活性粉末混凝土的研究与应用进展

鞠彦忠，王德弘，张 超

(1.东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林132012;2.空军房管局济南房管处，济南250000)

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，RPC)是 1993 年法国 Bouygues 公司的 Richard P［1，2］等人根据线性堆积密度模型(linear packing density model，LPDM)和可压缩堆积模型(compressive packing model，CPM)和纤维增强材料技术发展形成的一种新型超高强度超高性能的高致密水泥基复合材料。RPC具有高强度、高韧性、高耐久性及高体积稳定性等特点。和常规混凝土相比，活性粉末混凝土的主要改进包括以下几点:1)去除了粗骨料，优化了颗粒粒径分布，以改善内部结构的均匀性，减少材料的内部缺陷;2)使用与活性组分相容性良好的减水剂，以降低水胶比;3)掺加细短钢纤维，提高了RPC的韧性和延性;4)通过热养护来加速活性粉末的水化反应，促进细骨料与活性粉末的反应，改善微观结构。

目前被研究的RPC材料的抗压强度可达170～800 MPa，抗折强度与弹性模量分别高达30 MPa和50～60 GPa，断裂能达到40000 J/m2。由于混凝土内部孔隙率很小，所以RPC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其延性，其延性可达普通混凝土的250倍，极限拉应变可达1%［1，2］。优越的力学性能、耐久性及环保性能，使RPC在土木、矿山、核电、市政、海洋以及军事工程领域中有非常广阔的应用前景。

1 RPC材料研究

活性粉末混凝土自上世纪90年代在法国研制成功以来，受到了世界各国专家学者的关注，目前活性粉末混凝土已成为国际工程材料领域一个新的研究热点。虽然RPC的研制与应用已有成功的先例，但是从原材料到制备工艺、试验研究、实践应用以及RPC的各种性能及其产生机理，仍有很多问题，例如RPC制备工艺较其它混凝土复杂，成本较高;RPC的制备、养护还没有统一的规范和标准，RPC的本构关系至今仍无明确公认的力学计算模型等。所以目前对于RPC的研究，很多还是针对RPC材料的制备技术，力学性能及耐久性的研究。

1.1 RPC材料制备技术研究

文献［1，2］介绍了RPC的制作原理和生产过程。A.Cwirzen［3］等对RPC的最佳配比进行了研究，获得了具有较好使用和易性的RPC。鞠彦忠［4，5］等对RPC200的制备进行系统的研究，设计了7组不同的RPC配合比，分别测定了抗压强度和抗折强度，研究了水胶比、钢纤维含量及种类、养护制度等因素对RPC力学性能的影响，并对比较分析，确定了RPC的最佳配合比及适合的制备养护制度。Lee［6］等对钢纤维增强强度和韧性的规律及钢纤维作用机理进行了分析。结论表明，加入钢纤维后，RPC试件的破坏形态由脆性破坏转化为延性破坏。

国内外目前对RPC的研究主要着重于其综合性能的优化，如兼顾考虑机械性能、耐久性以及生产成本等。Halit Yazici［7，8］等对含掺合料RPC的制备技术及性能进行了研究，试验结果表明:通过使用矿物掺合料(高炉矿渣和粉煤灰)部分替代水泥，提高硅灰和矿物掺合料在RPC中的含量，可以降低RPC的收缩变形，提高其抗压强度和韧性。高压蒸气养护能更好地改善RPC的水化过程，提高其强度。A.Zenati［9］等用阿尔及利亚当地丰富的河砂资源配制了RPC，并研究了不同掺合料含量对RPC和易性的影响。洪啟哲［10］等对高铝活性粉混凝土的开发进行了试验研究。通过加入高铝材料，在一般养护方式下，得到了龄期28 d抗压强达到184 MPa，弹性模达到66 GPa的早强RPC材料，该材料还具有耐火性好等优点。孙伟［11］等对绿色活性粉末混凝土的制备过程以及其静、动态行为进行了研究。研究结果表明使用硅灰、粉煤灰以及、矿渣取代50% -60%水泥，用天然的河沙完全取代超细石英粉同样可以制得抗压强度达到200 MPa以上的活性粉末混凝土。刘娟红［12］等研究了养护对矿物细粉RPC性能的影响，试验结果表明:干热养护能明显促进钢渣粉参与水化的进程，使活性粉末混凝土具有更高的强度。谢友均等［13］研制了掺超细粉煤灰的RPC200，其抗压强度接近250 MPa，抗折强度达到45 MPa。石秋君［14］等通过对16组配合比的碎石RPC的试验研究，得出了材料的立方体抗压强度、轴心抗压强度、棱柱体试件的静力受压弹性模量、棱柱体试件泊松比和峰值应变等参数，最后通过对碎石RPC材料的抗压力学性能的综合分析，提出了碎石RPC的最优配合比。何峰［15］等运用火山灰效应数值分析方法定量分析了硅灰和石英粉两种主要组分对RPC抗压强度贡献率、强度贡献数值以及两组份的强度贡献指数，认为提高硅灰和石英粉含量对RPC强度贡献显著。并通过实验对比研究了标准养护、90℃热水养护和200℃高温养护三种养护制度以及热养护后的静置室内(20℃)和浸入水中(20℃)两种处理对RPC和不掺或单掺硅灰或石英粉掺合料的混凝土强度的影响。研究发现热养护有利于提高RPC的抗压强度，获得高强、超高强RPC。

从以上文献可以看出，国内外就RPC材料的配制技术展开了广泛的研究，也取得了大量有意义的研究成果。但是，RPC材料在工程中的推广应用的技术还不成熟，仍然存在很多问题有待克服。如当前RPC的制备工艺、条件仍然比较复杂，成本较高，难以实现大规模的工程推广应用等。

1.2 RPC基本力学性能研究

为了给RPC设计提供计算参数，有必要通过试验测定其相应的基本力学性能。闫光杰［16］根据加拿大舍布鲁克人行桥采用的活性粉末混凝土设计制作了14组RPC200试件，测得了抗压强度和抗折强度，分别为168.6 MPa和21.6 MPa。并将用该材料制备的桥梁人行道构件用于青藏铁路桥梁中。吴炎海［17］等人进行了76组不同尺寸立方体试件和12组棱柱体试件的单轴受压力学性能试验，研究了活性粉末混凝土的强度标准，探讨活性粉末混凝土的基本力学性能指标(峰值应变、弹性模量、横向变形系数等)与棱柱体抗压强度之间的关系，建立了活性粉末混凝土应力—应变曲线上升段方程。鞠彦忠［18］等人通过试验对RPC的抗压强度，抗折强度及劈裂抗拉强度进行了研究，对影响RPC力学性能的因素进行了分析，并在试验分析的基础上建立了不同钢纤维体积含量RPC受压应力-应变全曲线的数学表达式，拟合得到了抗折强度和劈裂强度之间的关系表达式。试验结果表明，水胶比是影响RPC强度的最主要的因素，钢纤维含量对RPC强度的影响规律比较复杂，当钢纤维含量1.0% ～3.5%之间变化时，RPC的抗压强度、劈拉强度和抗折强度均随着钢纤维掺量的增加而增大。当钢纤维体积含量超过3.5%后，RPC抗压强度下降，劈拉强度略有提高，而抗折强度仍有明显的提高。

J.Dugat［19］等人进行了RPC200和RPC800的力学性能试验，对RPC的应力-应变曲线、弹性模量、泊松比、抗折强度、断裂能等进行了试验研究，试验结果表明，RPC800的弹性模量达66 GPa，应力-应变关系曲线的线弹性范围为起点至抗压强度的60%，断裂能40 kJ/m2。O.Bonneau［20］等人通过试验研究了RPC的抗压强度、抗折强度、弹性模量和断裂能等力学性能指标，试验研究表明，RPC不仅具有较高的抗压强度，而且掺加微细钢纤维后能显著提高RPC的抗折强度和吸收能量的能力，PRC200的抗折强度达和断裂能远高于HPC。

以上研究表明，目前对于RPC基本力学性能的研究已经取得了大量的研究成果，研究者们参照普通混凝土性能试验方法，对RPC的基本力学参数进行了测定，得到了RPC抗压强度、抗折强度、劈裂强度、弹性模量等，推导拟合得到了RPC应力-应变曲线等。这些研究成果基本上可以满足设计中确定RPC基本力学参数及本构关系的要求，但是，由于RPC的配合比、制备养护等还没有统一的规范和标准，不同配合比下RPC的力学性能可能差别较大，有必要进行RPC力学性能与配合比，制备工艺间关系的研究。

1.3 动力荷载作用下RPC的力学性能研究

各类建筑物和构筑物不但要承受静力荷载，同时也必须承受来自不同源头的动荷载作用。混凝土是一种对荷载速率敏感的材料，研究各种环境下混凝土的动态行为对其民用和军事工程中的应用具有很重要的实际意义。

王磊［21］等，Y.S.Tai［22］等采用SHPB分别对素RPC和不同钢纤维含量RPC的动态力学性能进行了试验研究，得出素RPC和钢纤维RPC的动载抗压强度随应变率增加的规律。试验表明在RPC中掺加钢纤维较好地提高了RPC的韧性和变形能力。黄育［23］等分别对掺入一定含量的端钩形钢纤维、铣削钢纤维、方直形钢纤维、波纹形钢纤维四种RPC混凝土进行冲击试验，比较不同形状的钢纤维在冲击韧性中所起到的作用。葛涛［24］等利用125榴弹炮改装的发射装置对RPC和C30钢筋混凝土制成的靶板做高速侵彻试验，并通过对比两种不同材料的试验结果分析RPC的抗冲击力学性能。

赖建中［25］等采用分离式SHPB对不同纤维掺量的RPC材料进行了层裂性能实验。结果表明，RPC材料层裂强度和破坏形态具有明显的应变率效应，层裂强度和破坏程度随着应变率的提高而增加。王耀华［26］等采用步枪子弹和半穿甲弹进行了新型钢丝网RPC抗侵彻性能试验，通过比较靶体的破坏形态和侵彻深度以确定钢丝网RPC的抗侵彻性能，同时利用ANSYS/LS-DYNA动力有限元分析软件对两种靶体的抗侵彻性能进行数值计算分析，创建了合理的新型钢丝网RPC的计算模型。试验和计算结果均表明:钢丝网RPC具有较好的抗局部破坏和抗裂的性能，且具有较高的效费比。余自若［27，28］等对RPC的疲劳特性进行了系统的研究，研究表明:循环荷载作用下，RPC的疲劳破坏表现为形成单一临界疲劳主裂纹的破坏形态;RPC的宏观疲劳损伤过程按宏观疲劳裂纹演变模式分为裂纹潜伏、裂纹稳定扩展和失稳破坏3个阶段。

以上研究主要是针对于RPC的动力强度与抗裂性能方面，而材料受到冲击或爆炸荷载时的吸能、消能能力也是其性能的一个重要方面，动荷载穿越RPC波幅改变量与其力学参数间的关系，也都有待于更深入的研究。

1.4 RPC耐久性研究

我国在未来相当长的一段时间内，将处于建设高峰期。混凝土材料的耐久性决定着钢筋混凝土结构的耐久性，因此，研究RPC材料的耐久性具有重大的实际意义。目前，国内外学者已对RPC材料耐久性进行了广泛的研究，主要包括抗冻性、抗碳化性能、抗氯离子侵蚀性能、抗硫酸盐侵蚀性能、抗化学溶液侵蚀性和耐磨性等几个方面。

鞠彦忠，汪志［29，30］等为研究RPC各组分与其抗冻性能之间的关系，通过设计正交试验方法，设计制作了9组RPC试件，参照GBJ82285普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法中抗冻性能试验的快冻法，对RPC试件进行了100次冻融循环试验，探讨了水胶比、硅灰水泥比、钢纤维掺量等因素对普通混凝土和活性粉末混凝土冻融性能的影响。研究表明，RPC具有很好的抗冻融性能，在RPC抗冻融耐久性的诸多影响因素中，水胶比是最主要的影响因素，其次是硅灰水泥比，最后是钢纤维掺量。

刘斯凤［31］等按照ASTMC666标准(美国的快速冻融试验标准)对RPC棱柱体试件做了冻融循环试验，用耐久性系数和质量损失率两个指标来评价混凝土的抗冻性能好坏，冻融循环次数600次后，质量损失在0.3%左右，接近于0;耐久性系数也均大于等于100。

安明喆［32］等对RPC和高性能混凝土(HPC)做了抗冻性能、抗碳化性能、抗氯离子渗透性能对比试验，分别得到了RPC和HPC经过50次、100次、150次、200次、250次和300次冻融循环后的质量损失和动弹模量损失，3 d，7 d，14 d，28 d的碳化深度，氯离子扩散系数，试验结果显示，RPC在经过300次冻融循环后的耐久性系数仍大于99，28d的抗碳化深度为0，氯离子渗透系数为0.222。

杨吴生［33］等测定了RPC棱柱体试件抗冻融和抗化学溶液侵蚀性能，试验表明，经300次冻融循环后其耐久性系数仍然不小于100，在海水中浸泡的RPC抗压强度和抗折强度都比浸泡前要高。

未翠霞，宋少民［34］将尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的RPC试块浸泡在硫酸钠饱和溶液中24 h，再于80℃的烤箱中烘干24 h为一个循环，结果发现10次循环后质量损失仅为1%，20次循环后质量损失维持不变，而且试件的强度一直在增加。刘斯凤［31］等将RPC试件浸入我国新疆盐湖卤水，三个月后测得试件的质量损失和动弹性模量损失。试验结果表明，三个月内RPC试件无质量损失，动弹性模量损失在90 d时仅为0.5%左右，说明RPC材料具有很好的抗化学溶液侵蚀能力。叶青［35］等对RPC抗液氮冻融能力进行了试验研究，试验表明，RPC经过50次常规冻融和一次液氮冻融循环之后，其质量损失为0.4%，强度损失为1.8%，因此，RPC具有抗液氮冻融的能力。N.Roux［36］等对RPC200的耐久性进行了系统的研究，通过试验研究了RPC200的抗碳化性能，抗氯离子渗透性能和耐磨性，并与C30和C80混凝土进行了对比分析。研究表明，试件在CO2浓度为100%的环境中存放90 d后，没有发生丝毫碳化;RPC的氯离子扩散系数为0.02，远低于C30混凝土的1.1和C80混凝土的0.6;RPC的耐磨系数为1.3，也低于C30混凝土的4.0和C80混凝土的2.4;RPC各项耐久性指标均明显优于C30和C80混凝土。M.G.Lee［15］等人按照ASTM C131对RPC、高强混凝土和常规混凝土的耐磨性进行了试验研究和对比分析，实验结果表明，RPC的耐磨性明显优于高强混凝土和常规混凝土。

以上研究从不同方面对RPC材料的耐久性进行了研究，也与常规混凝土和高性能混凝土的耐久性进行了比较分析，这些研究均表明，RPC材料具有良好耐久性。

2 RPC应用研究

2.1 RPC构件设计研究

卢姗姗［37］在对5根不掺钢纤维RPC梁的受弯性能试验的基础上，通过理论推导分析，得到不掺钢纤维RPC梁正截面承载力计算公式。余自若［38］等通过对RPC无配筋梁和有配筋梁的试验，分析了RPC梁的弯曲强度和变形特性。假设梁可承受拉应力且拉应力按矩形分布，给出了RPC受弯构件正截面承载力的计算公式，通过该公式计算出的理论值与试验值符合良好。李莉［39］对5根钢筋活性粉末混凝土两跨连续梁进行了每跨跨中单点集中加载试验，基于试验结果建立了承载能力极限状态下的中支座两侧等效塑性铰长度计算公式，分别提出了以中支座控制截面相对塑性转角和中支座相对受压区高度为自变量的弯矩调幅计算公式，为活性粉末混凝土连续梁塑性设计提供了参考依据。万见明［40］在试验研究的基础上建立了活性粉末混凝土梁抗裂计算模型，提出了正截面抗裂计算公式。王兆宁［41］通过对3根矩形截面RPC配筋梁抗弯性能试验以及Ansys有限元分析的基础上，提出了活性粉末混凝土梁的正截面承载力计算公式。林震宇［42］等进行22根圆钢管RPC轴压短柱试验，分析其荷载-变形曲线、破坏特征，在现有普通钢管混凝土极限承载力计算规范，结合试验结果，通过修正套箍系数，给出了圆钢管RPC轴压短柱极限承载力统一计算公式。

周轶峰［43］等参照现行高架桥设计规范初步设计了RPC桥墩，并通过有限元计算验证了所用设计理论的正确性，在此基础上分析了RPC桥墩在正常使用状态下的力学性能，并通过稳定性、极限承载能力、抗震性能等计算分析，表明RPC可以节约材料用量，提高结构的抗震性能。赵冠远［44］等通过4个小比例RPC矩形截面墩的拟静力试验，研究了RPC配筋柱的延性性能、滞回曲线及其破坏机理，分析了配箍率对RPC配筋柱延性的影响。郝文秀［45］等通过大比例尺RPC箱型桥墩试件在低周反复荷载作用下的受力性能试验，对试件的破坏形态、滞回特性、延性性能和耗能能力进行研究。王诚［46］通过对3个RPC箱型墩试件施加常轴力以及水平反复荷载，研究了水平荷载作用方向对RPC箱型墩抗震性能的影响，试验结果表明:RPC箱型墩具有较好的抗震性能，水平荷载加载方向角是影响箱型墩抗震性能的一个重要因素，斜向受力构件的抗震性能要弱于主轴受力构件。

鞠彦忠［47-49］等人根据RPC力学性能试验研究结果，通过理论推导分析，提出了活性粉末混凝土电杆的承载力计算方法和正常使用状态(抗裂度、裂缝宽度、挠度)验算方法，给出相应参数的建议取值范围。并分别对RPC单杆、预应力RPC双杆和部分预应力筋RPC双杆进行了设计研究，设计出了能够满足500 kV输电线路工程应用要求的三种电杆，并实现了工厂化生产，取得了较好的经济效益好社会效益。及高耐久性的工作机理;V.Matte［50］等人对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。

可见，国内外学者对RPC基本构件的设计理论和方法进行了广泛的研究，研究范围涉及梁、柱、桥墩、电杆、管涵等。但是，这些设计计算理论和方法都是基于普通钢筋混凝土结构或纤维混凝土结构计算规范和一定数量的数据，通过拟合或修正得到的，即这些设计计算公式的推导不是完全基于构件的破坏机理，而是采用的半经验半理论的方法得到的，这些结论很可能仅与文中的试验数据相符合，不一定具有普遍适应性。因此，对于RPC构件的设计计算理论和方法有待进行更深入的研究。

2.2 RPC的工程应用概述

RPC由于其优越的力学性能、超高的耐久性和环保性能，自问世后，短短的十几年间已在道路桥梁、核电、市政、港口海洋以及军事工程中得到了较多的应用。迄今为止已二十多个国家和地区采用RPC材料制作桥梁构件，1997年在加拿大魁北克省的谢布洛克(Sherbrooke)市建成建成的RPC材料的步行/自行车桥是世界上第一座采用RPC材料的桥梁结构。美国于2001年在伊利诺斯州建成了18m直径的圆形屋盖，该屋盖未采用任何钢筋，设计中考虑了RPC的延性，直接承受拉、弯应力及初裂应力。并且大大缩短了施工工期。法国在一核电站的冷却系统中耗用823立方米的RPC制作了2500多根尺寸不等的梁，并用以制作大量核废料储存容器。RPC材料在美国的下水道系统工程中得到广泛的发展和应用。为适应各种不同特点和用途的压力管道，已开发出多种施工技术和方法。对于水平压力管道，采用离心浇注法，充分利用了RPC的高抗压强度、水密性和低渗透性。在竖直压力管道中采用湿法浇注有效地利用了RPC的气密性，减小了空气渗透。用于制造涵洞和下水道的施工方法“干法浇注”和“顶部顶进灌浆浇注法”正在进一步的完善中。日本和挪威等国把RPC运用在了港口和海洋工程领域，在日本用RPC做钢管桩防蚀层，在海水中浸泡实验表明RPC有很强的防蚀能力，刚管桩表明无锈蚀仍有金属光泽。在国外RPC材料还被用于海底输气管道的隧洞衬砌、海底核废料库的支护、海上采油平台后张预应力管道孔的封堵以及码头混凝土受海水腐蚀部位的修补等。

RPC在国内也已经出现了很多工程应用的实例，尤其是铁路交通工程中。同时也出现了不少的生产RPC预制构件的厂家。主要产品包括:电缆槽盖板，桥梁盖板和栏杆，低高度梁及T型梁等。铁道部颁布了《客运专线RPC材料人行道挡板、盖板暂行技术条件》和《客运专线铁路技术管理手册:活性粉末混凝土构件施工要点手册》，也促进了RPC材料在铁路交通工程的推广应用。国内RPC在工程修复中使用也比较多。例如在葛洲坝二江泄水闸和映秀湾电站拦河闸底板修补中试用，效果良好。

3 结 语

由以上几个方面可以看出，国内外在近年来无论是从理论研究还是性能试验方面，都对RPC进行了广泛的研究，而且在工程应用方面也取得了一些进展。目前，对PRC材料的配合比和制作方面的研究已经做了很多工作，在一些方面已经比较成熟，其静态力学性质也已经比较清楚，动态力学性质也已取得了一些的研究成果，RPC构件的设计研究也已经开展，但是，当前对于RPC技术的研究还存在很多问题，如已有的少量的相关设计计算公式也多是参考纤维高强混凝土加上经验估算提出的。为了将RPC技术广泛地应用于工程实践，还需对以下问题进行深入广泛的理论和试验研究。

(1)养护问题。目前RPC制备都需要热养护，这对于现浇施工存在一定困难，使其在实际的结构工程中的运用受到了很大的限制。有必要对RPC材料配合比及施工工艺进行进一步的研究，开发出一种能够适应现场施工要求的RPC材料，使其能够在土木建筑工程领域发挥更大的价值。

(2)造价问题。当前，硅粉的掺入、高效减水剂和钢纤维的使用以及特殊条件下的成型和养护条件，都提高了RPC的生产成本;由于地域限制，配制活性粉末混凝土所需要的优质原材料往往很难在一个地区采购齐全，这也进一步导致成本的增加，阻碍了它的推广和使用。因此，对RPC配合比进行更深入的研究，研究能够满足其材料性能要求的前提下，降低其生产制作成本，对于RPC更广泛的推广应用具有重大的实际意义。

(3)没有完备的试验测试标准。一般来说，现行的测试手段、测试标准对高强度、高性能的RPC有很多不适应的地方，有时候往往存在较大的误差或浪费现象。

(4)微观结构与机理问题。对于活性粉末混凝土微观(亚微观)结构还有待充分地研究，对于结构和强度形成机理还不完全清楚。

(5)缺乏模型。RPC的本构关系至今仍无明确公认的力学计算模型，使当前的工程应用仍限于参考纤维高强混凝土加上经验估算的方式进行。

(6)RPC构件的设计计算理论和方法有待发展和完善。

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