活性粉末混凝土

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选择活性粉末混凝土的配置活性粉末混凝土的力学性能RPC应用和发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，简称RPC）是继无宏观缺陷水泥（简称MDF)、超细粒聚密水泥（简称DSP）、化学结合陶瓷（简称CBC）、以及高性能混凝土（简称HPC）之后，于20世纪90年代初由法国开发出的一种超高强度、高韧性、高耐久性、体积稳定性良好的新型水泥基复合材料，由于其组分中粉末含量及活性的增加而被称为活性粉末混凝土。组成：活性粉末混凝土其原料为细石英砂、水泥、磨细石英粉、硅灰、细钢纤维、高效减水剂等，取消粗集料，各级粒子尺寸范围小，而相邻级的平均粒径却相差较大。这种新型的材料根据昀大密实度理论，使各种颗粒达到昀大密实化，选取的是传统的原材料和传统的混凝土成型工艺。1.2活性粉末混凝土的特点国内外研究表明，活性粉末混凝土具有优越的力学性能和耐久性能。(l)强度高：活性粉末混凝土具有极高的抗压强度，远远超过普通混凝土及一般高性能混凝土。(2)重量轻：在具有相同抗弯能力的前提下，活性粉末混凝土结构的重量仅为钢筋混凝土结构的1/3～1/2，几乎与钢结构相近，这对减轻结构自重，增加跨越能力，发展预应力混凝土技术具有极其重要的意义。(3)塑性好：高性能混凝土与普通混凝士的极限应变值基本相等，而活性粉末混凝土的极限应变值则为高性能混凝土的2～3倍，从某种意义上讲，这比其具有极高的抗压强度更为重要。目前，国内一些高性能混凝土也已达到很高的抗压强度，但其脆性比较明显，因而成为限制其实际应用的一个主要因素，而活性粉末混凝土配制技术对我们研制高强又有良好塑性的混凝土可以提供有益的帮助。(4)密实度高：有约束的活性粉末混凝土凝结前的加压技术具有排除混凝土内部空气、降低水灰比、提高密实度从而提高混凝土强度的作用，是一项值得推广的技术。(5)耐久性好：对冻融循环、盐蚀及碳化有很强的抵抗能力，使用其可增加构件的耐久性，延长结构的使用寿命。(6)耐磨性好，可用于改造路面。(7)抗弯强度高(25～35MPa)，可减少构件内的钢筋用量。第二章活性粉末混凝土材料选择活性粉末混凝土其原料为石英砂、水泥、磨细石英粉、硅灰、细钢纤维、高效减水剂等，取消粗集料，各级粒子尺寸范围小，而相邻级的平均粒径却一般相差较大。2.1石英砂石英砂要具有很高的硬度和优良的界面性能，在活性粉末混凝土中充当主要集料的功能。其粒径范围宜控制在150μm～600μm之间,平均粒径为250μm。其矿物成分中SiO2的含量不低于99%。2.2水泥首先，水泥要与减水剂相容。从化学成分上看，C3A含量低的水泥效果较好，但粉磨得太细的水泥由于需水量大，效果并不是很好。从流变特性和力学性能看，高模量水泥效果昀好，但这种水泥具有缓凝特点，不适宜于工程应用，因此通常C3S含量的水泥即可。2.3硅灰硅灰是冶炼铁合金回收的副产品，它是灰白色球状粉末，表观密度为150～250kg/m3，比表面积20m2/g，平均粒径为0.1～0.2μm，无定形SiO2含量约为80～90%。在RPC中硅灰主要有三个作用：(1)填充不同粒径颗粒间的孔隙；(2)硅灰颗粒具有良好的球状外形，起到很好的润滑作用，从而提高流变特性；(3)硅灰具有高活性，起到第二次水化作用。选择硅灰时应考虑颗粒聚积程度、硅灰的纯度和颗粒粒径。2.4磨细石英粉对于活性粉末混凝土热处理过程来说，磨细石英粉是不可缺少的组成成分。据研究，在热养护过程中，磨细石英粉活性发挥昀大的粒径范围为5μm~25μm。在活性粉末混凝土中采用的磨细石英粉平均粒径为10μm，与水泥的粒径接近。2.5钢纤维——微细钢纤维在活性粉末混凝土中，钢纤维对基体的作用与普通纤维混凝土中的钢纤维作用相同，概括起来主要有三种:阻裂、增强和增韧。在活性粉末混凝土中本身不存在粗骨料，内部缺陷很少，如果所用钢纤维过粗过长，不仅搅拌成型困难，还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钢纤维掺量不宜太大。2.6高效减水剂在活性粉末混凝土中，由于其水胶比较之普通混凝土和一般高性能混凝土都要低，如果不掺入优质的高效减水剂，浆体的流动性将会很差，甚至造成难以振捣成型。因此，高效减水剂也是活性粉末混凝土中的重要组分。对于活性粉末混凝土而言，其显著的特点就是具备优异的力学性能。在流动性不下降的情况下，水胶比越低，活性粉末混凝土的力学性能就越好。所以，从某种意义上来说，高效减水剂性能的好坏，直接决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第三章活性粉末混凝土的配置3.1基本原则活性粉末混凝土是一种超高强度、高韧性、低孔隙率的超高性能混凝土。它的基本配制原理是通过提高组分的细度与活性，使材料内部的缺陷(孔隙与微裂缝)减小到昀少，从而获得超高强度与高耐久性。RPC所采用的原材料平均粒径在0.1pm～lmm之间，目的是尽量减少混凝土中的孔间距，从而使拌合物更加密实，RPC的制备一般可以采取以下技术措施：1.去除混凝土中粗骨料以提高基体匀质性；2.优化颗粒级配，以提高拌合物的密实度；3.成型过程中或成型后施加压力，以排除多余孔隙；4.凝固后采用热养护改善微结构；5.掺加微细钢纤维以提高韧性；6.保持搅拌和浇筑尽可能地与现有习惯的做法相接近，以利工程应用。材料的组成和选择是活性粉末混凝土的关键所在，材料的成型和养护是提高性能的要求。上述中前三个基本原则，使得配制出的基材具有高强的性能，但与普通砂浆相比，其韧性并没有得到提高。微钢纤维的掺入，大大提高了其抗拉强度，同时可以获得所要求的韧性。涉及原材料组成的措施(包括保证均质性和颗粒的密实度化)是活性粉末混凝土概念的基础，加压成型和热养护的利用对于提高力学性能比较有利。传统的混凝土是一种非均质材料，其中集料在水泥基体中形成骨架。当混凝土试件受到外加荷载或压力时，在水泥基体与集料界面处，由于应力集中，形成微裂纹。这些微裂纹的尺寸和扩展与集料的粒径有直接的关系。因此在活性粉末混凝土中，采用磨细石英砂代替粗集料，提高材料均质性，控制材料内部缺陷。同时在材料配比设计过程中，采用昀大密实理论模型，通过对材料粒径选择，使不同粒径材料达到昀大密实，并严格控制用水量。为保证水泥和活性粉末能昀大限度地水化，在养护时采用热养护，在成型过程中，为排除多余的空气，可以根据需要，进行加压成型。3.2活性粉末混凝土的配置方案选择在实际的活性粉末混凝土的配置中，可以选用以下步骤进行方案选择。1消除缺陷，选择骨料品种在普通混凝土中，水泥石和集料的弹性模量不同，当应力、温度发生变化时，水泥石和集料的变形不一致，致使界面处形成细微的裂缝。另外，在混凝土硬化前，水泥浆体中的水分向亲水的集料表面迁移，在集料的表面形成一层水膜，从而在硬化的混凝土中留下细小的缝隙；此外，浆体泌水也会在集料下表面形成水囊。因此，混凝土在承受荷载作用以前，界面处就充满了微裂缝。受到荷载作用以后，在水泥石与骨料的界面上出现剪应力和拉应力，随着应力的增长，微裂缝不断扩展并伸向水泥石，昀终导致水泥石的断裂。为了尽量减少微裂缝和孔隙等缺陷，在配制RPC时要剔除了普通混凝土中所采用的粗骨料(碎石、卵石等)，而采用昀大粒径600μm、平均粒径为250μm的细石英砂。这样的选择可以从3个方面改善活性粉末混凝土的性能：1）减小内部微裂缝宽度。混凝土受到荷载作用后，微裂缝宽度与被水泥浆包裹的颗粒直径成正比；在RPC中，骨料的直径减小了50倍,可以极大地减小由力学(外荷载)、化学(自收缩)、加热养护(由于砂浆与骨料的膨胀率不同)引起的微裂缝的宽度。2)改善水泥石的力学性能。RPC的杨氏模量超过50GPa，在其昀密实状态时可达到75GPa，水泥石和骨料的整体弹性模量稍微小于骨料的弹性模量，大大减小不均匀性的影响。3)降低骨料在总体积中所占的比例。在RPC中，水泥浆体积比砂子的孔隙要大20%左右，砂子在RPC中不能构成骨架，而只是一种被水泥浆包裹的、含有缺陷的混合物，砂子会随着水泥浆的收缩而移动，因此砂子与水泥浆之间不会产生裂缝。2采用昀大密实理论模型选择材料直径对粉末堆积的研究表明，当大小均匀的球形颗粒粉末倒入容器时，堆积密度较低。通过振动可以提高堆积密度，但即使采用昀仔细的振动方式，也不能获得很高的振实密度。为了提高堆积密度，常在较大的均一的颗粒之间加入较小的颗粒，先是直径昀大的球体堆积成昀密填充，剩下的空隙依次由小直径的球体填充下去，使球体间的空隙减小,从而达到昀大密实状态。在制备RPC时,尽量选用本级颗粒的粒径变化范围较小、而与相邻粒级的平均粒径差比较大的材料。如选用粒径范围在150-600μm之间、平均粒径为250μm的石英砂;粒径范围为80-100μm的水泥;平均粒径为0.1-0.2μm的硅灰。此外,提高密实度和抗压强度的另一种有效的途径是在新拌混凝土凝结前和凝结期间加压。通过对新拌混凝土凝结前和凝结期间加压，可以有三方面的效果（1）加压数秒就可以有效地消除或减少气孔；（2）当模板有一定渗透性时，加压数秒可将多余的水分自模板间隙中排出；（3）如果在混凝土凝结期间始终保持一定的压力，可以消除由于材料化学收缩引起的部分孔隙。3加热养护改善RPC的微观结构RPC200的热养护是在混凝土凝固后加热进行，90℃的热养护可显著加速火山灰反应，同时改善水化物的微结构，但这时候形成的水化物仍是无定形的，更高温度(250～400℃)热养护用于获得RPC800，养护使水化生成物C-S-H(水化硅酸钙)凝胶大量脱水，形成硬硅钙石结晶。4掺入微钢纤维增大RPC韧性未掺钢纤维的RPC的受压应力应变曲线呈线弹性变化，破坏时呈明显的脆性破坏，掺入钢纤维可以提高韧性和延性。RPC200中掺入钢纤维直径约为0.15mm，长度为3～12mm，体积掺量为1.5%～3.0%。对于在250℃以上温度养护的RPC800，其力学性能(抗压强度和抗拉强度)的改善是通过掺入更短(长度≤3mm)且形状不规则的钢纤维来获得。第四章活性粉末混凝土的力学性能4.1强度和韧性RPC的显著特点是它的高强度、高韧性、高耐久性。RPC抗压强度可达到200MPa甚至更高(加压及高温养护,采用3mm的超短钢纤维后其抗压强度可达800MPa),是高性能混凝土的2～3倍；抗拉强度可达到50MPa左右,是高性能混凝土的5倍。弹性模量达50GPa以上，比高性能混凝土高得多；断裂能达20000～40000J/m2,而普通混凝土的断裂能只有130J/m2。可见RPC具有优良的韧性和力学特性，高性能混凝土(HSC)及普通混凝土(NC)的比较见表2。项目RPC800RPC200HSCNC抗压强度(N/mm2)490~680170~23060~10020~40抗弯强度(N/mm2)45~10225~606~101.5~2.5破坏能量(kJ/m2)1.2~2.015~40140120~130弹性模量(GPa)63~7462~6630~4025~33表2RPC、HSC、NC的力学特性比较4.2耐久性RPC中的空隙量极小,使得空气渗透系数低,水分吸收特性值小,因而具有超高的耐久性。表3中比较了RPC、HSC、NC的主要耐久性指标,可见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。性能RPCHSCNC空气渗透系数/10-182.5120140水分吸收特性/kg.m-30.20.42.7氯离子扩散/10-12m2·s-10.020.61.1冻融剥落/g.cm-279001000碳化深度/mm0210磨耗系数1.32.84.0表2RPC、HSC、NC的耐久性比较4.3变形性能从图1几种混凝土的应力—应变曲线可以看出，掺钢纤维的RPC受压构件的变形性能、强度要远远优于普通混凝土(NSC)、高性能混凝土(HPC)。图1RPC与NSC、HPC应力一应变曲线4.4徐变性能RPC的徐变减少到普通混凝