RPC混凝土力学性能研究进展

2017-10-28李泽良

科技视界 2017年15期

李泽良

【摘要】活性粉末混凝土是一种高强度、高韧性的新型超高性能水泥基复合材料，应用前景非常广阔。基于国内外已有研究成果，总结了活性粉末混凝土力学性能的研究现状，简要分析了目前研究中存在的不足和有待研究的问题，以期为其深入发展与应用提供参考。

【关键词】活性粉末混凝土；强度；断裂韧性

0 引言

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，简称RPC）相较于普通混凝土，具有更高的强度和韧性。其抗压强度可达到170～230MPa，是普通混凝土的3～5倍；其抗拉强度达到 50MPa，是高强混凝土的5倍；其断裂韧性是普通混凝土的250倍，它是一种由级配良好的水泥、石英砂、活性掺合料、高效减水剂、钢纤维与水拌合后经湿热养护而成的新型超高性能水泥基复合材料，在房屋建筑，市政工程等领域有着广泛的应用[1]。

目前，国内外学者对RPC的研究众多，诸如尺寸效应、单轴拉压强度、双轴和三轴力学性能、断裂性能、配筋试件的抗拉性能以及构件设计方法等。基于已有研究成果，本文着重综述了RPC力学性能的研究现状，简要分析了目前研究中存在的问题，以期为RPC的深入发展与应用提供参考。

1 RPC力学性能研究

RPC力学性能是影响RPC构件和结构安全性的关键因素，是推广其工程应用首先要探究的问题。RPC典型的力学特点是强度高、韧性好，学者们参照普通混凝土性能试验方法研究了其强度和断裂韧性，取得了丰硕的结果。

1.1 强度

李居红[3]综合探讨了水灰比、纤维种类及掺量、硅粉和石英粉掺量、龄期对RPC抗压强度和抗折强度的影响。研究结果表明，水灰比和硅粉、磨细石英粉掺量都增加的情况下，RPC抗压、抗折强度逐渐减小；当硅粉掺量增加，水灰比不变的情况下，龄期越大，抗压强度越大。纤维种类不同，RPC强度性能各有差异。研究表明，细密钢纤维大于粗钢纤维，玻璃钢纤维大于弓形钢纤维。其他条件不变的情况下，纤维含量的增加对抗压强度的影响不大。

鞠彦忠通过试验研究了RPC抗折强度、劈拉强度和抗压强度的變化规律，建立了不同钢纤维体积含量的RPC受压应力-应变全曲线数学表达式，拟合了抗折强度和劈裂强度的关系表达式[4]。试验结果表明，钢纤维含量对RPC强度的影响各有不同，差异明显。影响RPC强度最主要的因素是水胶比。当钢纤维含量为1.0～3.5%时，RPC抗折强度、劈拉强度和抗压强度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%时，RPC抗折强度显著增加，劈拉强度几乎不变，抗压强度有所下降。

高温后混凝土力学性能对火灾后混凝土结构的损伤评估与鉴定加固具有重要意义。鉴于此，郑文忠[5]对RPC掺不同聚丙烯纤维（PPF）体积量的试件进行了轴心受拉试验、棱柱体受折试验、棱柱体受压试验和立方体受压试验，分析了PPF掺量对RPC高温后残余轴心抗拉强度、残余抗折强度、残余轴心抗压强度和残余立方体抗压强度的影响。研究显示，常温下随PPF掺量的增加，RPC强度逐渐下降。当经历温度高于200℃时，随PPF掺量的增大RPC力学性能相应提高；高温后RPC残余抗压强度、残余抗折强度和残余轴心抗拉强度均随经历温度的升高先增大后减小。郑文忠[5]等人还建立了高温后各残余强度随温度变化的计算式。

目前RPC强度指标的取值研究尚未给出一般标准。RPC强度分级方法和材料分项系数的标准不同，限制了RPC在工程中的推广应用。吕雪源[1]提出以边长70.7mm立方体抗压强度标准值作为RPC强度等级划分依据。通过研究，建议RPC材料分项系数取1.3。基于大量试验数据和可靠性分析，给出了不同强度等级下RPC抗压、拉强度设计值、弯曲开裂应变、峰值压应变、轴拉开裂应变、受压边缘极限压应变、泊松比的具体取值，为RPC构件设计提供了计算参数。1.2 断裂韧性

作为高性能混凝土，RPC的断裂韧性对提高结构的延性，尤其是极端荷载下结构的抗倒塌能力具有重要的意义。然而，未掺纤维的RPC脆性比普通混凝土和高强混凝土更大，在高应力或复杂应力状态下易发生爆裂式脆性断裂。目前学者和工程技术人员通过掺入纤维予以改善，研究热点也主要涉及纤维种类和掺量。

张倩倩[6]采用三点抗弯实验，研究了不同钢纤维掺量对RPC抗断裂性能的影响。结果表明，掺入钢纤维后，钢纤维与RPC基体的界面过渡区经过蒸养后有所改善，界面粘结强度增加，RPC抗断裂能力提高。但随着增加超过2%时，RPC抗断裂能力没有明显提高变化。周瑞忠[7]也指出钢纤维能够有效改善材料的韧性。采用线弹性断裂力学基本理论基于虚拟裂缝模型，分析了RPC和纤维增强RPC的断裂特性。

由于钢纤维对RPC断裂韧性的改善效果有限，近来较多的研究采用了混杂纤维的方法。有学者通过三点弯曲断裂试验，研究了单掺钢纤维、钢纤维-粗聚烯烃纤维混掺、钢纤维-聚乙烯醇纤维混掺以及钢纤维-粗聚烯烃-聚乙烯醇纤维混掺对改善活性粉末混凝土断裂韧性的效果。研究发现：钢纤维体积掺量为2%，粗聚烯烃或聚乙烯醇纤维掺量为10kg/m3时，与单掺钢纤维相比，钢纤维-粗聚烯烃纤维混掺峰值荷载提高了52.5%，断裂能提高了136%断裂韧度提高了112%。钢纤维-聚乙烯醇纤维混掺试件峰值荷载提高了85%，断裂能提高了88.6%，断裂韧度提高了50.9%。纤维掺量合适时，钢纤维与合成纤维混掺表现出良好的混杂效应，钢纤维体积掺率1%～1.5%，合成纤维总掺量9kg/m3时，对改善RPC断裂性能效果最理想。

邓宗才[8]同样通过弯曲实验研究了钢纤维与不同品种、不同掺量合成纤维混掺对RPC断裂韧性的改善效果。结果表明：当体积掺量1%或2%的钢纤维与粗聚烯烃纤维或细聚乙烯醇纤维混掺时，可显著改善RPC的弯曲韧性；体积掺量1%的钢纤维与粗聚烯烃纤维、细聚乙烯醇纤维混掺时的韧性指标比单掺钢纤维分别提高49.8-140%和82.3-215.6%；从经济性看，体积掺量1%的钢纤维与粗聚烯烃或者细聚乙烯醇纤维混掺时增韧效果更优。

总的来说，关于RPC力学性能的研究已经比较成熟，但多轴应力状态下RPC强度特性的研究还十分缺乏，需要进行大量的多轴试验，给出各种应力状态下的本构关系和破坏准则；不同纤维混杂方式和掺量等对RPC断裂韧性的改善效果也有待进一步探讨。

2 结语

国内外学者对活性粉末混凝土力学性能进行了广泛的探讨，证明了活性粉末混凝土具有强度高、断裂韧性好的特点，但是以下问题制约了PRC技术在工程实践中的广泛应用：

（1）现行研究方法、计算标准对RPC混凝土有很多不恰当之处，没有形成完备的测试标准。

（2）RPC混凝土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。

（3）RPC构件的计算方法和性能指标有待发展和完善。

今后需要对以上问题进行深入的理论和试验研究，以推动活性粉末混凝土更广泛、更合理的应用。

【参考文献】

[1]吕雪源，王英，符程俊，等.活性粉末混凝土基本力学性能指标取值[J].哈尔滨工业大学学报，2014，10：1-9.

[2]鞠彦忠，王德弘，张超.活性粉末混凝土的研究与应用进展[J].东北电力大学学报，2011，Z1：9-15.

[3]李居红，郭勇，姜德民.活性粉末混凝土力学性能的研究[J].混凝土，2014，2：88-90+94.

[4]鞠彦忠，王德弘，李秋晨，等.钢纤维掺量对活性粉末混凝土力学性能的影响[J].实验力学，2011，3：254-260.