25mm 碎石) 之间,这样可以增加混凝土的流动性; ②采用与HPC 相同的养护条件; ③掺加超细粉煤灰或超细矿渣等掺合料部分代替硅灰;可以起到降低成本、保护环境的作用; ④可以添加纳米级掺合料,使混凝土内部变为结合更紧密的网状结构,从而增强混凝土的韧性; ⑤与RPC 相同,掺入钢纤维来提高混凝土韧性;还可以掺入碳纤维等智能材料,利用其自身的热敏特性来实现对养护温度的调节。虽然采用上述措施制备的混凝土强度不如RPC ,但若能实现制备手段方便实用,而抗压强度在150MPa~200MPa 的高性能混凝土材料,将对其在现浇结构中的广泛应用起到极大的推进作用。

    3.2  抗震性能

    高脆性是高性能混凝土的固有缺陷,只有通过改变混凝土的组成才能解决,目前主要通过微观与宏观复合的办法来降低高性能混凝土的脆性。微观复合是指添加具有较好柔韧性的氯丁橡胶等高分子材料,来改善混凝土的脆性,但它往往伴随着强度和刚度的损失;宏观复合:一是掺入钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维等对混凝土改性;二是采用钢管、钢骨混凝土等组合结构形式来提高HPC 结构的延性。大量研究证明,这种宏观复合形式的效果非常明显,目前已在大跨空间结构、高层建筑和大跨桥梁上广泛应用。虽然RPC 具有较好的韧性,但RPC 构件的抗震性能是否能满足结构的抗震要求目前还没有开展研究,因此应进一步考察RPC 主要受力构件的抗震性能。无纤维钢管活性粉末混凝土这种构件形式已在加拿大魁北克省Sherbrooke 桥的桁架结构中应用,实践证明钢管中采用无纤维RPC 后可以减小构件的截面尺寸,是一种极具发展前景的构件形式。

    3.3  抗火性能

    抗火性能差是高性能混凝土的又一缺陷,到目前为止,虽然关于高温下HPC 爆裂的本质和机理尚未形成统一的认识, 但都认可这样的观点,即混凝土中多余的水分和水泥石的脱水是影响爆裂的主要因素。在HPC 结构中,钢筋保护层的爆裂直接导致构件截面面积减小,截面温度场发生突变,并致使全部或部分钢筋直接暴露于高温环境下而迅速软化,降低了构件的耐火性能,加速了构件的破坏历程,导致结构过早破坏。目前,有关HPC 抗火性能及其灾后损伤评估的研究还不完善,而RPC 比HPC 的内部结构更为密实,但孔隙率与多余水分也都减小,其高温下的破坏现象和机理目前还没有相关研究,急需开展初步的试验研究,以考察RPC 的抗火能力。

    4  RPC 的发展趋势

    综上所述,RPC 具有极其优越的性能,可应用的领域也非常广泛。在土木工程领域中,随着我国高层建筑和大跨结构迅速增加,为RPC 的应用提供了巨大的市场,且在结构及桥梁改造、特种结构工程中也具有广阔的应用前景。从工程应用的角度来看,RPC 在以下几个方面具有较好的发展和应用前景:

    (1) 预应力结构和构件。目前由于建筑结构对混凝土预制构件的需求量较多,因此预应力厂家如果投入适量的资金,对部分设备进行改造,完全可以生产上述活性粉末混凝土预制构件。利用RPC 的超高强度与高韧性,能生产薄壁、细长、大跨等新颖形式的预制构件,可大幅度缩短工期和降低工程造价。

    (2) 钢- 混凝土组合结构。众所周知,钢筋混凝土的最大缺点是自重大,一般的建筑中结构自重为有效荷载的8~10倍。而用无纤维RPC 制成的钢管混凝土,具有极高的抗压强度、弹性模量和抗冲击韧性,用它制作高层或超高层建筑的结构构件,可大幅度减小截面尺寸和结构自重,增加建筑物的使用面积与美观,因此RPC 钢管混凝土构件有着广阔的应用前景。

    (3) 特殊用途构件。RPC 的孔隙率极低,具有超高抗渗性及良好的耐磨性,不但能够防止放射性物质从内部泄漏,而且能够抵御外部侵蚀性介质的腐蚀,可以用于生产核废料储存容器和各种耐腐蚀的压力管和排水管道,不仅可大大降低造价, 而且可大幅度延长构件的使用寿命。另外,RPC 的早期强度发展快,后期强度极高,用于补强和修补工程中可替代钢材和昂贵的有机聚合物,既可保持混凝土体系的有机整体性,还可降低工程造价。

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来源:中国砂浆网
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