曹擎宇：高性能纤维增强水泥基复合材料应用性能研究

中冶建筑研究总院有限公司高级工程师曹擎宇 · 2013-10-30 15:34

　　一. 研究背景

　　随着我国基础工程的大规模兴建和城市化的高速推进，为解决大跨度、薄壁、高耐久、长寿命结构的实施，高性能水泥基复合材料的发展已是迫切急需，为节省资源、节约能源、保护生态环境、优化材料性能，高性能水泥基复合材料走生态化与环保型已是社会可持续发展的重中之重。

　　研究生态型高性能水泥基复合材料是提高工程耐久性和服役寿命的重要举措，也是提高特种结构各种抗力的必由之路。

　　二. ECO-RPC（生态型活性粉末混凝土）力学行为研究

　　RPC（Reactive Powder Concrete）活性粉末混凝土是90年代发展起来的新材料，其组成材料主要是水泥、超磨细石英粉和大掺量硅灰、高效减水剂，不用粗集料，细集料为磨细石英砂（粒径为0.6mm）。其等级有RPC800、RPC400和RPC200。由于其具有自流平优势、力学性能高、动态行为优异和超高耐久性，已是当今最活跃的可与金属媲美与高分子材料抗衡的跨世纪超高性能水泥基复合材料，而且RPC基体必须与纤维复合才能发挥其优势。

　　1.RPC存在的主要问题

　　超细粉体材料价格昂贵、要经过超磨细而导致能耗大，国外微细金属纤维价格高，从而性价比低，不仅RPC800、RPC400难以在工程中推广应用，即使RPC200在工程中大规模应用也十分艰难。

　　基于RPC目前的问题中冶建研院致力于解决RPC造价较高，性价比过低的问题，采取的方式是采用活性矿物的掺合料，充分利用超细工业废渣自身各种物理与化学优势，取代更多水泥熟料，改善组成材料与微结构，优化纤维尺度与外形，优化养护方法与制度，充分发挥其高耐久性、长期服役寿命和高动态效应特点，提高性价比，扩大应用领域，在重大工程和特种制品中高效能利用其优势。

　　经过试验研究得出下表的材料基体

　　ECO-RPC200优化后材料基体

　　ECO-RPC200的制备工艺

　　优选高效减水剂保证具有自流平（SCC）特征，保证有很强的流动性，满足混凝土的要求，

　　采用自然养护方式（实验室用标准养护）替代常用的热养、蒸养，节省高温高压而造成能源消耗剧增。

　　2.标准养护条件下力学行为

　　3.ECO-RPC200或ECO-UHPFRCC200的抗腐蚀性能与抗冻性能

　　4.ECO-RPC200与国外RPC200的对比

　　经过实验研究发现ECO-RPC（生态型活性粉末混凝土）性能得到了进一步的提升，并且成本上节约10%-15%。

　　三. 超高性能纤维混凝土（UHPFRC)

　　1.超高性能纤维混凝土材料基体配比

　　采用的细集料：最大粒径Dmax为2.38mm天然级配的尾矿砂粗集料：最大粒径Dmax为5mm、10mm、15mm、20mm连续级配当Dmax>15mm时钢纤维尺度按标准相应改变。

　　2.纤维特性

　　3.抗折抗压强度测试

　　超高性能纤维混凝土的研究还在进行，下一步研究方向是动力性能和初级性能，探索在港口工程，军事工程，和岩体工程的应用。

[Page]

　　四. 纤维增强聚合物混凝土

　　高速铁路隧道衬砌结构现在主要有俩种混凝土形式，一种是主要应用于Ⅳ、Ⅴ高等级围岩的钢筋网护面混凝土结构，但是结构造价高、施工困难、工序耗时长。一种是主要应用于Ⅰ、Ⅱ级围岩素混凝土结构，但对混凝土的塑性沉降裂缝和塑性收缩裂缝的抑制作用不利。只能应用于低等级围岩，所以中冶建研院开发研究可以在Ⅱ、Ⅲ级围岩替代钢筋网混凝土结构的纤维混凝土，这样可以大大降低工程造价和施工周期等。使用低掺量有机纤维，对混凝土的塑性裂缝的有一定的抑制作用。

　　1.聚合物的选择

　　在选用聚合物时要考虑到:聚合物本身稳定性要好，聚合物在水泥水化时不能与钙离子和氯离子发生反应，要有良好的玻璃化温度和最低成膜温度。