道路、市政、桥梁、核电等诸多重要领域建筑用材：活性粉末混凝土（RPC）
混凝土是当今土木建筑工程广泛使用的建筑材料，随着科学技术的进步和城市化规模的不断扩大，现代建筑日益向高层、大跨和地下发展，对建筑结构的安全性、适用性和耐久性提出越来越高的要求，高强、高性能混凝土的出现和发展适应了这一要求。高强和高性能混凝土由于具有强度高、承载力大、资源和能源消耗少、耐久性好等优点，满足了土木建筑工程轻质、高层、大跨、重载化及耐久性等方面的要求，从而得到迅速推广和应用。
活性粉末混凝土（reactive powder concrete，RPC）是法国BOUYGUES公司于20世纪90年代率先研发的新一代高强和高性能混凝土，具有超高强度、高韧性和良好的耐久性等，1994年在Richard等发表的论文中公开提出。RPC主要由水泥、石英砂、石英粉、硅灰、超塑化剂和钢纤维组成，在一定制备工艺下其抗压强度可达200~800Mpa（按强度分为RPC200和RPC800两级），抗折强度为20~40MPa，断裂能达4×104J/m2。作为一种新型的高性能混凝土，RPC自问世以来便受到了国内外学者的广泛重视与关注，并在道路、市政、桥梁、核电和军事工程等诸多领域得到了发展和应用。
混凝土是当代广泛使用的建筑材料，也是现代最大宗的人造材料，已成为土木工程用材的主体。据不完全统计，2012年世界水泥产量已超过38.2亿t，折合成混凝土则大于150亿m3，我国的水泥产量达21.84亿t，商品混凝土产量8.88亿m3，约为世界总产量的1/2，居世界首位。
与其他建筑材料相比，混凝土具有抗压强度高、弹性模量大、耐久性好等特点，同时，生产原料广泛、成本低、生产工艺简便使它在土木工程领域得到了广泛应用。然而，一般的混凝土材料存在变形性能较差、脆性大、自重大、抗拉强度低等缺点，在一定范围内又限制了它的使用。因此，改善混凝土材料的性能便成为学术界和工程界坚持不懈的研究课题，人们期望混凝土材料具有更高的强度、更大的弹性模量和更好的变形能力，其中，提高混凝土强度更是诸多国内外研究者百余年来努力的方向。
混凝土的强度和水灰比有关，水灰比越小，混凝土的强度越高，但仅靠减小水灰比提高混凝土强度也是不现实的，因为过小水灰比的混凝土工作性、流动性非常差，实际上成了干硬性混凝土，同时也使混凝土变得不密实，强度反而降低。
减水剂的发明与应用，以及硅灰、粉煤灰、沸石粉等优质矿物掺料的使用，是混凝土技术的重大发展。掺入减水剂可以大幅降低水灰比并保证混合料的流动性，使混合料的拌制、运输、浇筑和成型等工艺变得容易，提高强度的同时改善了混凝土的性能；硅灰等活性掺料则可以减少水泥中的碱骨料反应，同时改善混凝土的孔结构并降低孔隙率，从而提高混凝土的强度。
20世纪60年代，日本首先成功研制出高效减水剂，从此开辟了混凝土技术的新时代。高效减水剂使混凝土的高强和高流态变得相当容易，使高强混凝土（high strength concrete，HSC）的广泛应用成为可能。在20世纪70年代末期，日本已经能够制备C80~C90的HSC，90年代初期，日本集中研究使用C110HSC建造60~90层高层建筑的可行性和关键技术；北美于1976年开始采用高效减水剂制备HSC，并很快在高层建筑中广泛应用；我国清华大学在20世纪70年代末期自行研制出高效减水剂并投入生产，为我国HSC的发展提供了基础，但直到80年代初期，我国才开始对HSC进行广泛的研究和应用。
在HSC应用中，随着新型外加剂和胶凝材料（尤其是硅灰）的出现，使既有优良工作度，又有优异力学性能和耐久性的混凝土生产成为现实，这种新型混凝土称为高性能混凝土（high performance concrete，HPC），并在实际工程中得到了应用。
例如，美国西雅图第二联合广场大厦是世界第一座采用平均抗压强度达120MPa的HPC建造的建筑（1989年，56层，高226m，C120）。Scotia大厦是加拿大用HPC建造的第一幢混凝土建筑（1988年，C70），也是该国最高的混凝土建筑。1991年我国的广东国贸大厦首次应用C60的HPC，此后，HPC在国内高层建筑中得到了广泛应用，如上海金茂大厦（C60）、沈阳皇朝万鑫国际大厦（C60）和北京西站（C60）等工程。
在桥梁隧道工程中，日本早在20世纪60年代就采用C60～C80混凝土建设高强混凝土铁路桥。法国的伊沃纳河桥采用C70的HPC和体外预应力索的结构形式，使混凝土用量减少30%，自重降低24%。美国纽约自1996年就要求全州新建桥梁的桥面必须使用HPC。欧洲英吉利海峡隧道位于海平面下50～250m，总长50.5km，其中37km位于海平面下，整个隧道由三条分隧道组成，设计寿命为120年，原设计强度为45MPa，由于耐久性方面的要求，采用了平均抗压强度约63MPa的HSC。
在我国，京津城际铁路是首次在设计中提出要求采用HPC的轨道交通工程，该工程2005年底开工至2008年8月开通运营，在采用HPC的所有结构物中，经检测没有发现混凝土开裂、腐蚀、溶洞等现象，混凝土表现出较好的耐久性。
我国的一些国有大型煤矿在矿井施工和隧道支护中也推广使用HSC和HPC，如淮南矿业集团丁集矿在冻结段井壁结构设计中首次采用了C60～C70HSC和HPC，并在该矿的三个井筒冻结段井壁工程中得到成功应用。在澳大利亚、加拿大、日本和美国，HPC已用于固定式和漂浮式钻井平台。
HSC和HPC的广泛应用，也暴露出一些问题。一是HSC的高脆性严重影响结构的抗震性；二是HSC水灰比较低，容易产生较大的收缩变形，导致结构过早出现裂缝，影响结构的正常使用。例如，美国的混凝土桥面板在20世纪70年代普遍开裂，为延长桥的使用寿命转而使用更高强度的混凝土进行翻修。1995年美国公路战略研究计划的调查结果表明，约有10万座桥梁的桥面板在浇筑后一个月内便出现间隔1~3m的裂缝。分析认为，HSC早期的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（徐变）减小，导致它比中、低强度的混凝土更容易开裂。其次，硅粉掺量越多、水胶比越低的混凝土，早期强度发展越迅速，开裂和强度倒缩现象也就越显著。此外，HSC和HPC存在耐火性能差的缺点，当遭受高温或火灾时，温度梯度、内外约束、水泥浆体同骨料热膨胀的不匹配以及温度敏感性等会引起材料热开裂，导致混凝土的爆裂性破坏，进而引发结构的整体失效，造成灾难性后果。1996年发生在英吉利海峡隧道的10h火灾，导致数千米长的HPC（抗压强度达到100MPa）爆裂，造成隧道内表面长约40m、厚约450mm的剥落受损。1999年连接法国和意大利的勃朗峰隧道发生火灾，隧道中的混凝土衬砌被全部烧毁，事故发生后，该隧道被关闭维修长达两年之久。美国“9·11”事件中世贸中心配楼的坍塌也是一个著名的例子，钢筋混凝土大厦在800℃以上高温作用下，因结构丧失承载力而发生坍塌。此外，温度的持续作用还会导致服役期内混凝土结构的耐久性降低，使结构过早地进入大修阶段或者提前结束服役年限。
为避免上述问题的发生，常在硅灰混凝土中掺入钢纤维来增加混凝土的韧性、控制其开裂；通过在混凝土中掺加可熔的有机纤维、在混凝土外层设置阻火屏障以及在混凝土外层加设钢筋网或覆盖钢板、钢筋网片等方法来防止混凝土的爆裂飞散。但是，掺加钢纤维时粗骨料的存在会使钢纤维的“架桥”作用受到限制，而且长的钢纤维对拌合物的工作度影响又十分显著。
1993年，法国BOUYGUES公司的Richard和Cheyrezy仿效高致密水泥基均匀体系（densified system containing homogeneously arranged ultrafine particles，DSP），将其中的粗骨料剔除，换用最大粒径为400~600μm的石英砂作为骨料，掺入适量短纤维和硅灰等活性矿物掺料，通过成型施压、热养护等工艺，制备出强度高、其他性能优异的水泥基复合材料，由于这种混凝土增加了组分的细度和反应活性，因此称为RPC。该材料申报了专利，并在1994年美国混凝土学会旧金山春季会议上首次公开。1998年8月在加拿大魁北克省Sherbrooke大学召开了第一次有关RPC和HPC的国际研讨会，与会专家就RPC的原理、性能和应用进行了广泛深入的讨论，一致认为：RPC作为一种新型材料，具有广阔的应用前景。
RPC根据其抗压强度分为RPC200和RPC800两级。其中，RPC200的制备条件接近普通混凝土（normal concrete，NC），它在凝固期内不需加压，采用热养护，养护温度为20~90℃；RPC800在凝固期内施加10~50MPa的压力，并在250~400℃高温下养护制得。凝固期内RPC200的抗压强度可达170~230MPa，是HSC的3~12倍，RPC800的抗压强度则高达500~800MPa。重要的是，RPC的抗折强度和断裂能大大提高，抗折强度达50~60MPa，是HSC的10倍，掺入微细钢纤维能显著提高RPC的韧性和断裂能，其断裂能可达3×104J/m2，足可与金属媲美，而普通混凝土的断裂能仅为120J/m2，有效克服了HSC的高脆性。
表1给出了RPC200和RPC800的典型配比。表2比较了RPC和HSC的力学性能指标，表3给出了一些材料的断裂能，图1表示不同材料的断裂能。
表1 RPC200和RPC800的典型配比（以重量计）
表2 RPC和HSC的力学性能指标
表3 不同材料的断裂能
图1 不同材料的断裂能
RPC水胶比极低，良好的孔结构和孔隙率使其具有极低的渗透性、较高的抗环境介质侵蚀能力和良好的耐磨性能，从而使RPC具有优异的耐久性。表4是RPC、HPC与NC的耐久性比较。
表4 RPC、HPC和NC的耐久性对比
活性粉末混凝土(RPC)是20世纪90年代研发的一种具有超高强度和高韧性的新型水泥基复合材料。《活性粉末混凝土的制备与物理力学性能》系统总结作者团队10年来在RPC研究方面取得的主要进展。全书共10章，包括RPC的制备原理及配比、RPC的静力学性能、钢纤维RPC的黏结机理、RPC的断裂韧性及表征方法、RPC的尺寸效应、RPC的动态力学性能、RPC的热物理性质、RPC的内部温度场、蒸汽压分布及爆裂、高温下RPC内部温度应力的数值计算及爆裂机理等方面的内容。
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