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一、前言
1993年,世界最大的营造公司之一法国布伊格公司,以P.Richard为首的研究小组仿效"高致密水泥基均匀体系",依照密实堆积原理,剔除传统混凝土的粗骨料,代以的细石英砂,成功地研发出一种新型混凝土。和传统混凝土相比较,这种由于增加了组分的细度和反应活性,而具有"超高强度、高韧性、耐久性强和体积稳定良好的新型水泥基复合材料",称为Reactive Power Concrete,简称RPC,即活性粉末混凝土。
二、RPC的配置原理和技术
(一)提高均质性,减少材料内部缺陷,消除骨料与水泥浆体的界面过渡区。
1、用最大粒径为400€%em细石英砂代替粗骨料,RPC与HSC的最大粒径比为:
€%omax(RPC)/€%omax(HSC)=1/50～1/30。
2、增强砂浆的力学性能,减少骨料与水化水泥浆体的弹性模量比。
(二)提高堆积密度,减少气孔,排除多余水分,提高复合物的密实度和结合力。消除水化收缩产生的微裂缝。降低水灰比和孔隙率。
1、优化活性组分的级配,包括优质水泥、细石英砂、硅粉等,所有组分粒径在0.1€%em～1mm范围内。
2、在成型期(凝结前和凝结期间)对混凝土进行加压排水。
3、掺入高效减水剂,改良搅拌工艺,在保证良好流动性的前提下,达到最小用水量,大大降低混凝土的孔隙率。
(三)提高組分活性,改善微观结构。
在混凝土凝固后,进行一定时段一定条件的加热养护。
(四)降低脆性,提高韧性和塑性:对应不同强度等级的RPC,掺入不同长度范围,和不同形状要求的钢纤维。
三、RPC的技术性能
(一)优异的力学性能:部分性能接近钢材。(见表1)
四、RPC现阶段工程推广应用的瓶颈问题
(一)材料的局限性
1、材料的成本问题:硅粉,钢纤维和外加剂等组分的使用,提高了RPC材料的原始造价,这是推广RPC的一个重要难点。近年来,国内许多学者都为替代硅粉而努力寻找着优质价廉的新活性掺料,并取得了一定的实用成果。不过也有学者指出,仅仅从单组分的价格来评价RPC的经济性能是不合理的,虽然RPC单组分的造价比普通混凝土材料高很多,但是实际工程中若使用RPC,其总体材料用量会比普通混凝土少,且结构耐久性和维护性也优越许多,所以应该综合考虑其经济性能。关于这方面的具体实验研究正在进行中。
2、材料的地域问题:RPC的"双掺"技术,对组分的材料要求比以往的传统混凝土提高了许多,材料的地域局限性凸显出来。配置的原材料要在多个不同的地区采购,有的材料甚至要从国外进口,这就进一步增加了工程应用的难度。
3、材料的质量问题:组分材料的质量,是决定RPC高技术性能的关键,而我国现今的相关材料质量差强人意。以减水剂为例,国产普通减水剂的减水率为8--10%,萘系高效减水剂为18--22%。日本同类产品的减水率分别是为15%和35%。可见优质的材料是发展RPC的一个重要问题。
(二)工艺的局限性
1、配置加工的问题:RPC各组分的粒径要求复杂严格,提高了施工的难度。
2、加压成型的问题:RPC在成型期(凝结前和凝结期间)要进行加压排水,减少孔隙率,提高密实性,从而改善技术性能,现场施工有难度。
3、蒸汽养护的问题:RPC在凝固后,进行一定时段的加热养护。,有的温度要求高达90℃,现场浇筑难以实现。
4、施工规范的问题:RPC结构的检测,施工和验收规范仍未建立。
(三)理论的局限性
1、配合比的问题:RPC各个组分的粒径和配合比,仍在研究完善的阶段,个组分的尺寸、用量以及形状等各方面的因素对RPC的性能影响实验正在进行中。
2、微观机理的问题:RPC的微观机理仍在研究中,对其结构和性能的形成机理以及影响因素仍有空白处。
3、计算模型的问题:RPC应力——应变本构关系至今没有公认的力学计算模型。现今多是以纤维HPC为参考,依照经验估算进行工程应用。
4、结构设计的问题:能规范使用的RPC结构设计理论体系仍未完全建立,设计无规可依。
(四)实验的局限性
1、测试标准的问题:至今没有完备的RPC测试手段和标准的规范,所以测试无法统一,结果又一定的误差。
2、实验模型的问题:至今没有规范的实验模型和实际构件之间的数据比对关系,影响着RPC的进一步发展,所以需要大量的工程实例。
(五)性能的局限性
1、自收缩的问题:RPC为了得到优越的技术性能,减低了水灰比,又采用加压成型,热气养护,使得其内部的自由水迅速消耗,自干燥的现象伴随着结构密实一起产生,换句话来说,大的自收缩现象伴随着RPC力学性能的提高同时发生,因此如何减小自收缩,控制内部裂缝的产生,也是目前研究RPC的重要课题。
2、抗震性的问题:虽然RPC材料在实验中显示了很好的塑性和延性,但是其实际结构的抗震性能如何,能否满足抗震要求,至今没有具体的实践研究。
3、耐火性的问题:HPC的差耐火性是其应用的一个障碍,而对于RPC的耐火性,仍没有具体的实验数据,这也是RPC应用中一个急需研究的问题。
五、结语
活性粉末混凝土作为适应时代要求的新型建筑材料,有其发展的优越性,也有其发展的局限性。分析这些局限性,都是其发展时间较短,理论和实践发展不足的必然结果,所以只要积极开展实验研究,实践观测,讨论归纳,相信在不久的将来RPC的工程应用将有一番全新的景象。
参考文献:
[1]Pierre Richard,Marcel Cheyrezy.Composition of rezctive powder concretes[J].
Cement and Concrete Research,1995,25(7):1501-1511.
[2]吴炎海,何雁斌。活性粉末混凝土(RPC200)的配制试验研究[J].中国公路学报,2003,16:44-46.
1993年,世界最大的营造公司之一法国布伊格公司,以P.Richard为首的研究小组仿效"高致密水泥基均匀体系",依照密实堆积原理,剔除传统混凝土的粗骨料,代以的细石英砂,成功地研发出一种新型混凝土。和传统混凝土相比较,这种由于增加了组分的细度和反应活性,而具有"超高强度、高韧性、耐久性强和体积稳定良好的新型水泥基复合材料",称为Reactive Power Concrete,简称RPC,即活性粉末混凝土。
二、RPC的配置原理和技术
(一)提高均质性,减少材料内部缺陷,消除骨料与水泥浆体的界面过渡区。
1、用最大粒径为400€%em细石英砂代替粗骨料,RPC与HSC的最大粒径比为:
€%omax(RPC)/€%omax(HSC)=1/50～1/30。
2、增强砂浆的力学性能,减少骨料与水化水泥浆体的弹性模量比。
(二)提高堆积密度,减少气孔,排除多余水分,提高复合物的密实度和结合力。消除水化收缩产生的微裂缝。降低水灰比和孔隙率。
1、优化活性组分的级配,包括优质水泥、细石英砂、硅粉等,所有组分粒径在0.1€%em～1mm范围内。
2、在成型期(凝结前和凝结期间)对混凝土进行加压排水。
3、掺入高效减水剂,改良搅拌工艺,在保证良好流动性的前提下,达到最小用水量,大大降低混凝土的孔隙率。
(三)提高組分活性,改善微观结构。
在混凝土凝固后,进行一定时段一定条件的加热养护。
(四)降低脆性,提高韧性和塑性:对应不同强度等级的RPC,掺入不同长度范围,和不同形状要求的钢纤维。
三、RPC的技术性能
(一)优异的力学性能:部分性能接近钢材。(见表1)
四、RPC现阶段工程推广应用的瓶颈问题
(一)材料的局限性
1、材料的成本问题:硅粉,钢纤维和外加剂等组分的使用,提高了RPC材料的原始造价,这是推广RPC的一个重要难点。近年来,国内许多学者都为替代硅粉而努力寻找着优质价廉的新活性掺料,并取得了一定的实用成果。不过也有学者指出,仅仅从单组分的价格来评价RPC的经济性能是不合理的,虽然RPC单组分的造价比普通混凝土材料高很多,但是实际工程中若使用RPC,其总体材料用量会比普通混凝土少,且结构耐久性和维护性也优越许多,所以应该综合考虑其经济性能。关于这方面的具体实验研究正在进行中。
2、材料的地域问题:RPC的"双掺"技术,对组分的材料要求比以往的传统混凝土提高了许多,材料的地域局限性凸显出来。配置的原材料要在多个不同的地区采购,有的材料甚至要从国外进口,这就进一步增加了工程应用的难度。
3、材料的质量问题:组分材料的质量,是决定RPC高技术性能的关键,而我国现今的相关材料质量差强人意。以减水剂为例,国产普通减水剂的减水率为8--10%,萘系高效减水剂为18--22%。日本同类产品的减水率分别是为15%和35%。可见优质的材料是发展RPC的一个重要问题。
(二)工艺的局限性
1、配置加工的问题:RPC各组分的粒径要求复杂严格,提高了施工的难度。
2、加压成型的问题:RPC在成型期(凝结前和凝结期间)要进行加压排水,减少孔隙率,提高密实性,从而改善技术性能,现场施工有难度。
3、蒸汽养护的问题:RPC在凝固后,进行一定时段的加热养护。,有的温度要求高达90℃,现场浇筑难以实现。
4、施工规范的问题:RPC结构的检测,施工和验收规范仍未建立。
(三)理论的局限性
1、配合比的问题:RPC各个组分的粒径和配合比,仍在研究完善的阶段,个组分的尺寸、用量以及形状等各方面的因素对RPC的性能影响实验正在进行中。
2、微观机理的问题:RPC的微观机理仍在研究中,对其结构和性能的形成机理以及影响因素仍有空白处。
3、计算模型的问题:RPC应力——应变本构关系至今没有公认的力学计算模型。现今多是以纤维HPC为参考,依照经验估算进行工程应用。
4、结构设计的问题:能规范使用的RPC结构设计理论体系仍未完全建立,设计无规可依。
(四)实验的局限性
1、测试标准的问题:至今没有完备的RPC测试手段和标准的规范,所以测试无法统一,结果又一定的误差。
2、实验模型的问题:至今没有规范的实验模型和实际构件之间的数据比对关系,影响着RPC的进一步发展,所以需要大量的工程实例。
(五)性能的局限性
1、自收缩的问题:RPC为了得到优越的技术性能,减低了水灰比,又采用加压成型,热气养护,使得其内部的自由水迅速消耗,自干燥的现象伴随着结构密实一起产生,换句话来说,大的自收缩现象伴随着RPC力学性能的提高同时发生,因此如何减小自收缩,控制内部裂缝的产生,也是目前研究RPC的重要课题。
2、抗震性的问题:虽然RPC材料在实验中显示了很好的塑性和延性,但是其实际结构的抗震性能如何,能否满足抗震要求,至今没有具体的实践研究。
3、耐火性的问题:HPC的差耐火性是其应用的一个障碍,而对于RPC的耐火性,仍没有具体的实验数据,这也是RPC应用中一个急需研究的问题。
五、结语
活性粉末混凝土作为适应时代要求的新型建筑材料,有其发展的优越性,也有其发展的局限性。分析这些局限性,都是其发展时间较短,理论和实践发展不足的必然结果,所以只要积极开展实验研究,实践观测,讨论归纳,相信在不久的将来RPC的工程应用将有一番全新的景象。
参考文献:
[1]Pierre Richard,Marcel Cheyrezy.Composition of rezctive powder concretes[J].
Cement and Concrete Research,1995,25(7):1501-1511.
[2]吴炎海,何雁斌。活性粉末混凝土(RPC200)的配制试验研究[J].中国公路学报,2003,16:44-46.