活性粉末混凝土研究：一項(xiàng)超高強(qiáng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)
2005-03-23 00:00
活性粉末混凝土（RPC）是一種正在開(kāi)發(fā)中的復(fù)合材料，它將使混凝土產(chǎn)業(yè)最優(yōu)化地使用材料，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，并建造出堅(jiān)固、耐久和對(duì)環(huán)境高度敏感的結(jié)構(gòu)。一項(xiàng)把活性粉末混凝土和高性能混凝土（HPC）物理、力學(xué)和耐久性進(jìn)行對(duì)比的研究顯示：RPC具有比HPC更高的強(qiáng)度（包括抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度）和更低的滲透性。
本文回顧了現(xiàn)有的有關(guān)RPC的文獻(xiàn)資料，提供了把RPC和HPC進(jìn)行對(duì)比研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且闡述了RPC的特殊優(yōu)點(diǎn)，及其潛在的應(yīng)用。
HPC不僅僅是一種由水泥、水和集料組成的簡(jiǎn)單混合料。通常，它包含一些性能特殊的礦物組分和化學(xué)外加劑，從而使混凝土獲得許多特殊的性能。HPC的開(kāi)發(fā)研究，具體實(shí)現(xiàn)了一種全新的混凝土科學(xué)、全新的外加劑科學(xué)和使用先進(jìn)設(shè)備對(duì)混凝土微結(jié)構(gòu)進(jìn)行的檢測(cè)技術(shù)。
HPC實(shí)現(xiàn)的最高抗壓強(qiáng)度范圍為：120—150MPa。但是，這種等級(jí)強(qiáng)度的混凝土，粗集料已成為其最薄弱的環(huán)節(jié)。為了進(jìn)一步提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，只有把粗集料從其組分中去除，這種思路已被應(yīng)用于當(dāng)今眾所周知的RPC。
RPC是九十年代初在法國(guó)開(kāi)發(fā)成功的。1997年，在加拿大建成的Sherbrooke大橋，是全球首個(gè)RPC結(jié)構(gòu)。RPC是一種超高強(qiáng)和高韌性的膠凝復(fù)合材料，具有先進(jìn)的力學(xué)和物理性能。它組成的特殊混凝土，通過(guò)對(duì)其拌合物所有顆粒的精確級(jí)配優(yōu)化，使其微結(jié)構(gòu)獲得最高的密實(shí)度。它廣泛使用高細(xì)度硅灰的火山灰活性，并對(duì)波特蘭水泥化學(xué)進(jìn)行優(yōu)化，使其產(chǎn)生強(qiáng)度最高的水化產(chǎn)物。
RPC的理念，首先是由P. Richard 和M. Cheyrezy 開(kāi)發(fā)出來(lái)的，并首次在九十年代初，由法國(guó)Bouygues（布依格公司）實(shí)驗(yàn)室的研究人員將其付諸實(shí)施。RPC的現(xiàn)場(chǎng)使用，是用在加拿大魁北克省Sherbrooke市的Sherbrooke大橋橋面人行走道和自行車(chē)車(chē)道。1999年的建筑創(chuàng)新論壇上，RPC被提名為Nova獎(jiǎng)。由于RPC具有良好的抗?jié)B透性能，在歐洲已被成功應(yīng)用于核廢料的隔離和密封。要求用于印度核電廠核廢料密封結(jié)構(gòu)的HPC，應(yīng)具有中等抗壓強(qiáng)度、中等彈性值、均勻的密實(shí)度、良好的工作性和高耐久性。因此，有必要對(duì)RPC的有關(guān)強(qiáng)度和耐久性進(jìn)行評(píng)估，以便建議采用RPC作為印度核廢料的密封結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)研究就是旨在開(kāi)發(fā)出一種能適用于核廢料密封結(jié)構(gòu)的，并具有先進(jìn)材料性能的RPC基本配合比設(shè)計(jì)。
RPC的基本組成
RPC是由高細(xì)度的微粉材料（水泥、砂、石英粉和硅灰）、綱纖維（任選的）和外加劑組合而成的。最佳的外加劑用量，可降低水膠比（W/B），并改善混凝土的工作性。通過(guò)對(duì)干微粉顆粒堆積的優(yōu)化，可獲得一種非常密實(shí)的基體材料，其密實(shí)度可以使RPC具有超高強(qiáng)度和超高耐久性，RPC的抗壓強(qiáng)度范圍為200-800MPa。
Richard 和Cheyrezy 列出了以下開(kāi)發(fā)研究RPC的原則：
i． 為提高勻質(zhì)性，去除粗集料；
ii． 利用具有火山灰活性的硅灰；
iii．為提高密實(shí)度，需優(yōu)化顆粒的混合級(jí)配；
iv．為降低水灰比，又提高工作性，需優(yōu)化外加劑的應(yīng)用；
v． 施加壓力（凝結(jié)前和凝結(jié)過(guò)程中），提高密實(shí)度；
vi．為提高微結(jié)構(gòu)的性能，需采用凝結(jié)后加熱處理（養(yǎng)護(hù)）；
vii．摻加微綱纖維，提高韌性。
RPC的初步配合比設(shè)計(jì)，涉及到創(chuàng)建一個(gè)致密的顆粒狀構(gòu)架。顆粒配合比設(shè)計(jì)的優(yōu)化，可以通過(guò)使用堆積模型或顆粒尺寸分布軟件，諸如LISA得以實(shí)現(xiàn)。目前，已有一種推薦使用的實(shí)驗(yàn)性方法，進(jìn)行RPC的配合比設(shè)計(jì)。
決定RPC拌合物質(zhì)量的主要參數(shù)是需水量（獲得最低混凝土流動(dòng)性的用水量）。事實(shí)上，拌合物的孔隙指數(shù)與需水量和混凝土中的氣泡量有關(guān)。根據(jù)最低需水量選定一種配合比設(shè)計(jì)后，就可以通過(guò)采用相對(duì)密度指數(shù)（do/ds），分析出最佳用水量。這里do和ds分別代表混凝土的密實(shí)度和經(jīng)搗實(shí)的拌合物（無(wú)水或空氣）的密實(shí)度。相對(duì)密實(shí)度顯示了混凝土的堆積程度，其最高值是1。就RPC而言，其配合比設(shè)計(jì)應(yīng)使其堆積密實(shí)度達(dá)到最高。
RPC需通過(guò)熱養(yǎng)護(hù)，來(lái)提高其微結(jié)構(gòu)的性能。而熱養(yǎng)護(hù)也只是簡(jiǎn)單地在其達(dá)到正常凝結(jié)后，在常壓下對(duì)混凝土進(jìn)行加熱（一般溫度是90oC）。這種養(yǎng)護(hù)會(huì)大大加速火山灰活性反應(yīng)，從而改善所形成的水化產(chǎn)物的微結(jié)構(gòu)。凝結(jié)前的加壓，也是建議采用的一種獲得高強(qiáng)的手段。
RPC的高強(qiáng)，會(huì)使其變得非常脆。一般來(lái)說(shuō)，在RPC中摻加綱質(zhì)微纖維，可提高其韌性。 常用的標(biāo)準(zhǔn)直綱纖維長(zhǎng)13mm，直徑0.15mm，摻加率為體積的1.5-3%。最經(jīng)濟(jì)的摻量為體積的2%，約155kg/m3。
RPC的力學(xué)性能和耐久性
RPC包括兩種系列的混凝土，即RPC200系列和RPC800系列。在其不同的領(lǐng)域內(nèi)，分別能提供令人倍感興趣的潛在用途。如果摻加綱纖維，可使RPC具有很高的抗彎強(qiáng)度。
以材料的單位體積在斷裂時(shí)，吸收的能量為測(cè)量單位的斷裂韌性而言，由于RPC的斷裂韌性較高，因此，RPC表現(xiàn)出很高的韌性。除了它特殊的力學(xué)特性外，RPC還具有超高密實(shí)度的微結(jié)構(gòu)，其良好的防水和耐久性特征也很突出。因此，可用于工業(yè)和核廢料儲(chǔ)存設(shè)施。
由于RPC具有特低的孔隙率、滲透性、有限的收縮和強(qiáng)抗腐蝕性，因此，它具有超高的耐久性。與HPC相比，幾乎無(wú)液體或氣體能穿透RPC。它既可用在有化學(xué)侵蝕性的環(huán)境中，也可用在其他混凝土的使用壽命受到極大限制的物理磨損環(huán)境中。
RPC的局限性
在典型的RPC配合比設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)混凝土中最廉價(jià)的組分基本被去除，代之以最昂貴的材料。就材料的規(guī)格尺寸而言，用于RPC的細(xì)砂相當(dāng)于傳統(tǒng)混凝土中的粗集料，波特蘭水泥起到了細(xì)集料的作用，而硅灰則起到了水泥的作用。僅就優(yōu)化的礦物組分而言，就使其成本比傳統(tǒng)混凝土大增（約比HPC增加5-10倍）。RPC可應(yīng)用于能大大節(jié)省結(jié)構(gòu)重量的領(lǐng)域，以及應(yīng)用于某些顯著的材料特性能得以充分利用的場(chǎng)合。由于RPC高耐久性，它甚至可以取代那些使用受壓綱結(jié)構(gòu)的耐久性有風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)用領(lǐng)域（如海洋環(huán)境中）。由于RPC還處于剛開(kāi)發(fā)的起步期，因此，其長(zhǎng)期性能還是個(gè)未知數(shù)，有待進(jìn)一步驗(yàn)證。
實(shí)驗(yàn)性調(diào)查研究
RPC和HPC的配合比設(shè)計(jì)
RPC和HPC的配合比選擇過(guò)程如下：
準(zhǔn)備了大量的試驗(yàn)性配合比，以便獲得良好的RPC和HPC的配合比設(shè)計(jì)
采用顆粒規(guī)格優(yōu)化軟件LISA，配制RPC和HPC試驗(yàn)性拌合物
根據(jù)對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料的研究，獲得各種配合比設(shè)計(jì)的拌合物
以良好的工作性和理想的攪拌時(shí)間為依據(jù)，選擇最佳的配合比設(shè)計(jì)
最終的RPC和HPC配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)下表。
RPC 和 HPC的配合比
|
材 料 |
配 合 比 | |||
|
|
RPC |
RPC-F* |
HPC |
HPC-F** |
|
水泥 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
|
硅灰 |
0.25 |
0.25 |
0.12 |
0.12 |
|
石英粉 |
0.31 |
0.31 |
- |
- |
|
標(biāo)準(zhǔn)2級(jí)砂 |
0.581.09 |
1.09 |
- |
- |
|
標(biāo)準(zhǔn)3級(jí)砂 |
0.58 |
0.58 |
- |
- |
|
河砂 |
- |
- |
2.40 |
2.40 |
|
20mm集料 |
- |
- |
1.40 |
1.40 |
|
10mm集料 |
- |
- |
1.50 |
1.50 |
|
30mm鋼纖維 |
- |
0.2 |
- |
- |
|
36mm鋼纖維 |
- |
- |
- |
0.20 |
|
外加劑（聚丙烯酸基型） |
0.03 |
0.03 |
0.023 |
0.023 |
|
水 |
0.25 |
0.25 |
0.4 |
0.4 |
* 纖維RPC ** 纖維HPC
需對(duì)新拌混凝土拌合物的工作性和密實(shí)度進(jìn)行記錄。有些RPC試件凝結(jié)后，采用在水溫為90oC的水池中進(jìn)行熱養(yǎng)護(hù)，直至進(jìn)行測(cè)試。一般的RPC和HPC試件，則在室溫下的水池中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。
根據(jù)以下參數(shù)，對(duì)RPC和HPC的性能進(jìn)行了全程監(jiān)測(cè)。
抗壓強(qiáng)度 （根據(jù)IS516 RPC為5cm立方體試塊，HPC為10 cm立方體試塊）
抗壓強(qiáng)度 (根據(jù)IS516 RPC為4×4×16cm棱柱體試件，HPC為10×10×50cm小梁試件）
吸水性（均采用15cm立方體試塊，按BS1881-122-1983標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試）
采用德國(guó)儀器進(jìn)行的非破損滲水性試驗(yàn)（均采用15cm立方體試塊）
抗氯離子滲透試驗(yàn)（按ASTM1202標(biāo)準(zhǔn)，均在直徑10cm，高5cm的圓盤(pán)上進(jìn)行測(cè)試）
試驗(yàn)結(jié)果
新拌混凝土性能
根據(jù)ASTM C109砂漿流動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，測(cè)得的RPC拌合物的工作性（含或不含纖維）范圍為：120-140%。而根據(jù)ASTM C231坍落度試驗(yàn)，測(cè)得的HPC拌合物的工作性（含或不含纖維）范圍為：120-150-mm，新拌RPC和HPC拌合物的密實(shí)度范圍為：2500-2650kg/m3。
抗壓強(qiáng)度
通過(guò)對(duì)抗壓強(qiáng)度的研究分析顯示： RPC的抗壓強(qiáng)度比HPC的高。RPC的早期抗壓強(qiáng)度也很高。抗壓強(qiáng)度是一種材料耐久性的影響因數(shù)之一。
本項(xiàng)研究獲得的RPC的最高抗壓強(qiáng)度為200MPa。HPC的抗壓強(qiáng)度為75MPa。摻加纖維和使用熱養(yǎng)護(hù)，可提高RPC的抗壓強(qiáng)度30-50%，而摻加纖維的HPC，其抗壓強(qiáng)度沒(méi)有受到很大的影響。
抗彎強(qiáng)度
素RPC具有的抗壓強(qiáng)度一般也要比HPC的高。摻加綱纖維的RPC，其抗彎強(qiáng)度的增加，遠(yuǎn)比HPC的高。
根據(jù)文獻(xiàn)資料，RPC200的抗彎強(qiáng)度可達(dá)到近40MPa，而本項(xiàng)研究獲得的抗彎強(qiáng)度較低，原因可能是所用的纖維（30mm）較長(zhǎng)，而且直徑也相對(duì)較大。纖維增強(qiáng)RPC（適當(dāng)?shù)睦w維種類(lèi)），也具有應(yīng)用在不增加任何鋼筋的結(jié)構(gòu)中的潛力。這種鋼筋成本的降低，在某種程度上，可以補(bǔ)償因去除粗集料而增加的材料成本。
吸水性
RPC和HPC在吸水性方面的對(duì)比，無(wú)論RPC還是HPC，都有常見(jiàn)的隨齡期增長(zhǎng)而吸水性降低的趨勢(shì)。但是，RPC吸水率與HPC相比是非常低的。RPC的這種質(zhì)量，是作為核廢料密封材料所需的重要性能之一。
摻加纖維和采用熱養(yǎng)護(hù)，一定程度上會(huì)增加吸水性。纖維的存在可能在纖維與水泥之間界面上產(chǎn)生通道，增加水的吸入。另一方面，熱養(yǎng)護(hù)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生一個(gè)更開(kāi)放的微結(jié)構(gòu)（與常規(guī)養(yǎng)護(hù)相比），從而增加吸水性。
滲水性
采用德國(guó)儀器設(shè)備進(jìn)行的滲水性非破損評(píng)估，實(shí)際上只測(cè)出表面的滲透性，而不像采用常規(guī)測(cè)試方法，測(cè)出的是整體滲透性。
根據(jù)數(shù)據(jù)資料可以看出，所有RPC和HPC，都會(huì)隨著齡期的增加而使甚滲水性降低。與HPC相比，RPC8天時(shí)的滲水性，幾乎可以忽略不計(jì)，比HPC低7倍。在吸水性方面，只要使用了纖維，兩種混凝土的表面滲透性都會(huì)增加。
氯離子滲透
表10提供了經(jīng)28天養(yǎng)護(hù)后，通過(guò)快速氯離子滲透試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果。該數(shù)據(jù)資料表明，當(dāng)對(duì)混凝土進(jìn)行熱養(yǎng)護(hù)時(shí)，氯離子滲透會(huì)增加。與其他混凝土相比，通過(guò)常規(guī)養(yǎng)護(hù)的RPC，其總電荷可以忽略不計(jì)。雖然采用熱養(yǎng)護(hù)的RPC，與采用常規(guī)養(yǎng)護(hù)的RPC相比，總電荷值有所增加，但就絕對(duì)值而言，仍是相當(dāng)?shù)偷?，甚至可以忽略不?jì)（〈100庫(kù)侖）。RPC的這種抗氯離子滲透性能，使其適用于做核廢料密封結(jié)構(gòu)。
這些數(shù)據(jù)資料也進(jìn)一步表明，摻加綱纖維會(huì)增加滲透性，原因可能是增加了混凝土的導(dǎo)電性。HPC也顯示出非常低的離子滲透性，但還是比RPC稍高些。
結(jié)論
RPC是一種新興技術(shù)的產(chǎn)物。它將開(kāi)拓出一個(gè)嶄新的可稱(chēng)之謂“高性能混凝土”的領(lǐng)域。由于它具有比HPC更優(yōu)的力學(xué)和耐久性性能，它在建筑業(yè)中具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ踔猎谀承?yīng)用領(lǐng)域，可取代鋼材。
RPC的研究工作是基于某些基本原理的應(yīng)用，從而獲得了高勻質(zhì)性和高密實(shí)度，非常良好的工作性和微結(jié)構(gòu)，以及高耐久性。RPC所具有超密實(shí)的微結(jié)構(gòu)，使其具有良好的防水和耐久特性，因此，可合理地被選用于工業(yè)和核廢料儲(chǔ)存設(shè)施。
本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)性研究，把RPC 和HPC進(jìn)行了對(duì)比，并得出了如下的結(jié)論：
本項(xiàng)RPC研究獲得的最高抗壓強(qiáng)度為198PMa，屬RPC200系列，其強(qiáng)度范圍在175-200PMa之間。
所獲得的最高抗彎強(qiáng)度為22MPa，比文獻(xiàn)提供的值40MPa低，原因可能是本項(xiàng)研究所用的纖維長(zhǎng)度和直徑較大所致。
對(duì)RPC 和HPC的物理、力學(xué)和耐久性性能進(jìn)行的對(duì)比測(cè)試顯示：RPC的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度都比HPC的高，而滲透性則更低。
極低的滲水性和氯離子滲透性表明，RPC具有可用于儲(chǔ)存核廢料的優(yōu)質(zhì)材料的潛力。但是，RPC對(duì)來(lái)自核電廠重金屬和其他有毒廢料（諸如在堿介質(zhì)中的銫137離子）的放射性的抗?jié)B透性，還有待進(jìn)一步研究，以確定其用在核廢料密封結(jié)構(gòu)中是否合格。
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