活性粉末混凝土研究：一項超高強技術的開發(fā)

活性粉末混凝土是一種正在開發(fā)中的復合材料，它將使混凝土產(chǎn)業(yè)最優(yōu)化地使用材料，產(chǎn)生經(jīng)濟效益，并建造出堅固、耐久和對環(huán)境高度敏感的結構。一項把活性粉末混凝土和高性能混凝土物理、力學和耐久性進行對比的研究顯示：RPC具有比HPC更高的強度和更低的滲透性。本文回顧了現(xiàn)有的有關RPC的文獻資料，提供了把RPC和HPC進行對比研究的實驗結果，并且闡述了RPC的特殊優(yōu)點，及其潛在的應用。 HPC不僅僅是一種由水泥、水和集料組成的簡單混合料。通常，它包含一些性能特殊的礦物組分和化學外加劑，從而使混凝土獲得許多特殊的性能。HPC的開發(fā)研究，具體實現(xiàn)了一種全新的混凝土科學、全新的外加劑科學和使用先進設備對混凝土微結構進行的檢測技術。 HPC實現(xiàn)的最高抗壓強度范圍為：120—150MPa。但是，這種等級強度的混凝土，粗集料已成為其最薄弱的環(huán)節(jié)。為了進一步提高混凝土的抗壓強度，只有把粗集料從其組分中去除，這種思路已被應用于當今眾所周知的RPC。 RPC是九十年代初在法國開發(fā)成功的。1997年，在加拿大建成的Sherbrooke大橋，是全球首個RPC結構。RPC是一種超高強和高韌性的膠凝復合材料，具有先進的力學和物理性能。它組成的特殊混凝土，通過對其拌合物所有顆粒的精確級配優(yōu)化，使其微結構獲得最高的密實度。它廣泛使用高細度硅灰的火山灰活性，并對波特蘭水泥化學進行優(yōu)化，使其產(chǎn)生強度最高的水化產(chǎn)物。 RPC的理念，首先是由P. Richard 和M. Cheyrezy 開發(fā)出來的，并首次在九十年代初，由法國Bouygues實驗室的研究人員將其付諸實施。RPC的現(xiàn)場使用，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車道。1999年的建筑創(chuàng)新論壇上，RPC被提名為Nova獎。由于RPC具有良好的抗?jié)B透性能，在歐洲已被成功應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構的HPC，應具有中等抗壓強度、中等彈性值、均勻的密實度、良好的工作性和高耐久性。因此，有必要對RPC的有關強度和耐久性進行評估，以便建議采用RPC作為印度核廢料的密封結構。本項研究就是旨在開發(fā)出一種能適用于核廢料密封結構的，并具有先進材料性能的RPC基本配合比設計。 RPC的基本組成 RPC是由高細度的微粉材料、綱纖維和外加劑組合而成的。最佳的外加劑用量，可降低水膠比，并改善混凝土的工作性。通過對干微粉顆粒堆積的優(yōu)化，可獲得一種非常密實的基體材料，其密實度可以使RPC具有超高強度和超高耐久性，RPC的抗壓強度范圍為200-800MPa。 Richard 和Cheyrezy 列出了以下開發(fā)研究RPC的原則：i．為提高勻質性，去除粗集料； ii．利用具有火山灰活性的硅灰； iii．為提高密實度，需優(yōu)化顆粒的混合級配； iv．為降低水灰比，又提高工作性，需優(yōu)化外加劑的應用； v．施加壓力，提高密實度； vi．為提高微結構的性能，需采用凝結后加熱處理； vii．摻加微綱纖維，提高韌性。 RPC的初步配合比設計，涉及到創(chuàng)建一個致密的顆粒狀構架。顆粒配合比設計的優(yōu)化，可以通過使用堆積模型或顆粒尺寸分布軟件，諸如LISA得以實現(xiàn)。目前，已有一種推薦使用的實驗性方法，進行RPC的配合比設計。決定RPC拌合物質量的主要參數(shù)是需水量。事實上，拌合物的孔隙指數(shù)與需水量和混凝土中的氣泡量有關。根據(jù)最低需水量選定一種配合比設計后，就可以通過采用相對密度指數(shù)，分析出最佳用水量。這里do和ds分別代表混凝土的密實度和經(jīng)搗實的拌合物的密實度。相對密實度顯示了混凝土的堆積程度，其最高值是1。就RPC而言，其配合比設計應使其堆積密實度達到最高。 RPC需通過熱養(yǎng)護，來提高其微結構的性能。而熱養(yǎng)護也只是簡單地在其達到正常凝結后，在常壓下對混凝土進行加熱。這種養(yǎng)護會大大加速火山灰活性反應，從而改善所形成的水化產(chǎn)物的微結構。凝結前的加壓，也是建議采用的一種獲得高強的手段。 RPC的高強，會使其變得非常脆。一般來說，在RPC中摻加綱質微纖維，可提高其韌性。常用的標準直綱纖維長13mm，直徑0.15mm，摻加率為體積的1.5-3%。最經(jīng)濟的摻量為體積的2%，約155kg/m3。 RPC的力學性能和耐久性 RPC包括兩種系列的混凝土，即RPC200系列和RPC800系列。在其不同的領域內，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具有很高的抗彎強度。以材料的單位體積在斷裂時，吸收的能量為測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。除了它特殊的力學特性外，RPC還具有超高密實度的微結構，其良好的防水和耐久性特征也很突出。因此，可用于工業(yè)和核廢料儲存設施。由于RPC具有特低的孔隙率、滲透性、有限的收縮和強抗腐蝕性，因此，它具有超高的耐久性。與HPC相比，幾乎無液體或氣體能穿透RPC。它既可用在有化學侵蝕性的環(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配合比設計中，傳統(tǒng)混凝土中最廉價的組分基本被去除，代之以最昂貴的材料。就材料的規(guī)格尺寸而言，用于RPC的細砂相當于傳統(tǒng)混凝土中的粗集料，波特蘭水泥起到了細集料的作用，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。RPC可應用于能大大節(jié)省結構重量的領域，以及應用于某些顯著的材料特性能得以充分利用的場合。由于RPC高耐久性，它甚至可以取代那些使用受壓綱結構的耐久性有風險的應用領域。由于RPC還處于剛開發(fā)的起步期，因此，其長期性能還是個未知數(shù)，有待進一步驗證。實驗性調查研究 RPC和HPC的配合比設計 RPC和HPC的配合比選擇過程如下：準備了大量的試驗性配合比，以便獲得良好的RPC和HPC的配合比設計采用顆粒規(guī)格優(yōu)化軟件LISA，配制RPC和HPC試驗性拌合物根據(jù)對現(xiàn)有文獻資料的研究，獲得各種配合比設計的拌合物以良好的工作性和理想的攪拌時間為依據(jù)，選擇最佳的配合比設計最終的RPC和HPC配合比設計見下表。 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	-	-
標準2級砂	0.581.09	1.09	-	-
標準3級砂	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	0.03	0.03	0.023	0.023
水	0.25	0.25	0.4	0.4

* 纖維RPC ** 纖維HPC 需對新拌混凝土拌合物的工作性和密實度進行記錄。有些RPC試件凝結后，采用在水溫為90oC的水池中進行熱養(yǎng)護，直至進行測試。一般的RPC和HPC試件，則在室溫下的水池中進行養(yǎng)護。根據(jù)以下參數(shù)，對RPC和HPC的性能進行了全程監(jiān)測。抗壓強度抗壓強度 (根據(jù)IS516 RPC為4×4×16cm棱柱體試件，HPC為10×10×50cm小梁試件）吸水性采用德國儀器進行的非破損滲水性試驗抗氯離子滲透試驗試驗結果新拌混凝土性能根據(jù)ASTM C109砂漿流動臺試驗，測得的RPC拌合物的工作性范圍為：120-140%。而根據(jù)ASTM C231坍落度試驗，測得的HPC拌合物的工作性范圍為：120-150-mm，新拌RPC和HPC拌合物的密實度范圍為：2500-2650kg/m3。抗壓強度通過對抗壓強度的研究分析顯示： RPC的抗壓強度比HPC的高。RPC的早期抗壓強度也很高?？箟簭姸仁且环N材料耐久性的影響因數(shù)之一。本項研究獲得的RPC的最高抗壓強度為200MPa。HPC的抗壓強度為75MPa。摻加纖維和使用熱養(yǎng)護，可提高RPC的抗壓強度30-50%，而摻加纖維的HPC，其抗壓強度沒有受到很大的影響。抗彎強度素RPC具有的抗壓強度一般也要比HPC的高。摻加綱纖維的RPC，其抗彎強度的增加，遠比HPC的高。根據(jù)文獻資料，RPC200的抗彎強度可達到近40MPa，而本項研究獲得的抗彎強度較低，原因可能是所用的纖維較長，而且直徑也相對較大。纖維增強RPC，也具有應用在不增加任何鋼筋的結構中的潛力。這種鋼筋成本的降低，在某種程度上，可以補償因去除粗集料而增加的材料成本。吸水性 RPC和HPC在吸水性方面的對比，無論RPC還是HPC，都有常見的隨齡期增長而吸水性降低的趨勢。但是，RPC吸水率與HPC相比是非常低的。RPC的這種質量，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，一定程度上會增加吸水性。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)護會導致產(chǎn)生一個更開放的微結構，從而增加吸水性。滲水性采用德國儀器設備進行的滲水性非破損評估，實際上只測出表面的滲透性，而不像采用常規(guī)測試方法，測出的是整體滲透性。根據(jù)數(shù)據(jù)資料可以看出，所有RPC和HPC，都會隨著齡期的增加而使甚滲水性降低。與HPC相比，RPC8天時的滲水性，幾乎可以忽略不計，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增加。氯離子滲透表10提供了經(jīng)28天養(yǎng)護后，通過快速氯離子滲透試驗的測試結果。該數(shù)據(jù)資料表明，當對混凝土進行熱養(yǎng)護時，氯離子滲透會增加。與其他混凝土相比，通過常規(guī)養(yǎng)護的RPC，其總電荷可以忽略不計。雖然采用熱養(yǎng)護的RPC，與采用常規(guī)養(yǎng)護的RPC相比，總電荷值有所增加，但就絕對值而言，仍是相當?shù)偷模踔量梢院雎圆挥?。RPC的這種抗氯離子滲透性能，使其適用于做核廢料密封結構。這些數(shù)據(jù)資料也進一步表明，摻加綱纖維會增加滲透性，原因可能是增加了混凝土的導電性。HPC也顯示出非常低的離子滲透性，但還是比RPC稍高些。結論 RPC是一種新興技術的產(chǎn)物。它將開拓出一個嶄新的可稱之謂“高性能混凝土”的領域。由于它具有比HPC更優(yōu)的力學和耐久性性能，它在建筑業(yè)中具有很大的發(fā)展?jié)摿?，甚至在某些應用領域，可取代鋼材。 RPC的研究工作是基于某些基本原理的應用，從而獲得了高勻質性和高密實度，非常良好的工作性和微結構，以及高耐久性。RPC所具有超密實的微結構，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)和核廢料儲存設施。本項實驗性研究，把RPC 和HPC進行了對比，并得出了如下的結論：本項RPC研究獲得的最高抗壓強度為198PMa，屬RPC200系列，其強度范圍在175-200PMa之間。所獲得的最高抗彎強度為22MPa，比文獻提供的值40MPa低，原因可能是本項研究所用的纖維長度和直徑較大所致。對RPC 和HPC的物理、力學和耐久性性能進行的對比測試顯示：RPC的抗壓強度和抗彎強度都比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具有可用于儲存核廢料的優(yōu)質材料的潛力。但是，RPC對來自核電廠重金屬和其他有毒廢料的放射性的抗?jié)B透性，還有待進一步研究，以確定其用在核廢料密封結構中是否合格。