活性粉末混凝土在组合结构中的应用及其工程实例*

王 渊，刘金涛，李庆华

（1.杭州市市政公用建设开发公司，浙江 杭州 310009；2.浙江大学建筑工程学院，浙江 杭州 310058）

活性粉末混凝土在组合结构中的应用及其工程实例*

王 渊1，刘金涛2，李庆华2

（1.杭州市市政公用建设开发公司，浙江 杭州 310009；2.浙江大学建筑工程学院，浙江 杭州 310058）

文章介绍活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）的基本性能，并在此基础上分析RPC在RPC-混凝土组合结构、RPC-钢组合结构的基本力学性能、设计理论和工程意义。最后，针对国内外应用工程实例做了较为全面地总结，并对国内外RPC组合结构研究的趋势与不足进行了探讨。

活性粉末；混凝土；组合；结构；实例；力学性能

1 RPC的特性及用途和发展

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）是继高性能混凝土之后，由法国BOUYGUES公司于上世纪末开发出的具有超高强度、高耐久性、高韧性的水泥基材料[1]。该材料根据高致密水泥基均匀体系模型，以400～600μm的石英砂作为骨料，同时加入微型钢纤维和各类活性矿物材料[2]，并采用热养护和加压成型等方法[3]。根据其热处理方式的不同，其抗压强度可以达到200MPa至800MPa；抗折强度为20～40MPa，是高强混凝土的4～6倍；断裂韧性高达40000J/m2，是普通混凝土的250倍[4]；氯离子渗透性是高强混凝土的1/25[5,6]。适量微钢纤维的加入使RPC比高性能混凝土具有更高的韧性，极限拉伸应变达到0.5%，并且具有明显的拉伸应变硬化特性[7]。

通过对相同抗弯承载力的RPC工字钢、预应力混凝土及普通钢筋混凝土四种不同材料制作的梁构件的截面尺寸、单位长度重量进行了比较，结果表明RPC梁的截面高度是预应力混凝土梁和普通混凝土梁高度的53%，单位长度重量是预应力混凝土梁的28%，是普通混凝土梁的24.5%，RPC梁具有显著地经济效益[8]。根据国内外已有使用RPC材料工程实例[9,10]，同等承载力条件下RPC材料的水泥用量几乎是普通混凝土与HPC的1/2，CO2排放量也只有同等量水泥一半左右。RPC材料骨料的用量只占HPC与C30混凝土的1/3与1/4[11]。钢筋与RPC之间的粘结强度远大于普通混凝土或普通钢纤维混凝土[12]，RPC致密的结构及钢纤维的掺入是其具有超高粘结强度的主要原因，钢纤维为0.5～2.0vf.%时，梁式试验的粘结强度大于中心拔出试验[13,14]。目前，国内在RPC在结构工程方面的应用才刚刚起步，材料应用中应该遵循“物尽其用”的原则。RPC不仅拥有超高强度而且兼具一定的韧性，因此可用于高层结构、高铁简支箱梁、大跨桥梁结构等要求承载力高的结构，从而有效降低结构截面尺寸和自重、增加结构使用空间[15]。另一方面，利用RPC的高抗渗性能、抗冲击和耐磨性，可用于石油、核电工业、军事防御工程。

2 RPC在组合结构中的应用

2.1 RPC-混凝土组合梁

混凝土叠合梁结构是一种在预制构件上浇筑混凝土而形成的一种装配整体式混凝土结构（Composite Structures，组合结构）。该结构兼具现浇整体式结构和全装配式结构的优点，可以有效降低工期和造价。随着RPC材料的不断发展，通过在传统混凝土梁的受拉区配置受拉性能更好的RPC而得到了RPC-混凝土叠合梁结构，该结构不仅满足结构力学需求而且可以有效降低成本。

2004年，北京交通大学肖国梁[16]等人提出将RPC与普通混凝土组合箱梁应用于实际工程的设计构想，如图1所示。研究者利用有限元程序分析了RPC-混凝土组合箱梁的基本力学性能、破坏模式、动荷载作用下的动力响应。季文玉[17-19]等人开展了普通混凝土-RPC组合构件相关研究，通过在混凝土构件受拉区配制RPC材料、受压区二次浇注普通混凝土制备出不同种类的叠合梁，基于截面的受力全过程分析表明：RPC-混凝土叠合梁的极限抗弯强度与混凝土整浇梁的极限荷载相等，可利用梁构件抗弯强度公式计算叠合梁的极限抗弯强度；受拉区RPC材料的存在可将截面开裂弯矩提高4～5倍，与此同时，RPC浇筑高度、混凝土等级和配筋率等参数对桥梁挠度发展增大系数相关。

图1 RPC与普通混凝土组合箱梁截面设计[16]

2008年，同济大学的温华杰[20]等采用非线性有限元程序对预应力RPC-混凝土组合截面梁进行破坏全过程分析，试验结果表明将RPC材料配置在受拉区并采用预应力钢筋可以充分发挥RPC材料的耐久性和经济性；在三维有限元分析模型试验加载过程中实测曲线和模拟曲线对比表明弹性段和弹塑性阶段拟合较好，符合正常使用阶段的精度要求。

廖莎[21]等人研究RPC无粘结预应力叠合梁的受力性能，试件的截面尺寸和配筋如图2所示。结果表明无预应力的RPC叠合梁在弹性阶段的挠度可以采用现行规范进行计算，截面平均应变基本符合平截面假定；相比于普通无粘结预应力混凝土梁，钢纤维的加入对梁的裂缝分布没有影响，但可以大幅度提高截面的开裂弯矩。基于上述试验，朱智俊[22]采用有限元分析软件建立了RPC无粘结预应力叠合梁的三维非线性数值分析模型，分析了叠合梁的受弯性能并讨论了破坏机理。RPC无粘结预应力叠合梁的M-δ曲线主要分为弹性阶段、开裂弹性阶段和破坏阶段：叠合梁挠度在弹性阶段增长缓慢；叠合梁在开裂弹性阶段刚度降低、挠度增加；叠合梁在破坏阶段标志为受压区混凝土的破坏，纵向受压钢筋和架立筋受压屈服并发生脆性破坏。

图2 RPC叠合梁截面尺寸与配筋图[21]

2.2 钢-RPC组合结构

钢-混凝土组合梁是一种新式的结构形式，通过剪力连接件将钢梁与混凝土板连接组合在一起，其具有钢材和混凝土各自的优异特性，如截面刚度大、承载能力高、抗震好和便于施工等优点[23,24]。相比于传统的钢筋混凝土梁，钢-混凝土组合梁有效减小结构尺寸、减轻自重并提高了结构延性；相比于相同承载力的钢结构，它有效降低钢量、增加刚度并提高结构的耐久性和稳定性[25]。

肖赟[26]利用Matlab迭代程序对RPC-钢组合梁截面从加载到破坏进行了全过程分析，并且和相同尺寸的普通混凝土组合梁进行了对比。结果表明RPC-钢组合梁受力状态也经历弹性、弹塑性、塑性阶段，并且RPC-钢组合梁达到极限承载力后的下降段较缓；相同截面下RPC-钢组合梁的承载能力是普通混凝土-钢组合梁的1.3倍；在相同承载力情况下RPC组合梁的板厚只有普通混凝土-钢组合梁厚度的65%。侯忠明[27]以组合梁的钢梁下翼缘达到极限拉应变作为承载能力极限状态，应用ANSYS对RPC-钢简支组合梁受力全过程进行了非线性分析，并在此基础上对RPC-钢组合梁的曲率延性、位移延性和转角延性进行了研究。结果表明正常使用条件下RPC-钢简支组合梁翼板下缘不会开裂，组合梁在强化阶段的实际延性远远大于普通组合梁。吴学敏[28]设计出RPC-波纹钢腹板组合箱梁并的研究其受力性能，该组合箱梁的顶板和底板采用高强度RPC材料，而腹板采用波纹钢。限元分析证明“拟平截面假定”适用于RPC的波纹钢腹板预应力组合箱梁，组合梁弯矩和轴力主要由RPC顶板和地板承担，波纹钢腹板主要用于抵抗剪力。曾峰[29]讨论不同荷载类型、宽跨比条件下RPC-钢组合梁以及普通混凝土-钢组合梁有效宽度的变化。研究表明RPC-刚组合梁的有效宽度随着宽跨比的增加而降低；有效宽度在集中荷载作用处取得最小值并沿着梁段方向增大；均布荷载下组合梁的有效宽度在梁跨中心处取得最大值，并向支座两端逐渐降低。

传统的钢桥面板由于存在刚度不足、抗疲劳性能差和粘结力不足等原因容易造成损伤，通过将传统的混凝土沥青层替换为RPC层可大幅度提高桥面刚度并降低钢结构应力。由于RPC的超高强度，新型钢-RPC组合桥面结构体系中地钢箱与RPC板之间的连接需要考虑剪切力的作用。邵旭东[30,31]利用特殊的抗剪连接件、建筑结构胶设计出了“正交异性钢板-超薄RPC组合桥面结构”，其构造如图3所示。通过对不同连接形式推出试件进行的静力试验的比较，得到了使用35mm长度、13mm直径栓钉连接的正交异性钢板-RPC组合梁的破坏极限荷载，其承载力高于规范计算值；200万次正交异性钢板-超薄RPC组合桥面结构在设计应力幅疲劳试验后没有开裂，且梁刚度没有明显下降。湖南大学周环宇[32]以非线性有限元程序为基础并结合现场推出试验，对钢-RPC新型组合结构体系下的抗剪连接件进行了受力分析，结果表明栓钉直径是影响短栓钉抗剪承载力的主要因素，长径比小于4的栓钉与RPC材料结合良好，不需要考虑拔出破坏，钢结构规范中栓钉的抗剪计算公式修正为：。

Suleiman[33]等对预制预应力H形RPC桩与H形钢桩进行受力性能对比试验。结果表明：采用与钢桩相同的打桩设备，无需桩帽即可将RPC桩打入硬土层中，且桩头不会发生破坏，认为RPC桩可使用更大的桩锤并减少锤击次数。RPC桩与钢桩的端阻力分别占桩承载力的57%和25%。RPC由于具有更大的截面积，桩竖向承载力比钢桩高86%。这不仅可减少RPC桩的数量，而且可降低结构使用寿命内的维修费用。

3 国内外工程实例

目前，RPC材料在结构工程中还没有广泛应用[34-36]，主要集中在大跨桥梁的预制构件、桥面板、压力管道、钢管混凝土和放射性固体废料储存容器等方面，具体工程如表1所示。早期开展预应力钢筋RPC梁的结构试验证明RPC材料适用于大型桥梁工程[37]，1997年世界上第一座RPC步行桥在加拿大Sherbrooke建成，该桥桁架腹杆为灌装RPC材料的钢管混凝土，下弦为RPC双梁，单跨60m，桥面宽4.2m，桥面板厚30mm，采用现场后张预应

力拼装[38,39]。2002年，韩国首尔建造了跨度120m拱型预应力RPC人行天桥，梁高1.3m，桥面宽4.3m，桥面板厚30mm。在腹板和桥面板节点处配置15.2mm钢铰线；主跨全部使用RPC材料制备，没有配置普通钢筋。和平桥的建设规模和技术难度远远高于Sherbrook步行桥，是RPC应用史上的里程碑[39]。

图3 正交异性钢板-超薄RPC组合桥面结构[31]

巴卡尔桥[40]位于克罗地亚的巴卡尔海峡，该桥跨度为432m，主拱圈的矢高为72m，矢跨比f/l=1/6。桥面结构是一个总长为820m的22跨连续箱梁，截面形式为单箱三室，主拱圈也是单箱三室的截面构造。基础、立柱和桥台采用现浇普通混凝土，桥梁主拱圈和连续梁采用RPC预制构件并通过吊装拼接完成施工。2008年，法国于一个月内建成跨度为70m、高跨比1/38的Anges步行桥[41]，该桥采用预应力技术将15个U形RPC预制构件连为整体，总质量仅为144t。

表1 国内外已有使用RPC结构工程实例

法国的新Jean Bouin[42]体育场外壳为3600块预制

RPC薄板组成的自承重双重曲面结构，建筑面积达到两万平方米。RPC薄板为厚度35mm的三角形网状构件，通过在屋盖的RPC薄板中预先安装玻璃，使得屋盖具有采光的功能。日本东京国际机场跑道扩建项目将6900块、总体积22000m3预应力RPC板作为飞机跑道，是RPC用量最大的工程[43]。3.53m×7.82m RPC双向预应力肋预制板板厚75mm，肋高为175mm。当RPC强度达到45 MPa时进行放张预应力，再进行90℃蒸气养护48小时。与抗压强度设计值50MPa的普通混凝土板相比，质量可减少56%。

在国内，RPC主要应用于铁路桥梁、人行道板和沟槽盖板。2005年，沈阳某工业厂房扩建工程使用轴心抗压强度120.5 MPa的RPC，设计并制作84根预制梁和预制双T板构件，梁的长度为4.29～15.75 m，双T板长度为7.35～9.73 m[44]。2006年，迁曹铁路滦柏干渠大桥工程首次采用跨度为20 m的RPC预应力T形梁。2008年，在蓟港铁路采用高度1800mm、跨度32m的T形梁，成功解决了线路跨线净高受限的问题[45,46]。

4 结论

（1）RPC的力学性能和耐久性远远优于传统混凝土和高强混凝土，因此将其应用于新型大跨度、高承载结构有较大优势。但是目前该材料使用率仍较低，主要是由于以下两方面原因：一方面，RPC材料复杂的成分和养护工艺造成了成本较高，且新型RPC结构对载荷的力学响应仍然没有研究透彻；另一方面，RPC组合结构设计理论和工艺采仍沿用普通混凝土规范，限制了RPC进一步推广和应用。

（2）相比传统混凝土预制构件，新型的RPC组合结构具有广阔的市场前景。但是产品设计大多基于普通混凝土的规范，采用一种半经验半理论的经验公式，不具有普适性。与此同时，RPC部件截面尺寸明显减小，这对节点和连接的工艺、构造和性能提出了更高要求。如何采用合理的节点和连接有效地将各部件组装成整体，并具有预定的性态和功能，是今后RPC组合构件研究目标之一。

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TU375

A

2096-2789（2016）11-0003-05

国家自然科学基金项目（51622811），浙江省自然科学基金资助项目（LR16E080001）。

王渊（1970-），男，浙江杭州人，高级工程师，研究方向：市政道桥工程。