作者：刘娟红、宋少民 编著
出版社：化学工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
活性粉末混凝土试读：
前言
水泥混凝土技术从19世纪中期开始起步，经历了100多年的不断积累、发展和完善，在20世纪70年代后由于化学外加剂的发展和应用，混凝土的世界迎来了一个具有革命性的新时期。首先由于高效减水剂技术取得长足进步，大流态混凝土成为混凝土材料的主体，与此同时应用于土木工程中的混凝土强度不断提高，使用C60以上的高强混凝土建造了大量的现代建筑物。矿物掺合料在混凝土中的应用越来越普遍，现代多组分混凝土向着获得更高性能的目标迅速迈进。
20世纪80年代，法国路桥试验中心使用聚羧酸减水剂在很低的水胶比下研究高掺硅灰水泥混凝土，当时可以实现24h抗压强度超过100MPa，但是这种混凝土后期抗压强度增长很小，劈裂抗拉强度却随时间不断下降。当然主要原因是低水胶比和高硅灰掺量条件下发生了较大的自生收缩，造成混凝土内部微缺陷不断增多。此后，为克服这种超高强混凝土的缺陷及其在工程中高开裂的风险，法国学者采用去除粗骨料，掺加钢纤维，消除了粗骨料界面影响，利用钢纤维阻止混凝土收缩和开裂，在这样的技术路线指导下，20世纪90年代初，活性粉末混凝土专利技术问世。
1997年清华大学覃维祖教授向国内介绍了活性粉末混凝土，1999年建筑技术杂志发表了覃维祖教授的论文“一种高性能混凝土——活性粉末混凝土”。此后国内清华大学、北京交通大学、湖南大学、东南大学、北京科技大学、北京建筑工程学院等高校与相关科研机构开展了活性粉末混凝土技术的广泛研究。
活性粉末混凝土是现代先进水泥基材料，具有超高强度、高韧性、低渗透、体积稳定等优异性能。笔者从1999年开始研究活性粉末混凝土，受到覃维祖、孙伟等学者学术思想的影响，将研究重点放在了大掺量矿物掺合料活性粉末混凝土的制备和机理研究方面，经过多年的研究、思考，笔者感悟到研究活性粉末混凝土不仅对于新型高性能混凝土构件开发很重要，同时对于水泥基材料在低水胶比下水化和微结构理论的学术创新具有重要意义。
在大掺量活性粉末混凝土的研究过程中，笔者不断思考现代低水胶比高性能水泥基材料的机理、本质和特征。例如，吴中伟先生的“中心质假说”可以很好地解释大掺量活性粉末混凝土超高强度的形成机理；再如，在活性粉末混凝土微结构中很难发现氢氧化钙和钙矾石晶体；又如石灰石超细粉可以明显降低拌和物黏度，在浓分散体系中达到良好的分散作用。
目前我国基础设施建设规模大、水平快速提高，说中国是世界先进混凝土技术研究和工程应用的中心并不为过。在国防工程、海港建设、地下工程、桥梁工程、铁道工程、结构抗震等众多领域，活性粉末混凝土都具有应用前景。让学术界和工程界更多地了解这种高性能混凝土材料，将其高效利用于土木工程中，造福国家、造福人民，同时推动现代水泥基材料及理论的研究、应用和创新，这就是笔者撰写此书的初衷和期望。
过去十余年的研究和开发过程中，孙伟院士、覃维祖教授、阎培渝教授、安明喆教授、黄政宇教授等学者在活性粉末混凝土领域的许多研究成果和学术观点，丰富了本书的内容，应该说正是热衷于活性粉末混凝土的研究者以及工程界技术人员的共同努力，为本书的撰写和出版奠定了坚实的基础。
本书对活性粉末混凝土进行了较为系统的论述，内容包括活性粉末混凝土的技术基础、活性粉末混凝土的配制、活性粉末混凝土的性能和增强机理及微结构、大掺量矿物细粉活性粉末混凝土、活性粉末混凝土构件的制备与性能、活性粉末混凝土在工程中的应用与思考等。活性粉末混凝土的国家标准正在编制，预计2014年正式颁布。愿本书和该标准一起为推进活性粉末混凝土在我国工程中的广泛应用发挥积极的作用。
本书的出版得到北京市绿色建筑与节能技术重点实验室的资助，在此表示感谢！
由于笔者学术水平有限，书中难免有遗漏与不妥之处，敬请广大读者批评指正。刘娟红、宋少民于北京2013年6月
第一章 概述
活性粉末混凝土是在现代材料科学和混凝土技术快速发展基础上出现的一种高性能土木工程材料，其发明、发展与应用过程中给学术界和工程界带来的不仅是其优异的材料性能和结构形式的革新，更重要的是对水泥基材料的理论创新、理念更新的启示和推动作用。
20世纪70年代高效减水剂的开发和广泛应用与90年代优质活性矿物细粉超细粉（如硅灰、沸石粉等）的掺加，促使混凝土可以在较低水胶比的条件下形成密实而具有高强度（＞60MPa）的水泥基复合［1，2］材料，即高强混凝土（high strength concrete，HSC）。但任何事物都具有两面性，有优点就会有缺点。高强混凝土在早期时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弛作用（徐［3～6］变）减小，因此导致它比中低强度的混凝土更易开裂。硅粉掺量越多、水胶比越低的高强混凝土，早期强度发展越迅速，开裂和强度倒缩现象也就越显著。而且，随着混凝土强度的不断提高，混凝土的固有弱点——抗拉强度低、韧性差等愈益突出。为此，在水泥基材料中掺加抗拉强度高、极限延伸率大、抗碱性好的各种纤维（金属纤维、无机纤维或有机纤维）作为增强材料而形成水泥基复合材料，即纤维混凝土（fiber reinforced concrete，FRC），其中纤维材料可以约束水泥基料中裂缝的扩展，使混凝土具有较高的抗拉和抗弯强度、［7，8］良好的韧性及延性。当然，在粗骨料颗粒仍然较大的情况下，钢纤维的“架桥”作用受到限制，而且长纤维对拌和物的工作性影响又十分显著。
混凝土是一种非均质材料，其中骨料在水泥基体中形成骨架。当混凝土试件受到外加荷载时，在水泥基体和骨料界面处，由于应力集中，易形成微裂缝。这些微裂缝的尺寸和扩展与骨料的粒径有直接关［9～11］系。
在提高水泥基材料匀质性的研究过程中，人们曾采用了两种途径：一种是无宏观缺陷的水泥材料（macro-defect free cements，MDF），采用聚合物水泥基体，使基体内无大孔隙，使其抗压强度和抗拉强度都得到很大提高；另一种是均匀分布超细颗粒的致密系统（densified system containing homogeneously arranged ultra fine particles，DSP），主要是通过高效减水剂和硅灰，同时掺入超硬度的骨料，使超细粒子排列紧密、合理，并相互填充，同时采用压制密［12，13］实成型工艺，从而达到密实。
无宏观缺陷的水泥材料是1979年英国化学工业公司和牛津大学最早开始研究的。MDF的抗压强度高达300MPa，抗弯强度为150MPa，高达抗压强度的1/2，弹性模量达50GPa。这是传统的水泥［14，15］胶凝材料无法比拟的。MDF的原材料中90%～99%都是高强度等级的硅酸盐水泥或铝酸盐水泥；4%～7%的水溶性树脂；水灰比一般在0.20以下；由于低水灰比，要使各种组成材料均匀混合，必须采用强力式高效剪切搅拌机；成型时则采用热压工艺。这种材料具有高强度的原因，最原始的解释是：由于强烈加工的能量使其缺陷降低。MDF水泥的研制成功，引起世界范围内材料科学界的极大兴趣，但这种材料对水相当敏感，水分侵入后，体积发生膨胀，强度迅速下降，这些问题目前国内外还没有很好的解决办法。
DSP材料在瑞典、挪威、冰岛与丹麦等得到应用开发。在实际应用中，密实填充的颗粒是硅酸盐水泥与超细硅灰，超细硅灰填充在水泥粒子的空隙中，而水泥与超细硅灰又填充密实排列的纤维材料（或骨料）中。DSP材料的基体由两方面组成：①粒度为0.5～100μm的密实填充颗粒；②均匀排列的超细粒子，其粒度为0.5nm～0.5μm，排列在比较粗的粒子之间的空隙中。在DSP材料中，硅灰所起的贡献是巨大的，主要包括硅灰的水化反应和硅灰的粒子填充作用。硅灰按适当比例取代水泥，可以填充新拌水泥浆结构的空隙，而且能与水泥水化过程中放出的Ca（OH）反应，形成不溶性的C-S-H凝胶，最终2得到均匀密实的水泥石微结构。
MDF材料和DSP材料等由于水灰比较低而需采用强制式拌和、强力高频振捣、振动加压等工艺成型，常使其工作性大为恶化，造价提升，因此应用并不是很广泛。而且它们通常只用来制造制品，不作为结构材料。
为了获得性能更加优异的混凝土，法国人Prierre Richard和Marcel Cheyrezy采用“高致密水泥基均匀体系”（DSP）模型，集高强混凝土和纤维混凝土的优势于一体，将粗骨料剔除，根据最紧密堆积原理，用最大粒径为400～600μm的石英砂为骨料，掺入适量短纤维和活性矿物掺合料，配以成型施压、热处理养护等制备方法，得到新型的高性能混凝土——活性粉末混凝土（reactive powder ［16，17］concrete，RPC）。
1.1 活性粉末混凝土的定义及国内外发展概况
1.1.1 活性粉末混凝土的定义
活性粉末混凝土（reactive powder contrete，RPC）是20世纪末由法国布伊格（Bouygues）公司研究成功的一种超高强、低脆性、耐久性优异并具有广阔应用前景的新型超高强混凝土。它是由水泥、粉煤灰、石英砂、硅粉、高效减水剂等组成，为了提高RPC的韧性和延性加入钢纤维。在RPC的凝结、硬化过程中采取适当的加压、加热等成型养护工艺。由于活性细粉占有较大比例，因此它被称为活性粉末混凝土。
1.1.2 活性粉末混凝土的超高力学性能
RPC实现高强化的基本原理是：通过提高材料组分的细度与活性，减少材料内部的缺陷（孔隙与微裂缝），获得超高强度与高耐久性。RPC是一种超高强的混凝土，其立方体抗压强度可达200～2800MPa，抗拉强度可达25～150MPa，断裂能可达30kJ/m，单位体3积质量为2.5～3.0t/m。RPC有2个强度等级：一是经蒸汽养护处理后强度达200MPa的RPC200；二是经高温、高压处理后强度达800MPa的RPC800。表1.1是RPC200、RPC800、HSC（high strength contrete，高强混凝土）与NSC（普通混凝土）的主要力学性能比较［18，19］。表1.1 RPC200、RPC800、HSC与NSC的主要力学性能比较
脆性是混凝土材料的一大缺陷，而掺加了微细钢纤维的RPC断裂22能达30000J/m（普通混凝土NSC的断裂能只有103J/m），所以，PRC具有优良的韧性。从图1.1中几种混凝土的应力-应变全曲线［20］可以看出，掺钢纤维的RPC受压构件的变形性能和强度要远远优于NSC、HPC。而用钢管约束和预加压力的RPC更能提高其延性，充分发挥RPC的抗压性能，从而使RPC更加经济合理地得到利用。
普通混凝土是一种脆性材料，高强混凝土的脆性缺点表现得更为突出，掺加微细钢纤维能显著提高RPC的韧性和能量吸收能力。表1.2是几种不同材料的断裂能，图1.2显示的是各种常用材料的断裂能和抗弯强度。可以看出，不同材料的断裂能具有很大的差别，RPC的断裂能比普通水泥混凝土的断裂能高2个数量级以上，抗弯强度高1个数量级，其断裂能和抗弯强度接近金属铝，只比钢材低1个数量级，因此RPC属于高断裂能材料。受钢管约束或施加预应力后，RPC的强度和韧性可得到进一步提高。图1.1 RPC与NSC、HPC的抗压强度-应变曲线表1.2 几种不同材料的断裂能图1.2 各种常用材料的断裂能和抗弯强度
1.1.3 活性粉末混凝土优异的耐久性
耐久性能是衡量RPC应用于严酷环境的一项重要指标，国内外已相继开展了多方面的研究，包括RPC的抗渗性能、抗冻融性能、耐化［21～23］学侵蚀性能以及抗磨研究等。［24］
RPC水胶比低，具有良好的孔结构和较低孔隙率，使其具有极低的渗透性、很高的抗环境介质侵蚀能力和良好的耐磨性能，从而使RPC具有优异的耐久性。表1.3是RPC与其他几种混凝土的耐久［25］性比较。表1.3 RPC与其他几种混凝土的耐久性比较［16，26～33］
研究表明，RPC的孔隙率非常低，孔径分布在纳米［32］级上。表1.4为采用氮吸附法测定的RPC内部孔径分布情况。这些特性使RPC具有极低的渗透性、较高的抗环境介质侵蚀能力和良好的耐磨性，包括抗冻性、抗碳化性、抗氯离子渗透性、抗硫酸盐侵蚀、抗化学溶液侵蚀及耐磨性等，其氯离子扩散系数分别为普通混凝土和高性能混凝土的2%和3.3%表1.4 采用氮吸附法测定的RPC内部孔径分布情况
由表1.3可见，RPC的耐久性大大优于普通混凝土和高性能混凝土。因此，RPC可应用于各种严酷环境下使用的特殊混凝土工程。如海上采油平台、跨海大桥、海（江）底隧道、地下空间、恶劣环境条件下使用的混凝土结构，以及核废料容器、核反应堆外壳等有毒有害废物的处置与处理工程中。
1.1.4 活性粉末混凝土良好的生态效应
由于RPC强度高，因此在大型结构工程中使用RPC材料，用其制作的结构构件的截面尺寸减小，工程的水泥总用量将远少于普通混凝土。而且，对砂石骨料等不可再生资源的消耗量也远低于普通混凝土，因而具有良好的环保性能。表1.5是分别采用C30引气混凝土、C60高性能混凝土及RPC200三种混凝土建造加拿大Sherbrook市步行桥的原［34～36］材料消耗量比较，可知，在同等承载力条件下，使用RPC200的水泥用量是使用C30或C60混凝土的50%，这意味着生产水泥CO排放量减少，对缓解地球“温室效应”有着不可估量的意义。2从表1.5还可看出，RPC200对砂石等不可再生资源的消耗也比C30和［37］C60混凝土低得多。此外，由于活性粉末混凝土具有优异的耐久性，称其为千年混凝土并不过分，服役年限的大大延长对于资源和生态具有重要意义。正如唐明述院士所说：“基础设施的耐久性是最大的节能减排。”表1.5 同等承载力条件下不同混凝土材料的生态性能比较
1.1.5 活性粉末混凝土开发与应用概况
美国、加拿大等国家首先开始对RPC进行研究并在工程中应用。［38］1996年，J.Dugat等人进行了RPC200的力学性能的研究，对RPC的应力-应变曲线、弹性模量、泊松比、极限应变、弯折强度、平均断裂能等进行了试验研究，同时考察了钢纤维掺量对RPC延性的影响，指出钢纤维的最佳掺量是2%～3%。1997年，Olivier Bonneau等人通过实验研究了RPC的抗压强度、弹性模量、抗冻融循环的能力、［36，39，40］抗除冰盐腐蚀、抗氯离子渗透能力等耐久性能。目前，RPC主要的应用领域为桥梁工程预制构件、压力管道及放射性固体废料存储容器等。如1996年法国与美国陆军工程师团展开合作，共同生产制作了大跨度预应力混凝土梁、污水处理过滤板、压力管道及放［36］射性固体废料存储器等RPC制品，用RPC材料制备的固体废料存储器可长期储存中、低放射性废料，使用寿命可达500年之久。美国将其应用于下水道系统工程中。而RPC在桥梁工程领域有着独特的优势，目前所取得的具有典型代表意义的工程实例如下。（1）加拿大Sherbrooke人行桥 1997年，加拿大Sherbrooke市建［41，42］起了一座跨径60m的RPC人行桁架桥，如图1.3所示，供行人和自行车通行。桥的构件采用30mm厚无纤维RPC材料桥面板、直径150mm的预应力RPC钢管混凝土桁架、纤维RPC材料加劲肋和纤维RPC梁，整个结构在现场进行组装。值得一提的是，当地气候条件非常恶劣，最低温度可达-40℃，雪天还需经常撒盐水，对结构的耐久性要求很高。由于采用了RPC，不仅大大减轻了桥梁结构的自重，同时提高了桥梁在高湿度环境、除冰盐腐蚀与冻融循环作用下的耐久
［38］性能。目前该桥使用状态良好，并且获得了1999年Nova奖的提名。Sherbrooke人行桥的成功极大地推动了RPC材料在桥梁工程领域的应用。图1.3 Sherbrooke桥及上部结构形式（2）韩国和平步行桥 2002年春，象征着韩国和法国友谊的和平桥在韩国首尔建成。该桥是由法国著名建筑设计师Rudy Riccioti设计［43］完成的，如图1.4所示。该桥由6段拼装而成，主跨长120m，桥宽4.3m。RPC用量仅为240t，未使用普通钢筋。整座桥梁除了基础和桥墩部位外，全部采用预制装配技术，建设速度很快。和平桥从技术难度到建设规模上已经远超过了Sherbrooke人行桥，标志着RPC在实际工程领域应用上达到了一个新的高度。（3）澳大利亚RPC公路桥 2002年澳大利亚建成了一座可容纳4［44］车道的预应力RPC公路桥。该桥跨径为15m，宽度为21m。该桥的建成成为RPC真正应用于工程结构领域的一个标志，是RPC应用的一次飞跃。图1.4 韩国和平桥（4）美国RPC单跨简支梁桥 2006年美国建成了第一座高等级RPC单跨简支梁桥梁——Wapello County Mars Hill Bridge，见图［45］1.5。主梁由3片跨度为33.53m的T形梁构成。该桥梁由美国联邦公路局（FHWA）、Lafarge北美公司及爱荷华州运输部门和爱荷华州立大学桥梁工程中心共同研发设计的，荣获了2006年度波特兰水泥协会桥梁奖，获誉为开创“未来桥梁”的重要一步。图1.5 美国火星山RPC桥［46］
我国对RPC的理论研究起步较晚，清华大学最早开始研究RPC材料，首先提出从物理及化学即静态的密实堆积及动态的水化填充两方面来考虑。也有采用了水泥、粉煤灰和硅粉三元胶凝材料体系［47～49］［50～53］来研究，湖南大学何峰等对300MPa级RPC成型工艺进行了系统研究。研究了原材料品种、性质及配合比对RPC强度的影响，在掺钢纤维的情况下，RPC的抗压强度高达298.6MPa。北京交通大学的安明喆以及笔者等对活性粉末混凝土的微观结构进行了研［54～60］究，对试件在标准养护和高温养护下的水化产物及内部形貌进行了分析，同时对RPC材料的耐久性性能进行了深入的研究。认为RPC材料最密实颗粒级配设计与高温活性激发作用，显著改善了基体内部的孔结构与过渡区界的密实度，有效提高了抗渗透性，并具有优良的抗冻融破坏性和抗碳化性能。
RPC在我国工程中的实际应用也晚于国外。北京交通大学在2003年用RPC材料制成无筋空心盖板，该空心盖板材料抗压强度为140MPa，抗折强度为14MPa，采用工厂化预制生产，安装简便、重量轻、耐久性好，能有效降低主体结构恒载，并应用北京五环路桥上，至今运营良好，这也是我国对RPC材料的第一次实际工程应用。
在我国铁路工程应用中，2006年作为铁道部科研项目在青藏铁路多年冻土区桥梁上试用了RPC人行道板；2007年，在迁曹铁路上使用了20m跨度的T形低高度RPC梁，梁体高1350mm，跨中截面腹板厚180mm，RPC的超高性能使得梁的高度和截面都有所减小；在冀港铁路线上，则采用了梁体为T形截面，截面高2150mm，跨中截面腹板厚210mm，一共有19孔，跨度分别为24m和32m的预应力RPC［61］梁。
此外，由于采用RPC制造的桥梁附属结构的人行道盖板（电缆槽盖板）等构件不仅具有高强度、高耐久性，而且质轻、能大幅度降低桥面的二期载重、施工安装方便、易于造型、外形美观、高寿命、长期效益显著等特点，此种盖板已进入前铁道部通用图纸，并且前铁道部建设司发文规定客运专线和城际高速铁路的盖板统一采用RPC盖板。RPC盖板在郑西客运专线、湘渝铁路复线、京沪高速、哈大客运专线、沪宁城际、哈齐客专等工程中已经应用。总体而言，目前国内外对于RPC的工程应用研究已经日趋成熟。
1.1.6 活性粉末混凝土的应用前景
基于其在土木工程应用上的优越性及自身优异的各项性能指标，作为高技术混凝土，RPC极具推广价值和应用前景，可以应用于以下
［62］领域。（1）大跨结构和桥梁工程领域 通过上面工程实例可见，RPC在桥梁工程领域具有明显的优势。超高的强度和韧性使RPC在制备梁构件时无需配筋，从而降低自重，截面更薄且形状更加多样化，能够生产出薄壁、大跨、细长结构形式的新颖预制构件。RPC受弯构件拥有与钢材相近的强重比，结构轻且有着很好的刚度性能，跨越能力突出，可替代钢结构。这些是现有高强混凝土所无法比拟的。澳大利亚成功建成了一座可以通过机动车的RPC大桥，可见，RPC桥梁结构也在逐步稳健地向着大型化发展，前景非常乐观。（2）高层或超高层建筑领域 高层建筑最常用的是钢筋混凝土结构，而其最大的缺点是自重较大。利用RPC制作的钢管混凝土构件，抗压强度和抗冲击韧性等均很高，满足高层甚至是超高层建筑对混凝土性能的要求，且其自重明显降低。因此，RPC在此领域有着广阔的［63］发展空间。（3）军事防护工程领域 掺加钢纤维后的RPC具有良好的冲击韧性，且其强度也极高，这两个条件就保证了其具有较好的抗冲击侵彻性能，可以用于承受冲击载荷和爆炸载荷，其优越性十分明显。因此，［64，65］在军事防护领域RPC也具有极大的开发应用潜力。（4）石油及核电工程领域 RPC抗腐蚀性能和抗拉性能均很好，可以用其代替钢材制造压力管道和输送管道，解决了远距离油气输送及腐蚀性介质输送的难题，工程造价也较低。用RPC制造的核废料存储器，抗渗性能良好，可以降低放射性物质泄漏的危险，而高冲击韧性也大大提高了其服役的寿命。（5）市政环境工程领域 RPC除了可以应用于城市人行桥和立交桥等市政工程中外，利用其制作的建筑物覆面镶板在色彩、构造和外［63］形上都具有多样性，可以用作市政工程中建筑物外装饰材料。另外，下水道井盖也发展了相应的RPC制品，其具有高强、高韧、轻质、造价低等优点，可以取代现有的铸铁井盖，具有良好的社会经济效益。（6）其他领域 由于RPC诸多的性能优势，其在航天、隧道、抗震、修补、机场跑道及海洋等工程领域均具有广阔的应用前景。如在盐碱地区和沿海浪溅区等恶劣环境中的建筑物建造过程中，可以利用活性粉末混凝土材料良好的耐久性能来建造大型工业厂房的基础以及海港工程中的浪溅区建筑物。
在材料的应用中，应该遵循的原则是“将材料用在合适的地方，所谓物尽其用”。我国高速铁路将其用于人行道板，则有些大材小用，浪费资源。
1.2 活性粉末混凝土的配制原理与技术途径
1.2.1 配制原理
材料含有的微裂缝和孔隙等缺陷最少，就可以获得由材料组成所决定的最大承载能力，同时具有高的耐久性。RPC的基本配制原理是：剔除粗骨料，通过提高组分的细度与活性，使材料内部的缺陷（孔隙与微裂缝）减少到最低程度，以获得超高力学性能和高耐久性。为此，RPC中活性组分通常包括优质水泥、硅粉、磨细石英粉（或粉煤灰、矿渣等矿物细掺料）等。此外，原材料还包括石英砂、高效减水剂及微钢纤维等。骨料颗粒粒径在0.5～1.0mm之间，以尽量减小混凝土中的孔隙，从而使拌和物更加密实。［37］（1）剔除粗骨料，以提高材料内部结构的匀质性 普通混凝土由骨料、未水化的熟料颗粒、水化产物、水、少量空气以及由水和空气占据的孔隙网组成，是由气、液、固组成的三相多孔体系，它是一种在力学上（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，其中骨料在水泥基体中形成骨架。混凝土硬化前，水泥浆体中水分向骨料表面迁移，在骨料表面形成水膜，从而在硬化混凝土中留下细小缝隙。此外，浆体泌水也会在骨料下表面形成水囊。因此，混凝土在承受荷载作用前，界面处就充满了微裂缝。由于水泥石和骨料的弹性模量不同，当承受荷载或温度发生变化时，浆体和骨料的变形不一致，在界面上出现剪应力和拉应力，从而可能导致微裂缝的产生。随着应力的增长，这些微裂缝不断扩展并伸向水泥石，最终导致硬化体断裂。
为消除上述不利影响，RPC中主要通过以下途径消除缺陷、提高匀质性。
① 剔除粗骨料而代之以平均粒径为250μm的细砂，减小过渡区的厚度和范围，消除粗骨料对浆体收缩的约束，在整体上提高体系的匀质性，从而改善RPC的各项性能。同时，骨料粒径减小，其自身存在缺陷的概率也降低，从而RPC整个基体缺陷数量也随之减少。
② 改善浆体的力学性能，强化浆体与骨料的界面。普通混凝土中骨料弹性模量是硬化水泥石的3倍左右，两者的差异导致混凝土在承受荷载时产生不一致变形，从而在界面处形成细微的裂缝。RPC中含有较多硅灰，其二次水化反应会消耗大量的Ca（OH）晶体，同2时生成大量的水化硅酸钙凝胶，可以改善界面区的微观结构，提高浆体的密实性；此外，在热处理的过程中，石英粉等活性细掺料也会发生二次水化反应，能够大幅度提高浆体的力学性能，特别是提高硬化水泥石的弹性模量。RPC中骨料与硬化水泥石的弹性模量之比为E/aE=1.0～1.4，两者不均匀性的影响几乎消除。p（2）采用活性基材及与活性组分相容性良好的高效减水剂 选用普通硅酸盐水泥作为活性基材，其粒度为40～80μm。混合材为磨细钢渣、粉煤灰、硅灰、石灰石粉，在高效减水剂和超细矿物掺合料的“双掺”作用下，通过降低水胶比，提高组分的细度，使RPC内部达到最大填充密实度，将材料初始缺陷降至最低。在RPC的研究应用中，要达到极高的强度和极好的性能，必须选择与活性组分相容性良好的高效减水剂，降低水胶比，同时改进搅拌条件，使浆体在最小用水量下仍具有良好的流动性。（3）优化颗粒级配，在凝固前和凝固期间加压，以提高拌和物的密实度 颗粒体系的堆积密实度在材料领域中是一个非常重要的性质。研究表明：水泥基材料体系的颗粒堆积密实度对硬化浆体性能有重要影响，混合物体系的颗粒堆积密实度提高，可以加快体系的水化反应进程，增强体系的微观结构，提高其力学性能。因而，优化组成材料的颗粒级配，提高其堆积密实度，是制备超高性能混凝土的关键之一。
提高密实度和强度的另一个有效的方法是在混凝土凝结前和凝结过程中施加一定压力。这一措施有如下作用：其一，挤出拌和物中包裹的空气，减少气孔的数量和体积；其二，当模板有一定渗透性时，加压数秒可排出部分多余的水分，进一步提高浆体密实性；其三，混凝土凝结期间始终保持一定的压力，可消除浆体因化学收缩而引起的部分微裂缝。（4）掺入微细钢纤维，以提高韧性和延性 未掺钢纤维的RPC，其受压应力-应变曲线呈线弹性变化，破坏时呈明显的脆性破坏，断裂能低，掺入钢纤维可以提高其韧性和延性。通常，RPC中使用的钢纤维直径为0.15～0.20mm，长度约为12mm，掺量为体积的1.5%～3%。（5）凝固后进行热养护，以改善微观结构 在凝固后进行热养护可以加速水化反应及火山灰效应的进程和程度，促进细骨料与活性粉末的反应，改善水化产物的微观结构，提高界面粘接力。热养护温度不同，RPC的微观结构和水化产物的结构形态有所不同。对于RPC200，进行40～90℃的常压养护即可，这时形成的水化物是无定形的。随着温度的升高，其火山灰反应率也相应提高，RPC的微观结构有所改善，主要表现为大于100nm孔径范围的有害孔的总体积降低，孔隙细化；对于RPC800，在250～400℃下进行压力养护，水化产物C-S-H（水化硅酸钙）凝胶大量脱水，形成硬硅钙石结晶［66］，因而力学性能更高。（6）采用高频常速搅拌，使黏稠的浆料得到有效的液化 采用高频常速搅拌后，各组分之间的匀质性有极大的提高。同时排出料浆里的空气，为料浆的密实打下了匀质的基础。
高黏稠无机料混匀有三种方式：常规转速、提高转速、高频常速搅拌。
① 常规转速 特点：无法实现黏稠的浆料混匀。
② 提高转速 特点：容易实现，但要做到将黏稠的浆料混匀则效果较差，设备运转危险性高，磨损快。
③ 高频常速搅拌 特点：可以将黏稠的浆料混匀，效果好。缺点：无现成设备，需要研发或定制。实现途径：通过叶片，非常直接地将振动传递给浆料。液化的效率和效果得到极大的提升。同时排出了浆料里的空气。高频常速搅拌比提高转速效果好，转速提高带来作业上的危险，同时高速设备制造也是很困难的，高频状态下的常速搅拌的效果大优于高速搅拌。料浆出罐即为黏稠态物料。在浇筑时同样盛装料浆的装置应该有高频装置附着在容器里，以便出料浇筑。成型时，仍需高频成型，使浆料在液化状态下有很好的浇筑性能。有效减少气孔和化学收缩引起的孔隙，通过90℃的热养护或150～180℃的蒸汽养护来加速粉末的水化反应，强化水化物的结合力。
我国在编的RPC标准，根据组分和制备条件及用途的不同，拟将RPC分为RPC100、RPC120、RPC140、RPC160、RPC180五个强度等级。
1.2.2 技术途径
RPC实现高强化的基本原理是：通过提高材料组分的细度与活性细粉的数量，减少材料内部的缺陷（孔隙与微裂缝），获得超高强度与高耐久性。RPC是一种超高强的混凝土，其立方体抗压强度可达2200～800MPa，抗拉强度可达25～150MPa，断裂能可达30kJ/m，3［46］单位体积质量为2.5～3.0t/m。制成这种混凝土的主要措施是：
① 减小颗粒的最大尺寸，改善混凝土的均匀性；
② 优化颗粒级配，采用多级粒径分布，达到最优堆积密度（packingdensity）；
③ 优选与活性组分相容性良好的高性能减水剂，以降低水胶比；
④ 掺入细而短的钢纤维，以增加其延性和体积稳定性；
⑤ 通过热养护来加速活性粉体的水化反应，强化水化物的结合［58］力，改善微观结构。
参考文献
［1］Kazumasa Ozawa，et al.Development of high performance concrete.Journal of the Faculty of Engineering，the Uni.of Tokyo，1992，V.XLI（3）：21-26.
［2］Porteneuvea C，Korbb J，Petitb D，et al.Structure-texture correlation in ultra-high performance concrete：a nuclear magnetic resonance study.Cem Concr Res，2002，32（1）：97-101.
［3］Scheubel B，Nachtwey W.Development of cement technology and its influence on the refractory kilnLining.Refra Kolloquium.Berlin.Germany，1997：25-43.
［4］Folliard K J，Berke N S.Properties of high-performance concrete containing shrinkage-reducing admixture.Cement and Concrete Research，1997，27（9）：1357-1364.
［5］Sharma R L，Pandy S P.Influence of mineral on the hydration characteristics of ordinary portland cement.Cement and Concrete Research，1999：9.
［6］Man-Chung Tang.High performance concrete-paste，present and future.Proceedings of the international Symposium on Ultra High Performance Concrete.Kassel，Germany.Kassel university press，2004：3-10.
［7］Mohamed Boulfiza，Nemkumar Banthia，Koji Sakai.Application of continuum damage mechanics to carber fiber-reinforced cement composites.ACI Materials Journal，2000（5）：245-25
［8］Orang G，Dugart J，et al..Proceeding of the fifthInternational RILEM symposium on fiber-reinforcedconcrete（BEFIB）.Lyon，France，2000：782-790.
［9］Popolla O O，Kriven W M.Interfacial structure and chemistry in ceramic/polymer composite.J Mat Res，1992，7（6）：1545-1552.
［10］Bentz D P，Geiker M R，Hansen K K.Shrinkage-reducing admixtures and early-age desiccation in cement pastes and mortars.Cement and Concrete Research，2001，31（7）：1075-1085.
［11］Tazawa E，Miyazawa S.Influence of constituents and composition on autogenous shrinkage of cementitious materials.Magazine of Concrete Research，1997，49（178）：15-22.
［12］柯劲松.DSP材料的水化特性与高强机理探讨.中国建材科技，1996（4）：21-24.
［13］Mak S L，Hynes J P.Creep and shrinkage of ultra high-strength concrete subjected to high hydration temperature.Cement and Concrete Research，1995，25（8）：1791-1802.
［14］Santos R S，Rodrigues F A，Segre N，et al.MDF cements：Influence of poly（vinyl alcohol），cement type，and silica fume.Cement and Concrete Research，1999，29（5）：747-751.
［15］Birchall D，Howard A J，Kendall K.Flexural strength and porosity of coments.Nature，1981，289（29）：388：389.
［16］Richard Pieer，Cheyrezy Marcel.Composition of reactive powder concrete.Cement and Concrete Research，1995，25（7）：1501-1511.
［17］Richard P，Cheyrezy M.Reactive powder concrete with high ductility and 200～800MPa compressive strength.ACI SP144，1994：507-518.
［18］Bonneau O，Poulin C，Dugat J，Aitcin P C.Reactive powder concrete：from theory to practice.Concrete International，1996 18（4）：47-49.
［19］覃维祖，曹峰.一种超高性能混凝土——活性粉末混凝土.工业建筑，1998，29（4）：69-76.
［20］杨吴生，黄政宇.活性粉末混凝土耐久性能研究.混凝土与水泥制品，2003（1）：19-20.
［21］安明喆.RPC材料研究报告.北京：北京交通大学，2003.
［22］龙广成.活性粉末混凝土研究［学位论文］.长沙：中南大学，2000.
［23］王震宇，王俊亭，袁杰.RPC200活性粉末混凝土集料及配比研究.第十三届全国混凝土及预应力混凝土学术会议论文，2005：342-347.
［24］Feylessoufi A.Water environment and nanostructural network in a reactive powder concrete.Cement and Concrete Composites，1996，26（18）：23-29.
［25］Roux N，Andrade C，Sanjuan A M.Experimental study of durability of reactive powder concretes.Journal of Materials in Civil Engineering，1996 8（1）：1-6.
［26］未翠霞，宋少民.大掺量粉煤灰活性粉末混凝土耐久性研究.新型建筑材料，2005（9）：27-29.
［27］李忠，黄利东.钢纤维活性粉末混凝土耐久性能的研究.混凝土与水泥制品，2005（3）：42-43.
［28］叶青，朱劲松，马成畅等.活性粉末混凝土的耐久性研究.新型建筑材料，2006（6）：33-36.
［29］施惠生，施韬，陈宝春等.掺矿渣活性粉末混凝土的抗氯离子渗透性研究.同济大学学报：自然科学版，2006，34（1）：93-96.
［30］施韬.掺矿渣活性粉末混凝土及其高耐久性的研究［学位论文］.杭州：浙江工业大学，2004.
［31］柯开展.纤维增强活性粉末混凝土基本力学性能及应用研究［学位论文］.福州：福州大学，2005.
［32］Marcel Cheyrezy，Vincent Maret，Laurent Frouin.Microstructural analysis of RPC（reactive powder concrete）.Cement and Concrete Research，1995，25（7）：1491-1500.
［33］Philippot S，Korb J P，Petit D，et al.Analysis of microporosity and setting of reactive powder concrete by proton muclear relaxation.Magnetic Resonance Imaging，1998，16（5-6）：515-519.
［34］Bouygues Company.RPC International symposium on high performance and reactive particle concrete.Canada，1998.
［35］Pierre Claude Aitcin，Pierre Richard.The Pedestrian/thBikeway bridge of Sherbrooke.Ih：the 4，International symposium on utilization of high strength/high performance concrete.Paris，1996：1399-1403.
［36］Olivier Bonneau，Mohamed Lachemi，Eric Dallaire，et al.Mechanical properties and durability of two industrial reactive powder concretes.ACI Materials Journal，1997，94（4）：286-290.
［37］彭艳周.钢渣粉活性粉末混凝土组成、结构与性能的研究［学位论文］.武汉：武汉理工大学，2009.
［38］Dugat J，Roux N，Bernier G.Mechanical properties of reactive powder concretes，Materials and Structures，1996，29（5）：233-240.
［39］Matte V，Moranville M.Durability of reactive powder composites：influence of silica fume on the leaching properties of very low water/binder pastes.Cem Concr Compos，1999，21（1）：1-9.
［40］Roux N，Andrade C，Sanjuan A M.Experimental study of durability of reactive powder concretes.Journal of Materials in Civil Engineering，1996，8（1）：1-6
［41］Pierre Y.Blais，Marco Couture.Precast，Prestressed Pedestrian Bridge——World's first reactive powder concrete structure.PCI Journal，1999（9-10）：60-71.
［42］Dowd W M，Dauriac C E，Adeline R.Reactive powder concrete for bridge construction.Proc5th ASCE Materials Engineering Congress.Cincinnati.1999，5：359-366.
［43］Behloul B，Lee K C，Ductal R.Seonyu Footbridge.Structure Concrete，2003，4（4）：95-201.
［44］Brian C，Gordan C.The worlds first ductal road bridge Shepherds Gully Creek Bridge.CIA 21st Biennial Conference，Brisbane，2003：1-11.
［45］Bierwagen D，Hawash A A.Ultra high performance concrete highway bridge.Proceeding of the 2005 Mid-Continebt Transportation Symposium，Iowa，2005：1-14.
［46］覃维祖.活性粉末混凝土的研究.石油工程建设，2002，28（3）：1-3.
［47］刘娟红，宋少民，梅世刚.RPC高性能水泥基复合材料的配制与性能研究.武汉理工大学学报，2001，23（11）：14-18.
［48］刘娟红，宋少民.颗粒分布对活性粉末混凝土性能及微观结构影响.武汉理工大学学报，2007，29（1）：26-29.
［49］Song Shao-min，Liu Juan-hong，Mei shi-gang.The microstructure and performance of a cement matrix composite material.Journal of Wuhan University of Technology-Mater.Sci.Ed，2002，17（2）.
［50］何峰，黄政宇.200～300MPa活性粉末混凝土（RPC）的研制技术研究.混凝土与水泥制品，2000，（4）：12-14.
［51］杨吴生，黄政宇.活性粉末混凝土耐久性能研究.混凝土与水泥制品，2003（1）：19-20.
［52］何峰，黄政宇.硅灰和石英粉对活性粉末混凝土抗压强度贡献的分析.混凝土，2006，（1）：39-42.
［53］何峰.原材料对RPC 强度的影响初探.湖南大学学报：自然科学版，2001，28（2）：89-94.
［54］闫光杰，阎贵平，安明喆，陈毅卓.200MPa级活性粉末混凝土试验研究.铁道学报，2004，（2）：116-119.
［55］安明喆，杨新红 RPC材料的耐久性研究.建筑技术，2007，5（5）：367-368.
［56］安明喆，王军民，崔宁，马亚峰.活性粉末混凝土的微观结构研究.低温建筑技术，2007（3）：1-3.
［57］刘娟红，王栋民，宋少民，霍文霖.大掺量矿粉活性粉末混凝土性能与微结构研究.武汉理工大学学报，2008（11）.
［58］刘娟红，王栋民.养护对矿物细粉活性粉末混凝土性能的影响.武汉理工大学学报，2009（7）.
［59］Liu Juan-hong，Song Shao-min.Durability and micro-structure of reactive powder concrete.Journal of Wuhan University of Technology（Materials Science Edition），2009（3）.
［60］Liu Juan-hong，Song Shao-min.Effects of curing systems on properties of high volume fine mineral powder RPC and appearance of hydrates.Journal of Wuhan University of Technology（Materials Science Edition），2010（4）.
［61］耍荆荆.高速铁路预应力 RPC 桥梁疲劳可靠性设计方法研究［学位论文］.北京：北京交通大学，2010.
［62］王立闻.活性粉末混凝土高温后动力学特性研究［学位论文］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.
［63］毕巧巍，杨兆鹏.活性粉末混凝土的研究与应用概述.山西建筑，2008，34（17）：5-6.
［64］颜祥程，许金余，段吉祥，冷冰林.超高强活性粉末混凝土的抗侵彻特性数值仿真研究.弹箭与制导学报，2009，29（6）：103-106.
［65］陈万祥，郭志昆.活性粉末混凝土基表面异形遮弹层的抗侵彻特性.爆炸与冲击，2010，30（1）：51-57.
［66］Philippot S，Korb J P，Petit D，et al.Analysis of mieroporosity and setting of reactive powder conerete by Proton nuclear relaxation.Magnetic Resonance Imaging，1998，16（5-6）：515-519.
第二章 活性粉末混凝土的技术基础
活性粉末混凝土是通过提高组分的细度与活性粉体的数量，减少材料内部的缺陷，以获得超高强度和高耐久性。原材料中活性组分由优质水泥、硅粉、磨细石英砂、矿物细粉掺合料等构成，活性组分的粒径在0.1～1μm之间。减少材料内部缺陷的具体措施有：剔除粗骨料，减少过渡区，提高均匀性；通过提高粉体材料的细度，达到最大填充密实度；采用高性能减水剂降低水胶比；掺入细而短的钢纤维，提高韧性。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]