活性粉末混凝土

-PAGE.z.一、调研的背景：活性粉末混凝土〔ReactivePowderConcrete，简称RPC〕是继高强〔High-strengthconcrete〕、高性能混凝土〔HighPerformanceConcrete，简称HPC〕后，于90年代初期开发出的一种新型水泥基复合材料，具有超高强度、高韧性、高耐久性、收缩*变小、体积稳定性良好等优越性能。它是DSP〔Densifiedsystemcontainingultra-fineParticles〕材料与纤维增强材料相复合的高技术混凝土，即以水泥、细石英砂、硅灰、磨细石英粉组成基材，以钢纤维为增强材，在高效减水剂配合下配置而成，然后经高温、加压养护成型。活性粉末混凝土根据其抗压强度分为两个等级：RPC200和RPC800，前者抗压强度为170MP-230MP；后者达490MP-810MP。作为一种新型水泥基材料，活性粉末混凝土的产生是混凝土技术不断开展前进的必然结果。回忆混凝土的开展历程，可以加深对活性粉末混凝土的认识和理解。混凝土以其原料丰富、造价低廉、制作简单、造型方便、稳固耐久、耐火抗震、维护费低等诸多优点，而被广泛应用于土木工程各领域，成为目前使用量最大的建筑材料，全世界年消耗量达45亿吨，而且在未来一段时期内还将继续增长。自1824年硅酸盐水泥问世并出现混凝土、尤其是钢筋混凝土以来，混凝土作为一种革命性的建筑材料，在房屋建筑、桥梁、地下构造等诸多领域发挥了重要的作用，为人类做出了巨大奉献。但直到20世纪70年代，在工程中实际使用的混凝土最高强度还只有34.2MPa，低于木材抗压强度〔50MPa〕。随着土木工程的不断开展，大量新型、大跨度、超高层、轻型化、高抗渗要求等构造的出现，对混凝土的要求、尤其是强度要求也不断提高。继普通混凝土之后，高性能混凝土又是一项重大进步。20世纪70年代之后，随着高效减水剂的出现和广泛应用，相继出现了无宏观缺陷水泥〔MDF〕、超细粒聚密水泥〔DSP〕、化学结合陶瓷〔CBC〕等超高强水泥基材料，由于高效减水剂使得获得同等和易性混凝土的需水量大幅度减少，水灰比下降，混凝土抗压强度也提高至100MP。但超高强度的出现，同时也伴随着高脆性、自收缩严重、抗冲击性能差、制作工艺复杂、生产本钱高等问题，严重限制了超高强混凝土的应用。目前，国际上较为通用的配制超高强混凝土〔≥100MPa〕的技术为“硅酸盐水泥＋硅灰＋高效减水剂〞，但高强混凝土〔HSC〕抗弯拉强度仍然不高，必须通过配筋来增强，而大量配筋又带来施工浇注的困难，同时增加工程本钱。此外，由于混凝土收缩变形受钢筋约束还会引起收缩应力，导致构造开裂，减小构件截面面积，降低构造承载能力，同时加速钢筋锈蚀，对耐久性产生不利影响。而且，在高强混凝土中，粗骨料与浆体的界面薄弱区形成的缺陷也造成了混凝土强度和耐久性的降低。正是上述各项缺陷，成了高强度混凝土在工程应用中的瓶颈。根据1995年全国公路合作研究 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的调查结果，约有10万座桥梁的桥面板，在混凝土浇筑后一个月内就出现了间隔1～3mm的贯穿性裂缝，致使构造承载力大幅度下降，直接影响工程平安。高强混凝土在早期的弹性模量随强度升高而增大，同时变形受约束产生的应力松驰作用〔*变〕减小，因此导致它比中低强度的混凝土更易开裂。因此，许多学者在改善混凝土性能、开发其功能等方面进展了大量的研究工作，虽然取得了不少改进性成果，但仍未出现具有革命性的新型混凝土。针对以上问题，1993年，法国BOUYGUES公司率先研制出一种具有超高强度、高韧性、高耐久性、收缩*变小、体积稳定性良好等优越性能的新型水泥基复合材料，由于增加了组分的细度〔组分中剔除了粗骨料，以水泥、细石英砂、硅灰、磨细石英粉组成基材〕和反响活性〔活性硅灰与水泥水化产物发生二次水化，在微观上提高材料构造密实度〕，因此它被称为活性粉末混凝土〔ReactivePowderConcrete，简称为RPC〕。1998年8月，在加拿大召开的高性能混凝土及活性粉末混凝土国际研讨会上，就RPC的原理、性能和应用进展了广泛而深入的讨论。与会专家一致认为：作为一类新型混凝土，RPC具有广阔的应用前景。二、调研方案：调研方案分为三局部：一是对制备活性粉末混凝土的资料的收集。二是对实验设备的准备。三是对实验材料所需的细沙，水泥，及掺加剂的准备调研。三、调研点根本情况：**建筑大学实验室将实验所需的材料准备完成，其中有普通硅酸盐水泥(42.5P.O)，河沙，硅灰，粉煤灰，石英粉，矿粉，减水剂和钢纤维等。河沙由于粒径太大，我们用0.6mm的砂子筛去筛取粒径小于等于0.6mm的砂子，并把砂子清洗干净后晾干后用来做实验。四、调研所获资料和信息：1.RPC材料的设计思想及制备原理.RPC是一种高强度、高韧性、低孔隙率的超高性能混凝土。它的根本配制原理是：使材料含有的微裂缝和孔隙等缺陷最少，就可以获得由其组成材料所决定的最大承载能力，并具有特别好的耐久性。根据这个原理，RPC所采用的原材料平均颗粒尺寸在0.1μm到1mm之间，目的是尽量减小混凝土中的孔间距，从而使拌合物更加密实。RPC的制备采取了以下措施：〔1〕去除粗骨料以提高匀质性，骨料主要采用粒径在0.1mm左右的细石英砂；〔2〕优化颗粒级配，并且在凝固前和凝固期间加压，尽量排除拌合物中残存的空气，以提高拌合物的密实度；〔3〕凝固后采用90℃以上热水养护，促发二次水化作用，改善微构造，以获得更加致密的混凝土；〔4〕掺入微细的钢纤维以提高韧性。应用前三条措施制备的基质具有很高的抗压强度，但是其韧性并不比普通的砂浆高很多。掺入钢纤维后明显提高了抗弯拉强度，同时可以获得所需要的高韧性和延性。1.1匀质性提高　　普通混凝土是一种在力学上〔骨料和砂浆弹性模量的差异〕、物理上〔硬化砂浆和骨料的线膨胀系数的差异〕、化学上〔化学收缩性质的差异〕都不匀质的材料。RPC通过以下的手段来减小非匀质性：〔1〕去除粗骨料，而用细砂代替。RPC与HSC的最大粒径比为：φma*(RPC)／φma*(HSC)＝1／50～1／30；〔2〕水泥砂浆的力学性能提高。RPC与HSC的骨料与水化水泥浆体的杨氏弹模之比为：HSC：Ea／Ep≈3.0，RPC：Ea／Ep＝1.0～1.4；〔3〕消除了骨料与水泥浆体的界面过渡区。1.2堆积密度增大RPC由细石英砂、水泥、硅粉、硅尘或沉淀硅等颗粒混合物组成。通过以下方法来优化RPC的颗粒级配：〔1〕由不同粒级组成的混合物在每一粒级中有严格的粒级范围；〔2〕对于相邻的粒级选择高的平均粒径比；〔3〕研究水泥－高效减水剂的相容性，并通过流变学分析决定最正确掺量；〔4〕优化搅拌条件；〔5〕通过流变学和优化相对密度来决定需水量。提高密实度和抗压强度的一个有效的方法是在新拌混凝土的凝结前和凝结期间加压。这一措施有三方面的益处：其一，加压数秒就可以消除或有效地减少气孔；其二，在 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有一定渗透性时，加压数秒可将多余水分自模板间隙排出；其三，如果在混凝土凝结期间〔通常为拌和后6～12h〕始终保持一定的压力，可以消除由于材料的化学收缩引起的局部孔隙。1.3通过凝固后热养护改善微构造　　根据组分和制备条件不同，RPC分为RPC200和RPC800两个等级，其中RPC200抗压强度达170～230MPa，而RPC800达500～800MPa。RPC200研究较多并已经应用到实际工程中，RPC800还处于试验室试配阶段。　　RPC200的热养护是在混凝土凝固后进展加热，90℃的热养护可显著加速火山灰反响，同时改善水化物形成的微构造，但这时候形成的水化物仍是无定形的；更高温度〔250～400℃〕的热养护用于获得RPC800，养护使水化生成物C－S－H凝胶体大量脱水，形成硬硅钙石结晶。通过热养护引发二次水化作用，使RPC在微构造层次上获得更高的致密性。1.4掺钢纤维增加韧性　　未掺钢纤维的RPC呈线弹性，断裂能低，为了进一步提高其韧性，必须掺入微细的钢纤维。RPC200中掺的纤维长度为3～13mm，直径约0.15～0.20mm，体积掺量为1.5％～3％。　　对于在250℃以上养护的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的〔≤3mm〕且形状不规则的钢纤维来获得的。这时，抗压强度、抗弯拉强度大幅度提高。2.RPC原材料选择活性粉末混凝土的优越性能主要得益于组成材料和养护条件。在材料选择上主要包括以下几种：(1)细石英砂；(2)水泥；(3)磨细石英粉；(4)硅灰；(5)高效减水剂。对韧性有要求时，还需掺入钢纤维。2.1细石英砂石英砂由于其具有很高的硬度和优良的界面性能，同时易于采取并且价格低廉，在活性粉末混凝土中主要充当集料的功能，故在选择细石英砂时，主要考虑其矿物成分、平均粒径、颗粒形状和其在混凝土中占有的比例。依据最大密实理论模型。在活性粉末混凝土中，仅次于细石英砂粒径的是水泥，其颗粒粒径范围为80～100μm，为防止与水泥颗粒粒径冲突。其平均粒径应选择为250μm左右，粒径范围限制在150μm-600μm之间，颗粒的形状应选择为球形，石英砂矿物成分中，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，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，高硅模量水泥效果最好，但这种水泥缓凝作用严重，不适宜于工程应用，因此通常含量高的水泥即可适于RPC混凝土的配制。2.3硅灰在活性粉末混凝土中，硅灰主要有三个作用：(1)填充不同粒径颗粒间的孔隙；(2)由于硅灰顾粒具有良好的球形，起到很好的润滑作用，从而提高流咬特性；(3)硅灰具有高活性，起到第二次水化作用。因此选择硅灰时应考虑以下几个参数：颗粒聚积程度、硅灰的纯度和颗粒粒径。通常，在活性粉末混凝土中，硅灰与水泥的比例为0．25。这样，硅灰能发挥最正确的填充作用，同时能最大限度地与水泥水化产物进展第二次水化反响。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最大的粒径范围为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。这与水泥的粒径接近。另外，在活性粉末混凝土中，为提高其延性和韧性。需要掺入钢纤维，其直径约为0．15mm，体积掺量为1．5％-3．0％，从经济角度考虑，选择2．0％较佳。2.5高效减水剂高效减水剂属于有机化学材料，根据其发挥减水性的主要成分，可把高性能减水剂分为改性木质素系、萘系、密胺系、氨基磺酸系、聚羧酸系等五大类。在我国．萘系高效减水剂应用大约有20多年历史，它主要成分为萘磺酸盐甲醛缩合物，但由于减水率不太高，混凝士塌落度损失过快，难以满足实际施工要求，而复合产品质量不稳定。往往影响到混凝土的凝结硬化和耐久性；另外，萘系产品的原料日益缺乏，价格上涨，急需研制非萘系减水剂。目前，我国研究聚羧酸系减水剂尚处于起步阶段。五、调研发现的问题：虽然RPC的研制与应用在国际国内都已有先例，但从原材料制备到应用、从RPC的性能到机理，仍存在许多问题需要进一步研究和探讨。〔1〕没有完备的标准制度。一般来说，现行的测试手段、测试标准对高强度、高性能的混凝土有很多不适应的地方，有时候往往还会存在一定的误差。仅就高强混凝土而言，也只有CECS：98"高强混凝土构造设计与施工规程"可供参考。在一般的高强混凝土没有建立完备的标准的前提下，对于具有更高强度和性能的RPC就更不用说了。〔2〕RPC作为一种新型混凝土材料，最根本的力学性能——受压、受拉应力-应变关系和本构模型均未定论，也未能有一套关于RPC构造的设计规程或设计准则，这为RPC材料在各种大型构造中的应用造成一定困难。因此，本构关系研究迫在眉睫。〔3〕国内外近年来对RPC材料的根本特性的研究工作集中在高效减水剂与硅粉等高活性掺合料复合，降低水胶比，提高根本硬化密度，同时掺加钢纤维提高抗弯强度，获得所需要的高强度、高韧性和延性方面，对RPC材料高性能产生的机理等方面缺乏系统的研究。关于RPC材料细观机理与宏观变形、断裂能与断裂韧性及破坏行为的研究也有待深入展开。〔4〕混凝土的变形会对混凝土构造和性能造成不良的影响，而影响混凝土收缩和*变的因素很多，机理也很复杂，对RPC材料的收缩和*变特点需进一步深入研究。〔5〕自收缩较大。由于RPC水胶比较低，且又采用热养护，自身收缩较大，这样对于现浇施工存在一定困难。国外在使用RPC时也一般在预制厂生产预制构件。这样，在实际的构造工程中，RPC的运用会受到限制。〔6〕本钱昂贵。硅粉的掺入、高效减水剂和钢纤维的使用以及较高的成型和养护条件，都提高了RPC的生产本钱，阻碍了它的推广和使用。所以，寻找较廉价的掺料来优化替代昂贵的组分，形成工艺简单、本钱低廉的生产线，仍然是今后需要改善和加强的方向。六、调研对论文研究的启示：RPC作为高技术混凝土，其性能同普通混凝土、现有的高性能混凝土相比有了质的飞跃，且在经济性和环保方面优于钢材。〔1〕利用RPC的超高强度与高韧性，在不需要配筋或少量配筋的情况下，能生产薄壁制品〔如屋面板、桥面板〕、细长构件〔如桥梁和工业厂房的桁架、梁、采矿井架等〕和其他新颖构造形式的构件，故可替代工业厂房的钢屋架和高层、超高层建筑的上部钢构造，进入现有高强混凝土所不能进入的应用领域，可大幅度降低工程造价。此外，用其制作的预制构件用于市政工程中的立交桥、行人过街天桥、城市轻轨高架桥、交通工程中的大跨度桥梁等，可增加桥下净空间、缩短引桥长度、降低建立本钱和缩短工期。用无纤维活性粉末混凝土制成的钢管混凝土，具有极高的抗压强度、弹性模量和抗冲击韧性，用它来做高层或超高层建筑的支柱，可大幅度降低截面尺寸，增加建筑物的使用面积与美观。〔2〕利用RPC的超高抗渗性与抗拉性能，可替代钢材制造压力管道和腐蚀性介质的输送管道，用于远距离油气输送、城市远距离大管径输水、城市下水及腐蚀性液气体的输送，不仅可大大降低造价，而且可明显地提高管道的抗腐蚀性能，解决目前远距离油气输送所采用的中等口径高强混凝土管输送压力不够高，大口径钢管价格昂贵等问题。〔3〕利用RPC的超高抗渗性与高冲击韧性，制造中低放射性核废料储藏容器，不仅可大幅度降低泄漏的危险，而且可大幅度延长使用寿命。〔4〕RPC的早期强度开展快，后期强度极高，用于补强和修补工程中可替代钢材和昂贵的有机聚合物，既可保持混凝土体系的有机整体性，还可降低工程造价。〔5〕RPC的高密实性与良好的工作性能，使其与模板相接触的外表具有很高的光洁度，外界的有害介质很难侵入到RPC中去，而且RPC中的着色剂等组分也不易向外析出，利用这一特点可作建筑物的外装饰材料。通过此次的调研对完成论文起到至关重要的作用，对此次实验所制备的活性粉末混凝土的应用有了深刻的了解，同时活性粉末混凝土在我国市场有很大的开展空间。