活性粉末混凝土研究：一项超高强技术的开发

     活性粉末混凝土（RPC）是一种正在开发中的复合材料，它将使混凝土产业最优化地使用材料，产生经济效益，并建造出坚固、耐久和对环境高度敏感的结构。一项把活性粉末混凝土和高性能混凝土（HPC）物理、力学和耐久性进行对比的研究显示：RPC具有比HPC更高的强度（包括抗压强度和抗弯强度）和更低的渗透性。

 

    本文回顾了现有的有关RPC的文献资料，提供了把RPC和HPC进行对比研究的实验结果，并且阐述了RPC的特殊优点，及其潜在的应用。

 

    HPC不仅仅是一种由水泥、水和集料组成的简单混合料。通常，它包含一些性能特殊的矿物组分和化学外加剂，从而使混凝土获得许多特殊的性能。HPC的开发研究，具体实现了一种全新的混凝土科学、全新的外加剂科学和使用先进设备对混凝土微结构进行的检测技术。

 

    HPC实现的最高抗压强度范围为：120—150MPa。但是，这种等级强度的混凝土，粗集料已成为其最薄弱的环节。为了进一步提高混凝土的抗压强度，只有把粗集料从其组分中去除，这种思路已被应用于当今众所周知的RPC。

 

    RPC是九十年代初在法国开发成功的。1997年，在加拿大建成的Sherbrooke大桥，是全球首个RPC结构。RPC是一种超高强和高韧性的胶凝复合材料，具有先进的力学和物理性能。它组成的特殊混凝土，通过对其拌合物所有颗粒的精确级配优化，使其微结构获得最高的密实度。它广泛使用高细度硅灰的火山灰活性，并对波特兰水泥化学进行优化，使其产生强度最高的水化产物。

 

    RPC的理念，首先是由P. Richard 和M. Cheyrezy 开发出来的，并首次在九十年代初，由法国Bouygues（布依格公司）实验室的研究人员将其付诸实施。RPC的现场使用，是用在加拿大魁北克省Sherbrooke市的Sherbrooke大桥桥面人行走道和自行车车道。1999年的建筑创新论坛上，RPC被提名为Nova奖。由于RPC具有良好的抗渗透性能，在欧洲已被成功应用于核废料的隔离和密封。要求用于印度核电厂核废料密封结构的HPC，应具有中等抗压强度、中等弹性值、均匀的密实度、良好的工作性和高耐久性。因此，有必要对RPC的有关强度和耐久性进行评估，以便建议采用RPC作为印度核废料的密封结构。本项研究就是旨在开发出一种能适用于核废料密封结构的，并具有先进材料性能的RPC基本配合比设计。

 

 

    RPC是由高细度的微粉材料（水泥、砂、石英粉和硅灰）、纲纤维（任选的）和外加剂组合而成的。最佳的外加剂用量，可降低水胶比（W/B），并改善混凝土的工作性。通过对干微粉颗粒堆积的优化，可获得一种非常密实的基体材料，其密实度可以使RPC具有超高强度和超高耐久性，RPC的抗压强度范围为200-800MPa。

 

    Richard 和Cheyrezy 列出了以下开发研究RPC的原则：

    i． 为提高匀质性，去除粗集料；

    ii． 利用具有火山灰活性的硅灰；

    iii．为提高密实度，需优化颗粒的混合级配；

    iv．为降低水灰比，又提高工作性，需优化外加剂的应用；

    v． 施加压力（凝结前和凝结过程中），提高密实度；

    vi．为提高微结构的性能，需采用凝结后加热处理（养护）；

    vii．掺加微纲纤维，提高韧性。

 

    RPC的初步配合比设计，涉及到创建一个致密的颗粒状构架。颗粒配合比设计的优化，可以通过使用堆积模型或颗粒尺寸分布软件，诸如LISA得以实现。目前，已有一种推荐使用的实验性方法，进行RPC的配合比设计。

 

    决定RPC拌合物质量的主要参数是需水量（获得最低混凝土流动性的用水量）。事实上，拌合物的孔隙指数与需水量和混凝土中的气泡量有关。根据最低需水量选定一种配合比设计后，就可以通过采用相对密度指数（do/ds），分析出最佳用水量。这里do和ds分别代表混凝土的密实度和经捣实的拌合物（无水或空气）的密实度。相对密实度显示了混凝土的堆积程度，其最高值是1。就RPC而言，其配合比设计应使其堆积密实度达到最高。

 

    RPC需通过热养护，来提高其微结构的性能。而热养护也只是简单地在其达到正常凝结后，在常压下对混凝土进行加热（一般温度是90^oC）。这种养护会大大加速火山灰活性反应，从而改善所形成的水化产物的微结构。凝结前的加压，也是建议采用的一种获得高强的手段。

 

    RPC的高强，会使其变得非常脆。一般来说，在RPC中掺加纲质微纤维，可提高其韧性。 常用的标准直纲纤维长13mm，直径0.15mm，掺加率为体积的1.5-3%。最经济的掺量为体积的2%，约155kg/m3。

 

 

    RPC包括两种系列的混凝土，即RPC200系列和RPC800系列。在其不同的领域内，分别能提供令人倍感兴趣的潜在用途。如果掺加纲纤维，可使RPC具有很高的抗弯强度。

 

    以材料的单位体积在断裂时，吸收的能量为测量单位的断裂韧性而言，由于RPC的断裂韧性较高，因此，RPC表现出很高的韧性。除了它特殊的力学特性外，RPC还具有超高密实度的微结构，其良好的防水和耐久性特征也很突出。因此，可用于工业和核废料储存设施。

 

    由于RPC具有特低的孔隙率、渗透性、有限的收缩和强抗腐蚀性，因此，它具有超高的耐久性。与HPC相比，几乎无液体或气体能穿透RPC。它既可用在有化学侵蚀性的环境中，也可用在其他混凝土的使用寿命受到极大限制的物理磨损环境中。

 

 

    在典型的RPC配合比设计中，传统混凝土中最廉价的组分基本被去除，代之以最昂贵的材料。就材料的规格尺寸而言，用于RPC的细砂相当于传统混凝土中的粗集料，波特兰水泥起到了细集料的作用，而硅灰则起到了水泥的作用。仅就优化的矿物组分而言，就使其成本比传统混凝土大增（约比HPC增加5-10倍）。RPC可应用于能大大节省结构重量的领域，以及应用于某些显著的材料特性能得以充分利用的场合。由于RPC高耐久性，它甚至可以取代那些使用受压纲结构的耐久性有风险的应用领域（如海洋环境中）。由于RPC还处于刚开发的起步期，因此，其长期性能还是个未知数，有待进一步验证。

 

   

    RPC和HPC的配合比设计

    RPC和HPC的配合比选择过程如下：

    准备了大量的试验性配合比，以便获得良好的RPC和HPC的配合比设计

    采用颗粒规格优化软件LISA，配制RPC和HPC试验性拌合物

    根据对现有文献资料的研究，获得各种配合比设计的拌合物

    以良好的工作性和理想的搅拌时间为依据，选择最佳的配合比设计

    最终的RPC和HPC配合比设计见下表。

 

    RPC 和 HPC的配合比

   

    * 纤维RPC   ** 纤维HPC   

    需对新拌混凝土拌合物的工作性和密实度进行记录。有些RPC试件凝结后，采用在水温为90^oC的水池中进行热养护，直至进行测试。一般的RPC和HPC试件，则在室温下的水池中进行养护。

 

    根据以下参数，对RPC和HPC的性能进行了全程监测。

    抗压强度 （根据IS516 RPC为5cm立方体试块，HPC为10 cm立方体试块）

    抗压强度  (根据IS516 RPC为4×4×16cm棱柱体试件，HPC为10×10×50cm小梁试件）

    吸水性（均采用15cm立方体试块，按BS1881-122-1983标准进行测试）

    采用德国仪器进行的非破损渗水性试验（均采用15cm立方体试块）

    抗氯离子渗透试验（按ASTM1202标准，均在直径10cm，高5cm的圆盘上进行测试）

 

 

    根据ASTM C109砂浆流动台试验，测得的RPC拌合物的工作性（含或不含纤维）范围为：120-140%。而根据ASTM C231坍落度试验，测得的HPC拌合物的工作性（含或不含纤维）范围为：120-150-mm，新拌RPC和HPC拌合物的密实度范围为：2500-2650kg/m3。

 

 

    通过对抗压强度的研究分析显示： RPC的抗压强度比HPC的高。RPC的早期抗压强度也很高。抗压强度是一种材料耐久性的影响因数之一。

本项研究获得的RPC的最高抗压强度为200MPa。HPC的抗压强度为75MPa。掺加纤维和使用热养护，可提高RPC的抗压强度30-50%，而掺加纤维的HPC，其抗压强度没有受到很大的影响。

 

    素RPC具有的抗压强度一般也要比HPC的高。掺加纲纤维的RPC，其抗弯强度的增加，远比HPC的高。

 

    根据文献资料，RPC200的抗弯强度可达到近40MPa，而本项研究获得的抗弯强度较低，原因可能是所用的纤维（30mm）较长，而且直径也相对较大。纤维增强RPC（适当的纤维种类），也具有应用在不增加任何钢筋的结构中的潜力。这种钢筋成本的降低，在某种程度上，可以补偿因去除粗集料而增加的材料成本。

 

 

    RPC和HPC在吸水性方面的对比，无论RPC还是HPC，都有常见的随龄期增长而吸水性降低的趋势。但是，RPC吸水率与HPC相比是非常低的。RPC的这种质量，是作为核废料密封材料所需的重要性能之一。

 

    掺加纤维和采用热养护，一定程度上会增加吸水性。纤维的存在可能在纤维与水泥之间界面上产生通道，增加水的吸入。另一方面，热养护会导致产生一个更开放的微结构（与常规养护相比），从而增加吸水性。

 

 

    采用德国仪器设备进行的渗水性非破损评估，实际上只测出表面的渗透性，而不像采用常规测试方法，测出的是整体渗透性。

 

    根据数据资料可以看出，所有RPC和HPC，都会随着龄期的增加而使甚渗水性降低。与HPC相比，RPC8天时的渗水性，几乎可以忽略不计，比HPC低7倍。在吸水性方面，只要使用了纤维，两种混凝土的表面渗透性都会增加。

 

 

    表10提供了经28天养护后，通过快速氯离子渗透试验的测试结果。该数据资料表明，当对混凝土进行热养护时，氯离子渗透会增加。与其他混凝土相比，通过常规养护的RPC，其总电荷可以忽略不计。虽然采用热养护的RPC，与采用常规养护的RPC相比，总电荷值有所增加，但就绝对值而言，仍是相当低的，甚至可以忽略不计（〈100库仑）。RPC的这种抗氯离子渗透性能，使其适用于做核废料密封结构。

 

    这些数据资料也进一步表明，掺加纲纤维会增加渗透性，原因可能是增加了混凝土的导电性。HPC也显示出非常低的离子渗透性，但还是比RPC稍高些。

 

 

    RPC是一种新兴技术的产物。它将开拓出一个崭新的可称之谓“高性能混凝土”的领域。由于它具有比HPC更优的力学和耐久性性能，它在建筑业中具有很大的发展潜力，甚至在某些应用领域，可取代钢材。

 

    RPC的研究工作是基于某些基本原理的应用，从而获得了高匀质性和高密实度，非常良好的工作性和微结构，以及高耐久性。RPC所具有超密实的微结构，使其具有良好的防水和耐久特性，因此，可合理地被选用于工业和核废料储存设施。

 

    本项实验性研究，把RPC 和HPC进行了对比，并得出了如下的结论：

    本项RPC研究获得的最高抗压强度为198PMa，属RPC200系列，其强度范围在175-200PMa之间。

    所获得的最高抗弯强度为22MPa，比文献提供的值40MPa低，原因可能是本项研究所用的纤维长度和直径较大所致。

    对RPC 和HPC的物理、力学和耐久性性能进行的对比测试显示：RPC的抗压强度和抗弯强度都比HPC的高，而渗透性则更低。

    极低的渗水性和氯离子渗透性表明，RPC具有可用于储存核废料的优质材料的潜力。但是，RPC对来自核电厂重金属和其他有毒废料（诸如在碱介质中的铯137离子）的放射性的抗渗透性，还有待进一步研究，以确定其用在核废料密封结构中是否合格。