活性粉末混凝土(RPC)

ReactivePowderConcrete

-活性粉末混凝土概述

■活性粉末混凝土材料選擇

■活性粉末混凝土的配置

■活性粉末混凝土的力學(xué)性（1E

-RPC應(yīng)用和發(fā)展前景

第一章活性粉末混凝土概述

1.1活性粉末混凝土的概念

活性粉末混凝土（ReactivePowderConcrete,簡

稱RPC）是繼無宏觀缺陷水泥（簡稱MDF）、超細(xì)粒聚密

水泥（簡稱DSP）、化學(xué)結(jié)合陶瓷（簡稱CBC）、以及高

性能混凝土（簡稱HPC）之后，于20世紀(jì)90年代初由法

國開發(fā)出的一種超高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性、體積穩(wěn)

定性良好的新型水泥基復(fù)合材料，由于其組分中粉末含

量及活性的增加而被稱為活性粉末混凝土。

組成:

活性粉末混凝土其原料為細(xì)石英砂、水泥、磨細(xì)石英

粉、硅灰、細(xì)鋼纖維、高效減水劑等，取消粗集料，各級

粒子尺寸范圍小，而相鄰級的平均粒徑卻相差較大。這種

新型的材料根據(jù)最大密實(shí)度理論，使各種顆粒達(dá)到最大密

實(shí)化，選取的是傳統(tǒng)的原材料和傳統(tǒng)的混凝土成型工藝。

1.2活性粉末混凝土的特點(diǎn)

國內(nèi)外研究表明，活性粉末混凝土具有優(yōu)越的力學(xué)性

能和耐久性能。⑴

強(qiáng)度高：活性粉末混凝土具有極高的抗壓強(qiáng)度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)

超過普通混凝土及一般高性能混凝土。⑵

重量輕：在具有相同抗彎能力的前提下，活性粉末混

凝土結(jié)構(gòu)的重量僅為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的1/3?

1/2,幾乎與鋼結(jié)構(gòu)相近，這對減輕結(jié)構(gòu)自

重，增加跨越能力，發(fā)展預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)

具有極其重要的意義。

⑶塑性好：高性能混凝土與普通混凝土的極限應(yīng)變值基

本相等，而活性粉末混凝土的極限應(yīng)變值則

為高性能混凝土的2?3倍，從某種意義上

講，這比其具有極高的抗壓強(qiáng)度更為重要。

目前，國內(nèi)一些高性能混凝土也已達(dá)到很高

的抗壓強(qiáng)度，但其脆性比較明顯，因而成為

限制其實(shí)際應(yīng)用的一個主要因素，而活性粉

末混凝土配制技術(shù)對我們研制高強(qiáng)又有良好

塑性的混凝土可以提供有益的幫助。

⑷密實(shí)度高：有約束的活性粉末混凝土凝結(jié)前的加壓技

術(shù)具有排除混凝土內(nèi)部空氣、降低水灰

比、提高密實(shí)度從而提高混凝土強(qiáng)度的作

用，是一項(xiàng)值得推廣的技術(shù)。

⑸耐久性好：對凍融循環(huán)、鹽蝕及碳化有很強(qiáng)的抵抗能

力，使用其可增加構(gòu)件的耐久性，延長結(jié)

構(gòu)的使用壽命。

⑹耐磨性好,可用于改造路面。⑺

抗彎強(qiáng)度高（25?35MPa）,可減少構(gòu)件內(nèi)的鋼筋用量。

第二章活性粉末混凝土材料選擇

活性粉末混凝土其原料為石英砂、水泥、磨細(xì)石英粉、硅灰、細(xì)

鋼纖維、高效減水劑等，取消粗集料，各級粒子尺寸范圍小，而相鄰

級的平均粒徑卻一般相差較大。

2.1石英砂

石英砂要具有很高的硬度和優(yōu)良的界面性能，在活性粉末混凝土

中充當(dāng)主要集料的功能。其粒徑范圍宜控制在150um?600Um之間,

平均粒徑為250umo其礦物成分中SiCh的含量不低于99%。

2.2水泥

首先，水泥要與減水劑相容。從化學(xué)成分上看，C3A含量低

的水泥效果較好，但粉磨得太細(xì)的水泥由于需水量大，效果并

不是很好。從流變特性和力學(xué)性能看，高模量水泥效果最好，

但這種水泥具有緩凝特點(diǎn)，不適宜于工程應(yīng)用，因此通常C3s含

量的水泥即可。

2.3硅灰

硅灰是冶煉鐵合金回收的副產(chǎn)品，它是灰白色球狀粉

末，表觀密度為150?250kg/m3,比表面積20m2/g,平均粒

徑為0.1?0.2um,無定形SiO2含量約為80?90%。

在RPC中硅灰主要有三個作用：

⑴填充不同粒徑顆粒間的孔隙；

⑵硅灰顆粒具有良好的球狀外形，起到很好的潤滑作

用，從而提高流變特性；

（3）硅灰具有高活性，起到第二次水化作用。選擇硅灰

時應(yīng)考慮顆粒聚積程度、硅灰的純度和顆粒粒徑。

2.4磨細(xì)石英粉

對于活性粉末混凝土熱處理過程來說，磨細(xì)石英

粉是不可缺少的組成成分。據(jù)研究，在熱養(yǎng)護(hù)過程

中，磨細(xì)石英粉活性發(fā)揮最大的粒徑范圍為5um?2

5um。在活性粉末混凝土中采用的磨細(xì)石英粉平均

粒徑為10um,與水泥的粒徑接近。

2.5鋼纖維----微細(xì)鋼纖維

在活性粉末混凝土中，鋼纖維對基體的作用與普通

纖維混凝土中的鋼纖維作用相同，概括起來主要有三種:

阻裂、增強(qiáng)和增韌。

在活性粉末混凝土中本身不存在粗骨料，內(nèi)部缺陷

很少，如果所用鋼纖維過粗過長，不僅攪拌成型困難，

還要增加活性粉末混凝土中的界面缺陷。所以，在活性

粉末混凝土中鋼纖維摻量不宜太大。

2.6高效減水劑

在活性粉末混凝土中，由于其水膠比較之普通混凝土和一般高性

能混凝土都要低，如果不摻入優(yōu)質(zhì)的高效減水劑，漿體的流動性將會

很差，甚至造成難以振搗成型。因此，高效減水劑也是活性粉末混凝

土中的重要組分。對于活性粉末混凝土而言，其顯著的特點(diǎn)就是具備

優(yōu)異的力學(xué)性能。在流動性不下降的情況下，水膠比越低，活性粉末

混凝土的力學(xué)性能就越好。所以，從某種意義上來說，高效減水劑性

能的好壞，直接決定了活性粉末混凝土的性能。

活性粉末混凝土的典型配合比如表1所示：

表1典型的活性粉末混凝土的配合比

RPC200RPC800

項(xiàng)目

無纖維摻加纖維硅質(zhì)集料鋼質(zhì)集料

水泥111111

硅灰0.250.230.250.230.230.23

砂.150~600Lm1.11.11.11.10.5—

磨細(xì)石英粉，d=lOLm—0.39一0.390.390.39

高效減水劑0.0160.0190.0160.0190.0190.019

鋼纖維.L=12mm——0.1750.175——

鋼纖維.L=3mm————0.630.63

鋼質(zhì)集料，d<800Lm—一—一—1.49

水0.150.170.170.190.190.19

成型壓力、MPa一一一一5050

熱處理溫度，e20902090250~400250~400

第三章活性粉末混凝土的配置

3.1基本原則

活性粉末混凝土是一種超高強(qiáng)度、高韌性、低孔隙率的超高性能

混凝土。它的基本配制原理是通過提高組分的細(xì)度與活性，使材料內(nèi)

部的缺陷（孔隙與微裂縫）減小到最少，從而獲得超高強(qiáng)度與高耐久

性。

RPC所采用的原材料平均粒徑在0.1pm?1mm之

間，目的是盡量減少混凝土中的孔間距，從而使拌合物

更加密實(shí)，RPC的制備一般可以采取以下技術(shù)措施：

1.去除混凝土中粗骨料以提高基體勻質(zhì)性；

2.優(yōu)化顆粒級配，以提高拌合物的密實(shí)度；

3.成型過程中或成型后施加壓力，以排除多余孔隙;

4.凝固后采用熱養(yǎng)護(hù)改善微結(jié)構(gòu)；

5.摻加微細(xì)鋼纖維以提高韌性；

6.保持?jǐn)嚢韬蜐仓M可能地與現(xiàn)有習(xí)慣的做法相接

近，以利工程應(yīng)用。

材料的組成和選擇是活性粉末混凝土的關(guān)鍵所在，材

料的成型和養(yǎng)護(hù)是提高性能的要求。上述中前三個基本原

則，使得配制出的基材具有高強(qiáng)的性能，但與普通砂漿相

比，其韌性并沒有得到提高。微鋼纖維的摻入，大大提高

了其抗拉強(qiáng)度，同時可以獲得所要求的韌性。

涉及原材料組成的措施（包括保證均質(zhì)性和顆粒的密實(shí)

度化）是活性粉末混凝土概念的基礎(chǔ)，加壓成型和熱養(yǎng)護(hù)

的利用對于提高力學(xué)性能比較有利。

傳統(tǒng)的混凝土是一種非均質(zhì)材料，其中集料在水泥基體中形成骨

架。當(dāng)混凝土試件受到外加荷載或壓力時，在水泥基體與集料界面

處，由于應(yīng)力集中，形成微裂紋。這些微裂紋的尺寸和擴(kuò)展與集料的

粒徑有直接的關(guān)系。因此在活性粉末混凝土中，采用磨細(xì)石英砂代替

粗集料，提高材料均質(zhì)性，控制材料內(nèi)部缺陷。

同時在材料配比設(shè)計(jì)過程中，采用最大密實(shí)理論模型，通過對材

料粒徑選擇，使不同粒徑材料達(dá)到最大密實(shí)，并嚴(yán)格控制用水量。為

保證水泥和活性粉末能最大限度地水化，在養(yǎng)護(hù)時采用熱養(yǎng)護(hù)，在成

型過程中，為排除多余的空氣，可以根據(jù)需要，進(jìn)行加壓成型。

3.2活性粉末混凝土的配置方案選擇

在實(shí)際的活性粉末混凝土的配置中，可以選用以下步驟進(jìn)行方案

選擇。

1消除缺陷，選擇骨料品種

在普通混凝土中，水泥石和集料的彈性模量不同，當(dāng)應(yīng)力、溫度

發(fā)生變化時，水泥石和集料的變形不一致，致使界面處形成細(xì)微的裂

縫。

另外，在混凝土硬化前，水泥漿體中的水分向親水的集料表面遷

移，在集料的表面形成一層水膜，從而在硬化的混凝土中留下細(xì)小的

縫隙；此外，漿體泌水也會在集料下表面形成水囊。因此，混凝土在

承受荷載作用以前，界面處就充滿了微裂縫。

受到荷載作用以后，在水泥石與骨料的界面上出現(xiàn)剪應(yīng)力和拉應(yīng)

力，隨著應(yīng)力的增長，微裂縫不斷擴(kuò)展并伸向水泥石，最終導(dǎo)致水泥

石的斷裂。為了盡量減少微裂縫和孔隙等缺陷，在配制RPC時要剔除

了普通混凝土中所采用的粗骨料（碎石、卵石等），而采用最大粒徑

600um、平均粒徑為250um的細(xì)石英砂。

這樣的選擇可以從3個方面改善活性粉末混凝土的性能：

1）減小內(nèi)部微裂縫寬度。混凝土受到荷載作用后，微裂縫寬度與

被水泥漿包裹的顆粒直徑成正比；在RPC中，骨料的直徑減小了50倍，

可以極大地減小由力學(xué)（外荷載）、化學(xué)（自收縮）、加熱養(yǎng)護(hù)（由于砂

漿與骨料的膨脹率不同）引起的微裂縫的寬度。

2）改善水泥石的力學(xué)性能。RPC的楊氏模量超過50GPa,在其最

密實(shí)狀態(tài)時可達(dá)到75GPa,水泥石和骨料的整體彈性模量稍微小于骨

料的彈性模量，大大減小不均勻性的影響。

3）降低骨料在總體積中所占的比例。在RPC中，水泥漿體積比砂

子的孔隙要大20%左右，砂子在RPC中不能構(gòu)成骨架，而只是一種被

水泥漿包裹的、含有缺陷的混合物，砂子會隨著水泥漿的收縮而移

動，因此砂子與水泥漿之間不會產(chǎn)生裂縫。

2采用最大密實(shí)理論模型選擇材料直徑

對粉末堆積的研究表明，當(dāng)大小均勻的球形顆粒粉末倒入容器

時，堆積密度較低。通過振動可以提高堆積密度，但即使采用最仔細(xì)

的振動方式，也不能獲得很高的振實(shí)密度。為了提高堆積密度，常在

較大的均一的顆粒之間加入較小的顆粒，先是直徑最大的球體堆積成

最密填充，剩下的空隙依次由小直徑的球體填充下去，使球體間的空

隙減小,從而達(dá)到最大密實(shí)狀態(tài)。

在制備RPC時,盡量選用本級顆粒的粒徑變化范圍較小、而與相鄰

粒級的平均粒徑差比較大的材料。如選用粒徑范圍在150?600um之

間、平均粒徑為250口m的石英砂；粒徑范圍為80-100um的水泥；平

均粒徑為0?1?0?2口m的硅灰。此外，提高密實(shí)度和抗壓強(qiáng)度的另一種

有效的途徑是在新拌混凝土凝結(jié)前和凝結(jié)期間加壓。

通過對新拌混凝土凝結(jié)前和凝結(jié)期間加壓，可以有三方面的效果

(1)加壓數(shù)秒就可以有效地消除或減少氣孔；

(2)當(dāng)模板有一定滲透性時，加壓數(shù)秒可將多余的水分自模板間

隙中排出；

(3)如果在混凝土凝結(jié)期間始終保持一定的壓力，可以消除由于

材料化學(xué)收縮引起的部分孔隙。

3加熱養(yǎng)護(hù)改善RPC的微觀結(jié)構(gòu)

RPC200的熱養(yǎng)護(hù)是在混凝土凝固后加熱進(jìn)行，90℃的熱養(yǎng)護(hù)可

顯著加速火山灰反應(yīng)，同時改善水化物的微結(jié)構(gòu)，但這時候形成的水

化物仍是無定形的，更高溫度Q50?400℃）熱養(yǎng)護(hù)用于獲得RPC800,

養(yǎng)護(hù)使水化生成物C?S?H（水化硅酸鈣）凝膠大量脫水，形成硬硅鈣石

結(jié)晶。

4摻入微鋼纖維增大RPC韌性

未摻鋼纖維的RPC的受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線呈線彈性變化，破壞時呈

明顯的脆性破壞，摻入鋼纖維可以提高韌性和延性。RPC200中摻入

鋼纖維直徑約為0.15mm,長度為3?12mm,體積摻量為1.5%?

3.0%o對于在250c以上溫度養(yǎng)護(hù)的RPC800,其力學(xué)性能（抗壓強(qiáng)度

和抗拉強(qiáng)度）的改善是通過摻入更短（長度W3mm）且形狀不規(guī)則的鋼

纖維來獲得。

第四章活性粉末混凝土的力學(xué)性能

4.1強(qiáng)度和韌性

RPC的顯著特點(diǎn)是它的高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性。

RPC抗壓強(qiáng)度可達(dá)到200MPa甚至更高(加壓及高溫養(yǎng)護(hù),采

用3mm的超短鋼纖維后其抗壓強(qiáng)度可達(dá)800MPa),是高性能

混凝土的2?3倍；抗拉強(qiáng)度可達(dá)到50MPa左右,是高性能混

凝土的5倍。彈性模量達(dá)50GPa以上，比高性能混凝土高得

多；斷裂能達(dá)20000?40000J/m2,而普通混凝土的斷裂能

只有130J/m2?？梢奟PC具有優(yōu)良的韌性和力學(xué)特性，高性

能混凝土(HSC)及普通混凝土(NC)的比較見表2o

表2RPC、HSC、NC的力學(xué)特性比較

項(xiàng)目RPC800RPC200HSCNC

抗壓強(qiáng)度490-680170-23060-10020-40

(N/mm2)

抗彎強(qiáng)度45-10225-606-101.5-2.5

(N/mm2)

破壞能量1.2-2130

(kJ/m2)

彈性模量63-7462?6630?4025-33

(GPa)

4.2耐久性

RPC中的空隙量極小,使得空氣滲透系數(shù)低,水分吸收

特性值小，因而具有超高的耐久性。表3中比較了RPC、

HSC、NC的主要耐久性指標(biāo)，可見活性粉末混凝土的耐久性

能比普通混凝土以及高性能混凝土好得多。

表2RPC、HSC、NC的耐久性比較

性能RPCHSCNC

空氣滲透系數(shù)/10T82.5120140

水分吸收特性/kg.m?30.20.42.7

氯離子擴(kuò)散/10/2m2sl0.020.61.1

凍融剝落/g.cm17900>1000

碳化深度/mm0210

磨耗系數(shù)1.32.8___4.0___

4.3變形性能

從圖1幾種混凝土的應(yīng)力一應(yīng)變曲線可以看出，摻鋼纖維的RPC受

壓構(gòu)件的變形性能、強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通混凝土(NSC)、高性能混凝

±(HPC)o

3

KX)

250

200

50

100受的束和11應(yīng)力的RPC

50受妁皋的RPC

1

RPC

0.0050.0100.0150.020

應(yīng)變

圖1RPC與NSC、HPC應(yīng)力一應(yīng)變曲線

4.4徐變性能

RPC的徐變減少到普通混凝土或是高性能混凝土的

10%左右。RPC對于徐變的敏感性非常小，因此長期性能

也是有保證的。

第五章RPC應(yīng)用和發(fā)展前景

5.1RPC的工程應(yīng)用實(shí)踐

RPC由法國BOUYGUES公司率先于1993年研究成功，并與美國

陸軍工程師團(tuán)合作，依據(jù)美國CPAR（ConstructionProductivity

AdvancementResearch建筑生產(chǎn)力推進(jìn)研究）計(jì)劃進(jìn)行了RPC制品

的實(shí)際生產(chǎn)，其產(chǎn)品主要包括：大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁、壓力管道及

放射性固體廢料儲存容器等。

現(xiàn)在國內(nèi)外比較典型的RPC應(yīng)用有:

(1)舍布魯克(sherbrook)人行橋

加拿大在RPC配合比研究的基礎(chǔ)上，于1994年開始進(jìn)行工業(yè)性試

驗(yàn)，并研究了無纖維RPC鋼管混凝土。根據(jù)此項(xiàng)研究成果，于1997年

用RPC預(yù)制構(gòu)件建成了世界上第一個RPC結(jié)構(gòu)。

它是一座位于加拿大魁北克省舍布魯克市梅戈格河上的長60m、寬

4.2m的舍布魯克自行車及步行桁架橋。這是世界上第一座用活性粉末

混凝土修建的大型結(jié)構(gòu)。

圖3舍布魯克人行橋上部結(jié)構(gòu)

橋面板和上、下弦桿均由活性粉末混凝土制成，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到350MPa

該橋的上部結(jié)構(gòu)為后張空腹空間橋架，由6塊匹配預(yù)制的節(jié)段組

成。節(jié)段在現(xiàn)場進(jìn)行裝配并用體內(nèi)和體外預(yù)應(yīng)力索張拉成橋。橋面板

和上、下弦桿均由活性粉末混凝土制成，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到350MPa,這

座位于舍布魯克區(qū)、跨越梅戈格河的人行橋的斜腰桿的節(jié)間長度為

3m,橋梁的跨度為60m,豎曲線半徑為326nb橋上可通自行車和行

人。舍布魯克人行橋的設(shè)計(jì)利用了活性粉末混凝土優(yōu)異的力學(xué)性能。

為了獲得最小的高跨比3/60,設(shè)計(jì)人員將活性粉末混凝土新技術(shù)與預(yù)

制后張法結(jié)合起來，用填充活性粉末混凝土的空腹空間橋架取代了腹

板，這樣就在不影響剛度的情況下減少了混凝土的用量。由于活性粉

末混凝土具有很高的抗壓強(qiáng)度，可以設(shè)計(jì)出相當(dāng)輕巧的預(yù)應(yīng)力混凝土

結(jié)構(gòu)，使其能夠在工廠預(yù)制和在現(xiàn)場安裝，該橋的低頻振動使橋上行

人感到舒適。

由于空間橋架重量輕，且橋梁有很高的整體剛度，該橋結(jié)構(gòu)在活

載不大于恒載的范圍內(nèi)第一體征頻率為2.5Hz。對于這種結(jié)構(gòu)形式,

在恒載和活載作用下結(jié)構(gòu)的上弦桿（包括上弦縱梁和橋面板）中產(chǎn)生

的壓力、在下弦桿中產(chǎn)生的拉力被預(yù)應(yīng)力所抵消。剪力將在腹桿中產(chǎn)

生拉力或壓力，其中受拉腹桿中的拉力被腹桿中的預(yù)應(yīng)力所抵消，其

它所有的次拉力全部由活性粉末混凝土直接承受。

由于這是第一座用活性粉末混凝土修建的大型結(jié)構(gòu)，出于安全和

工程實(shí)施的考慮，材料的潛力并未被全部發(fā)揮出來。這是為了防止在

運(yùn)營極限狀態(tài)下腹桿和下弦桿中出現(xiàn)拉力。上下弦桿的尺寸取決于布

置預(yù)應(yīng)力索錨頭所需的空間所選的下弦梁尺寸能容納預(yù)應(yīng)力索轉(zhuǎn)向

器，還應(yīng)有足夠尺寸連接斜桿。

今后的工程可從舍布魯克人行橋的實(shí)踐獲取經(jīng)驗(yàn)，使較小尺寸的

活性粉末混凝土構(gòu)件發(fā)揮更大作用。

(2)巴卡爾橋

巴卡爾橋跨度為430m,位于克羅地亞里耶卡和塞尼之間的快速路

±o跨越巴卡爾海峽，該橋全由活性粉末混凝土預(yù)制的節(jié)段拼裝而

成。比普通高性能混凝土的孔隙率減少80%,微孔隙率減少90%,透

氣和透水率減少90%,這對于位于海邊的橋梁來說意義重大。

巴卡爾橋采用的結(jié)構(gòu)分析參數(shù)如下：RPC的抗壓強(qiáng)度為200MPa,

抗彎強(qiáng)度為40MPa,彈性模量為50GPa,無收縮且徐變量僅為普通混

凝土的5%。巴卡爾海峽的跨越方案為1座混凝土拱橋，跨度432m。拱

高72m,即矢跨比為1/6,通航凈空為260X50m。上部結(jié)構(gòu)總長820m,

單聯(lián)22跨，梁體結(jié)構(gòu)為氣動型單箱三室等高截面，拱肋結(jié)構(gòu)也為氣

動型單箱三室截面，由于拱腳固定所以截面等高。

為減少恒載引起的彎矩，拱的中心線設(shè)計(jì)為復(fù)雜的四次拋物線

型。為減小側(cè)向風(fēng)產(chǎn)生的壓力，拱的截面也設(shè)計(jì)為氣動形。除基礎(chǔ)、

橋臺、和拱臺墩為現(xiàn)澆外，其余均用RPC預(yù)制，節(jié)段長度為3.80m。

橋梁的主要結(jié)構(gòu)在分節(jié)段用短線匹配法預(yù)制時有三種基本形狀。節(jié)段

在現(xiàn)場用環(huán)氧樹脂膠拼接后，再張拉體外預(yù)應(yīng)力。每個節(jié)段兩端各設(shè)

置20cmX50cm橫梁，這樣使翼緣的板跨比為1/30,翼緣的厚度為

12cm。梁體預(yù)制節(jié)段在橋面板的部分在細(xì)節(jié)上稍有不同，因?yàn)樗亩?/p>

橫梁截面為30cmX60cmo

該橋的節(jié)段有點(diǎn)類似鋼箱梁，但它沒有縱向加勁肋，因而節(jié)段的

幾何形狀較簡單，而且它用匹配法預(yù)制，節(jié)段連接也就更容易、更精

確。預(yù)制橋墩為方形的單箱雙室截面，拱橋的橋臺墩為單箱方形等截

面。

高性能混凝土必將根本性地改變預(yù)制節(jié)段的截面性質(zhì)，腹板和翼

緣厚度以及節(jié)段的連接方式。巴卡爾橋的設(shè)計(jì)說明這是可行的。

(3)北京五環(huán)路活性粉末混凝土人行道板

北京交通大學(xué)進(jìn)行了活性粉末混凝土人行道板的設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)。

目前，己將該種人行道板成功應(yīng)用于通車的北京五環(huán)路上。按容許應(yīng)

力法設(shè)計(jì)了兩種規(guī)格的無配筋空心RPC200人行道板。長度為

1490mm,寬度分別為240mm和390mm。這兩種尺寸相互搭配可滿足

目前橋梁人行道尺寸的要求?；钚苑勰┗炷猎O(shè)計(jì)抗壓極限強(qiáng)度取為

140MPa,抗拉極限強(qiáng)度取為20MPa,彈性模量取為40GPa。由于板內(nèi)

不配置鋼筋，為安全起見，要求板在使用過程中處于彈性工作狀態(tài)，

受拉區(qū)允許開裂，取較低的容許應(yīng)力值。

5.2RPC的應(yīng)用前景

RPC結(jié)合了鋼材強(qiáng)度、韌性高和傳統(tǒng)混凝土抗火、抗

腐蝕性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)于一體。目前，它的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入到橋梁

與路面工程、建筑工程、水利工程、特種結(jié)構(gòu)多個領(lǐng)域。

(1)預(yù)制結(jié)構(gòu)產(chǎn)品領(lǐng)域

使用RPC200可以有效減小結(jié)構(gòu)自重，在具有相同抗彎

能力的前提下，RPC200結(jié)構(gòu)的重量僅為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

的1/2?1/3,幾乎與鋼結(jié)構(gòu)相近。

RPC200有較高的抗拉強(qiáng)度，同時具備由抗拉強(qiáng)度決

定的高抗剪強(qiáng)度，這就使得由RPC200材料本身在結(jié)構(gòu)中

直接承受剪力而取消構(gòu)件中的附加抗剪鋼筋成為可能，從

而在設(shè)計(jì)中能夠采用更薄以及更加新穎合理的截面形式；

加之RPC200具有極好的延性，因此可以生產(chǎn)出各種成本

降低且服務(wù)壽命提高的預(yù)制結(jié)構(gòu)產(chǎn)品來，用于市政工程中

的立交橋、過街天橋、城市輕軌高架橋等方面。

（2）預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)領(lǐng)域

RPC200預(yù)應(yīng)力受彎構(gòu)件擁有類似于鋼材的強(qiáng)重比，結(jié)構(gòu)極輕但卻

擁有很好的剛度，跨越能力進(jìn)一步增加，可替代工業(yè)廠房的鋼屋架和

高層、超高層建筑的上部鋼結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，RPC200中12mm長的鋼纖

維相對于其最大粒徑小于1mm的組分顆粒來說，發(fā)揮著普通混凝土中

鋼筋的作用，從這個角度來說，RPC200可以被看作是一種微觀鋼筋混

凝土材料。

在預(yù)應(yīng)力RPC200結(jié)構(gòu)中，外荷載作用下產(chǎn)生的主拉應(yīng)力由預(yù)應(yīng)力

抵消，而次拉應(yīng)力、剪應(yīng)力及所有的壓應(yīng)力都由RPC200材料本身直接

承擔(dān)。國外研究者分別在10m長的預(yù)應(yīng)力型梁和15m長的預(yù)應(yīng)力

“X”型梁上進(jìn)行的試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)了以上結(jié)論。

RPC200極高的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和開裂強(qiáng)度使預(yù)應(yīng)力構(gòu)件

中高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力筋的強(qiáng)度得以充分利用，使預(yù)應(yīng)力構(gòu)件受壓區(qū)無須配

置為防止在預(yù)拉應(yīng)力下發(fā)生開裂的預(yù)應(yīng)力筋，使后張法構(gòu)件的錨頭

局壓區(qū)混凝土在張拉鋼筋時不易產(chǎn)生縱向裂縫，并使錨具下的承壓

面不致發(fā)生過大的壓縮變形，可大大減少預(yù)應(yīng)力損失。隨著混凝土

自身強(qiáng)度的提高，混凝土與鋼筋的界面粘結(jié)強(qiáng)度也得以增加，故而

在RPC200先張法構(gòu)件中，預(yù)應(yīng)力的施加范圍及施加效率都比普通

混凝土先張法構(gòu)件得到極大提高。

RPC200的另一顯著特性是徐變和收縮現(xiàn)象極其微小，這使其預(yù)

應(yīng)力構(gòu)件中由于材料收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失值降至最小，而此項(xiàng)

損失又是傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件各類預(yù)應(yīng)力損失中最大的一項(xiàng)，為此極大地

提高了張拉控制應(yīng)力的工作效率。

綜上所述，可以說RPC200在預(yù)應(yīng)力領(lǐng)域中有著很好的應(yīng)用前

景。

（3）抗震結(jié)構(gòu)領(lǐng)域

RPC200可以作為一種很有前途的抗震結(jié)構(gòu)材料。這是由于更輕

的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)降低了慣性荷載，結(jié)構(gòu)構(gòu)件橫截面高度的減少允許構(gòu)件在

彈性范圍內(nèi)發(fā)生更大的變形，極高的斷裂能及高韌性使結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以

吸收更多的地震能。

框架節(jié)點(diǎn)區(qū)的剪切極限強(qiáng)度一般可作為地震作用下計(jì)算節(jié)點(diǎn)承載

能力的依據(jù)，故而若把具備高抗剪強(qiáng)度的RPC200應(yīng)用于框架節(jié)點(diǎn)，

將極大提高節(jié)點(diǎn)的抗震承載力，解決節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋過密、箍筋綁扎困難

和混凝土難以澆筑密實(shí)等問題。

(4)鋼管混凝土領(lǐng)域

無纖維RPC制成的鋼管混凝土具有極高的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和

抗沖擊韌性，用它來做高層或超高層建筑的支柱，可大幅度減少截面

尺寸，增加建筑物的使用面積與美觀。利用鋼管側(cè)限無纖維RPC,使

其在凝固前受到壓縮，夾雜其中的空氣及早期的化學(xué)收縮大都被排

除，此外在壓縮期間，某些拌合水也被擠出了拌合物，使RPC的水-

膠結(jié)料比得以降低，從而提高了密實(shí)度。此外，由于影響RPC成本的

主要因素是鋼纖維的價格(制備InP無纖維RPC的材料成本是500美

元，當(dāng)摻有鋼纖維時則為1400美元)，故無論是從力學(xué)觀點(diǎn)，還是從

經(jīng)濟(jì)角度考慮，無纖維RPC鋼管混凝土都具有很大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

(5)其它領(lǐng)域

RPC具有很高的耐磨性，可用于路面、橋面改造。研究表明，用

RPC修復(fù)已損壞的橋面，可提高橋梁的承載能力；利用RPC的超高抗

滲透性及抗拉性，可替代鋼材制造壓力管道和腐蝕性介質(zhì)的輸送管

道，用于遠(yuǎn)距離油氣輸送等，能夠解決中等口徑高強(qiáng)混凝土管輸送壓

力不夠高，大口徑鋼管價格昂貴等問題；利用RPC的高沖擊韌性與超

高抗?jié)B透性，制造中低放射性核廢料儲藏容器，不僅可降低泄漏的危

險，而且可大幅度延長使用壽命；RPC的早期強(qiáng)度發(fā)展快，后期強(qiáng)度

極高，可以替代鋼材和昂貴的有機(jī)聚合物用于補(bǔ)強(qiáng)和修補(bǔ)工程，既可

保持混凝土體系的有機(jī)整體性，還可降低工程造價。

5.3RPC在我國的應(yīng)用前景

目前，RPC的配制技術(shù)已經(jīng)成熟，國外已有工程應(yīng)用實(shí)例，我國

的混凝土工作者采用磨細(xì)粉煤灰、超細(xì)礦渣等摻合料代替硅灰，起到

了降低成本、保護(hù)環(huán)境的作用，開發(fā)了一條有中國特色的RPC應(yīng)用之

路。隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展，高層建筑和大跨結(jié)構(gòu)迅速增

加，為超高性能混凝土的應(yīng)用提供了巨大的市場。RPC具有極其優(yōu)越

的性能，不僅可用于高層建筑和大跨結(jié)構(gòu)，而且在既有橋梁及路面改

造、特種結(jié)構(gòu)工程中也具有廣闊的應(yīng)用前景。我國鋼產(chǎn)量相對于需求

量明顯不足，而每年的混凝土用量在6?7億nP以上，使用RPC,節(jié)約

鋼材，節(jié)省混凝土，可以取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

5.4RPC在研究和應(yīng)用中存在的問題

我國對RPC的研究雖然起步較晚，也取得了一定的成績。但就總

體而言，在RPC的研究和應(yīng)用上還是存在著不少的問題：

1）缺少優(yōu)質(zhì)組分。這主要表現(xiàn)在兩個方面，首先是水泥強(qiáng)度等級較

低。我國的水泥生產(chǎn)一般以32.5和42.5級為主，52.5和62.5級的水泥很

少。到20世紀(jì)90年代末，占全國水泥生產(chǎn)總量65%以上的小型水泥廠

由于受技術(shù)與設(shè)備的限制，產(chǎn)品質(zhì)量、細(xì)度無法提高。這顯然限制了

RPC強(qiáng)度的提高。其次是缺少優(yōu)質(zhì)高效減水劑。在我國，禁系減水劑

已經(jīng)使用20多年，但減水率不高，坍落度損失很快，難以滿足實(shí)際工

程需要。直到目前為止，較好的減水劑其減水率一般也只有25%左

右。而據(jù)相關(guān)報道，發(fā)達(dá)國家特別是日本研制的聚竣酸系減水劑，其

減水率高達(dá)35%。1995年以來，聚竣酸系減水劑在日本的使用量已超

過了蔡系減水劑。

2）工藝較復(fù)雜，且成本昂貴。RPC由于水膠比很低，且為提高其韌

性，需要摻入鋼纖維，所以攪拌和成型往往較普通混凝土困難。熱養(yǎng)

護(hù)有利于獲得較高的抗壓強(qiáng)度，國外研究人員在研制強(qiáng)度極高的RPC

時，其養(yǎng)護(hù)溫度達(dá)到了250?400℃。然而，限于技術(shù)水平和生產(chǎn)成本

等因素，這一方面往往容易受到忽略而限制RPC的發(fā)展。由于RPC的

基本配制原理和普通混凝土不同，造成了它對各組分及生產(chǎn)過程的要

求較高。硅粉的摻入、高效減水劑和鋼纖維的使用以及較高的成型和

養(yǎng)護(hù)條件，都提高了RPC的生產(chǎn)成本，阻礙了它的推廣和使用。所

以，尋找較廉價的摻合料來優(yōu)化替代昂貴的組分，形成工藝簡單、成

本低廉的生產(chǎn)線，仍然是今后需要改善和加強(qiáng)的方向。

3）自收縮較大。由于RPC水膠比極低，且又采用熱養(yǎng)護(hù)，自身收縮較

大，這樣對于現(xiàn)澆施工存在一定困難。國外在使用RPC時也一般在預(yù)

制廠生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件。這樣，在實(shí)際結(jié)構(gòu)工程中，RPC的應(yīng)用會受到限

制。

4）沒有完備的規(guī)范制度。一般來說，現(xiàn)行的測試手段、測試標(biāo)準(zhǔn)對高強(qiáng)

度、高性能的混凝土有很多不適應(yīng)的地方，有時候往往還會存在一定

的誤差。僅就高強(qiáng)混凝土而言，也只有《高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工

規(guī)程》可供參考。在一般的高強(qiáng)混凝土沒有建立完備的規(guī)范的前提

下，對于具有更高強(qiáng)度和性能的RPC就更加困難。

UHPC機(jī)理

-去除粗骨料，最大限度地減小缺陷尺寸

■摻加鋼纖維，增加韌性

-使用高性能減水劑，降低水膠比、優(yōu)化工作性

-高溫養(yǎng)護(hù)，促進(jìn)膠凝材料的水化反應(yīng)

實(shí)際是一種高強(qiáng)砂漿

鋼纖維砂（40-70目）

UHPC的優(yōu)點(diǎn)

以Ductal?為例，力學(xué)性能如下

性能熱處理的Ductal?-FM未經(jīng)熱處理的

和Ductal?-AFDuctal?-FO

表觀密度2500kg/m32350kg/m3

抗壓強(qiáng)度150—180MPa100—140MPa

抗折強(qiáng)度(4cmX4cmX16cm)30?40MPa15?20MPa

抗拉強(qiáng)度8MPa5MPa

殘余抗拉強(qiáng)度8MPa3MPa

楊氏彈性模量50GPa45GPa

泊松比0.20.2

收縮<10Pm/m550um/m

_________徐變系數(shù)___________________03_________0.8

熱膨脹系數(shù)11.8um/m/℃11.8um/m/℃

UHPC強(qiáng)度高，有助于降低結(jié)構(gòu)自重

RPC鋼預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筋混凝土

局(cm)37357070

寬(cm)32303560

重量(kg/ml)140112467530

單價(F/ML)450500390490

韌性好，斷裂能高

斷裂能

G(J/M2)

f鋁

105一

RPC2OO

鋼

RPC

1。4_

RPC800

韌性的閾值

103---鑄鐵

聚苯乙烯

混凝土

1。2一

陶瓷

■W水泥

101--玻璃

抗彎強(qiáng)度

100

100101102103(MPa)

沖擊試驗(yàn)

①74mm直錐變截面霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置熙片

抗沖擊性能好

?a)C60(b：RPC150(C)RPC230

比之C60自密實(shí)混凝土，RPC150和RPC230的應(yīng)力~

應(yīng)變曲線的上升段要陡，達(dá)到峰值沖壓強(qiáng)度所需的脈

沖荷載也要大得多，因此RPC材料抗沖擊荷載的能力

優(yōu)于C60自密實(shí)混凝土。

RPC和普通混凝土的沖擊試驗(yàn)結(jié)果

沖擊壓力

沖擊壓力沖擊壓力加載也變

脈沖的沖單位面積峰值強(qiáng)度峰值應(yīng)變

峰值脈寬U上的沖量速率

量MPaU￡

KNSN.ms/mm2

N.ms1/s

RPC

85108324213106743.41238.46200

150

RPC

85107424513160243.59259.87100

230

C6090942.824011313637.47108.55000

耐久性好

性能普通混凝土HSCRPC

氯離子擴(kuò)散系數(shù)

(X1012m2/s)1.10.60.02

碳化深度(mm)1020

凍融剝落量

(g/m2)>10009007

腐蝕系數(shù)4.03.81.3

UHPC在橋梁工程中的應(yīng)用

-最主要的應(yīng)用領(lǐng)域

-多用于人行橋，其結(jié)構(gòu)輕盈，類似鋼結(jié)構(gòu)

■開始試用于公路和鐵路橋

加拿大獨(dú)生brooke市用RPC建造的人行橋1997年

』蒯酶腮?翻

K/2007

左：韓國Seonyu步行橋；右：日本SakataMirai步行橋

德國Kassel市Gartnerplatz人行橋，2007年竣工

橋面采用UHPC200,厚度6—12cm,橋長120m。

I跨度達(dá)30m的UHPC雙T粱的斷面

美國Iowa州的MarsHiH橋完全采用RPC材料建造，該

橋2006年獲得美國PCI學(xué)會兩年一屆的“第十屆橋梁

競賽獎，并被譽(yù)為“未來的橋梁工

雙向帶肋的UHPC橋面板

CrossSection

鐵路橋：40m長I梁

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UHPC制品

■屋面板重量輕、造價低、隔熱隔音。

■看臺板自重小、撓度小、自振頻率較高，可以

增加觀眾的舒適度。

?配筋陽臺板、樓梯等已開始工業(yè)化生產(chǎn)。

■日本Haneda機(jī)場濱海跑道用預(yù)應(yīng)力UHPC板鋪

設(shè)，可減小板厚度、減輕恒荷載，可有效抵御

臨海腐蝕性環(huán)境的影響。

力口拿大Shawnessy火車站，2003

I大型筒倉的頂板—加拿大

Plan/24PrecastRoofPanels