客运专线活性粉末混凝土试验和生产技术研究黄旭毅1 吴伟2 （1中国水利水电第十四工程有限公司 云南昆明 650000；2中国水利水电第十四工程有限公司 云南昆明 650000）摘 要：以京沪高速铁路三标段曲阜RPC混凝土盖板厂的生产成果，主要介绍RPC活性粉未混凝土配合比影响因素、生产流程、型式检验等，并对RPC盖板混凝土生产数据进行分析。关键词： 活性粉未混凝土 试验 生产技术 1、绪论1.1选题的背景与意义 自1824年硅酸盐水泥问世以来，以其为基本胶凝材料的混凝土，尤其是钢材与混凝土的复合，已成为世界上各种基础设施必不可少的基本建筑材料。随着建筑业、海洋业、交通业和环境保护业的飞速发展，大跨、轻型和在各种严酷条件下使用的建筑物的出现，对混凝土提出了更高的要求，而直到20世纪70年代， 在工程中实际使用的混凝土最高强度还只有34.2Mpa，更高强度、更好耐久性能的要求普通混凝土很难满足。活性粉末混凝土(ReactivePowderConcrete，简称RPC)是继高强、高性能混凝土(High Performance Concrete，简称HPC)后，于20世纪90年代开发出的超高强度、高韧性、高耐久性、体积稳定性良好的水泥基复合材料。它是DSP(Densifted System containing ultra-fine Partides)材料与纤维增强材料相复合的高技术混凝土。RPC是一种高强度、高韧性、低孔隙率的超高强混凝土。它的基本配制原理是：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)减少到最少，以获得超高强度与高耐久性。原材料中活性组分由优质水泥、硅粉、细石英砂(粒径小于lmm)等构成，活性组分的粒径在0.1mlm之间，另外原材料还包括高效减水剂和短细钢纤维等。作为一种新型结构材料，目前国内外的研究主要集中在原材料选择、配合比设计、实验室制备工艺以及材料力学性能研究，关于RPC材料大量用于工程实际生产的研究较少，尤其是标准化的RPC盖板构件厂的运作流程。在国内外的资料中对普通混凝土和高性能混凝土的损伤破坏分析，已有诸多研究和比较明确的结论。但是作为一种新型的水泥基复合材料，从宏观到微观RPC与传统混凝土材料不同，关于普通混凝土和高性能混凝土损伤演化的研究成果是否适用于RPC材料，目前国内外尚没有系统的研究。如能够充分了解RPC材料的破坏过程及盖板构件的破坏机理，掌握其裂缝的生成、扩展及结构在受载过程中其损伤的发展情况以及破坏的规律，可合理进行混凝土的配制，降低工程造价，也为工程设计、工程计算提供可靠的依据，以便在具体应用中更好地发挥效益和避免失误和事故的发生。1.2活性粉末混凝土材料的性能RPC是由超细活性粉末、水泥优质石英砂、矿物掺合料、高强度纤维等组成，通过最优级配设计，经高温热合等待特定工艺制备而成的高技术符合材料，具有高强度、高韧性、高耐久性、质量稳定、易于制造、外形美观、低孔隙率特点。其减少材料内部缺陷的具体措施包括：(1)只用直径lmm的石英砂作为细骨料，以在整体上消除内部结构的不均匀性，从而改善RPC的各项性能；(2)优选与活性组分相容性良好的减水剂，以降低水胶比(一般控制在不大于0.2)，提高水泥浆强度，同时减小用水量，大大降低空隙率；(3)优化组分的级配，通过提高组分的细度，成型过程中对混凝土施加压力。使RPC内部达到最大填充密实度，将材料初始缺陷降至最低：(4)掺入短细高强钢纤维以提高韧性和体积稳定性；(5)通过蒸汽养护手段来加速活性粉末的水化反应和改善微观结构，促进细骨料与活性粉末的反应，改善界面的粘结力。应用前三条措施制备的混凝土具有很高的抗压强度，但是其韧性并不比普通的砂浆高很多。掺加钢纤维后明显提高了抗弯拉强度，同时可以获得所需要的高韧性和延性。1超高的力学性能RPC材料具有超高的强度和良好的韧性。表1.1列出了RPC200，RPC800和HSC的主要力学性能参数。表1.1 RPC与HSC的主要力学性能比较混凝土种类RPC200RPC800HSC抗压强度/MPa17023050080060100抗折强度/MPa306045140610断裂能/Jm-22000040000012002000140弹性模量/GPa506065753040从表1.1中可以看出，RPC的抗压强度是HSC的3倍(RPC200)到12倍(RPC800)；RPC200的抗折强度高达60Mpa，是HSC的6倍，拉压比可达到1/4，远大于HSC的1/10而且断裂能大大提高。表1.2不同材料的断裂能材料种类玻璃陶瓷及岩石普通混凝土金属RPC钢断裂能/Jm-251001201000030000100000表1.2所示的是不同材料的断裂能，从表中数据可以看出，掺加微细的钢纤维能显著地提高RPC的韧性和能量的吸收能力，其断裂能达30000Jm-2，钢的断裂能为105Jm-2，而普通混凝土的断裂能却只有120 Jm-2，所以RPC具有优良的韧性。因此，RPC材料具有超高的强度和良好的韧性。2.优异的耐久性能RPC材料凝结后采用蒸汽养护方式改善微观结构，具有极小的孔隙率，材料内部孔隙较小且不连通，因此渗透率非常低，具有超高的耐久性。表1.3列出了NC、HPC、RPC200的主要耐久性能指标。表1.3 NC、HPC、RPC的主要耐久性能指标性能NCHPCRPC200氯离子扩散/1012m2s-11.10.60.02碳化深度/mm1020冰融剥落/gcm-210009007磨耗系数4.02.81.3吸水性/Kgm-2-0.350.05由表1.3中数据可知，RPC200的耐久性大大优于NC和HPC，具有优异的耐久性能。3.良好的环保性能表l.4给出了同等承载力条件下，普通型30MPa引气型混凝土、60MPa的HPC及RPC200的等效体积、水泥用量、生产水泥过程中CO2排放量及骨料用量。表1.4同等承载力条件下不同混凝土材料的生态性能比较品种30MPa引气型混凝土60MPa级HPCRPC200等效体积/m312610033水泥用量/t444023CO2排放量/t444023骨料用量/t23017060由表l.4中数据可知，同等承载力条件下，RPC材料的水泥用量几乎是普通混凝土与HPC的1/2，因此同等量水泥生产过程C02排放量也只有它们的一半左右.生产过程不可再生的骨料用量，RPC材料只占HPC与30MPa混凝土的1/3与1/4。4施工性能活性粉末混凝土拌和物不含有大粒径骨料，它不仅流动性好，而且粘聚性良好，在运输、浇注和捣实过程不发生离析现象。在窄小的模板内和钢筋间隙的通过性能良好，浇注后不需要振捣。施工性能良好。1.3活性粉末混凝土材料在工程中的应用 自RPC材料问世以来。法国、美国、加拿大、韩国等许多国家对其进行了大量的研究，并显示出优异的力学性能和良好的耐久性能，因此可应用的领域非常广泛，这在国外引起了材料界和工程界的极大兴趣，其中法国和加拿大已经将这种新型水泥基材料产业化和用于土木工程中。(1)Sherbrooke人行桥1997年秋，在加拿大的Sherbrooke的Magog河上，建起了一座长达60m的RPC人行桥，完成了RPC从理论到实践的飞跃。(2)美国于2001年在伊利诺斯州用RPC材料建成了18m直径的圆形屋盖，该屋盖未采用任何钢筋，设计中考虑了RPc材料的延性，直接承受拉、弯应力及初裂应力。现场拼装用时ll天，如采用钢结构，现场拼装则需要35天，大大缩短了施工工期。该屋盖因其先进的建筑材料和结构形式获得2003年Nova奖提名。(3)在韩国和澳大利亚，目前都有了RPC建造的桥梁。在欧州，位于克罗地亚，跨巴卡尔海峡的RPC拱桥，跨度为432米，全部由RPC200级的RPC材料预制拼装而成，这种做法根本性的改变了预制节段的截面性质，腹板和翼缘的厚度以及节段间的连接方式，这些结构的箱室截面翼缘的厚度可以小于12era。(4)北美的Lafarge公司将RPC材料商业化，为RPC注册了“Ductal”的商标，并应用于工程实际，甚至于用来制作装饰产品。2002年春，由法国著名建筑师Rudy Riccioti设计的象征法国与韩国合作与友谊的步行桥一和平桥建成了。 这座桥的主跨部分完全使用Lafarge公司的“Ductal”，它的一些基本参数为：跨度120m；高度5m；桥面板厚3cm；桥面板宽4.3m；横截面高1.11m；RPC用量240T；非预应力钢筋O；预应力钢筋13.2T。整座桥除了基础和桥墩部分外。全为预制装配、后张预应力施工，建设速度很快。设计中，和平桥很轻巧，自重很小，这都得益于RPC的超高强度。和平桥无论是从建设规模还是技术难度方面都远高于Sherbrooke步行桥，标志着RPC在实际应用中达到了新的高度。(5)我国有关RPC材料的研究在清华大学、北京交通大学、东南大学等高校进行，主要集中在材料的试配工作上。北京交通大学自1999年以来，对常规的搅拌工艺条件下矿物掺合料、纤维品种与掺量、养护制度等问题进行了大量的实验研究。在材料研究的基础上，设计铁路桥梁中常用的T梁、箱梁、槽梁、无配筋RPC200空心板，并将RPC制品应用于实际工程中。北京市五环路石景山转体斜拉桥隔离带，采用了形状尺寸为2000120060mm的无配筋RPC空心板，板内有直径为40mm的圆孔，可切、可锯。材料抗压强度140MPa、抗折强度14MPa：用于主桥防撞墙盖板。主要特点是：重量轻，有效降低主体结构荷载。并且可切割、开孔，现场安装简便。该工程于2003年lO月完工，使用至今该板性能稳定，质量可靠。(6) 铁道部对RPC材料在铁路工程中应用进行了多项专题研究，先后组织完成了“RPC材料在铁路桥梁中的应用研究”、“高速铁路桥面设施设计研究及高性能构件的研制”、“RPC底高度梁”等科研课题，并通过了科研成果鉴定。2005年RPC人行道板在青藏铁路桥梁进行了试用，2007年RPC技术在襄渝二线铁路桥梁人行道板及迁曹线上低高粱得到应用。2008年在郑西客运专线建设中，相关施工、设计、科研单位联合建立了RPC盖板生产基地，研发机械化制板生产线和自动温控养护设施，生产的RPC盖板通过产品质量检验，满足技术条件要求，工程应用效果良好，形成了成套设计、设备和制造技术，RPC盖板的设计已编入客运专线桥梁等铁路通用参考图。(7) 2009年10月京沪高速铁路三标段中国水利水电第十四工程局有限公司曲阜RPC盖板厂生产基地投产，施工企业独立掌握了RPC材料的整套制造工艺，并自主设计开发了RPC盖板承载力试验机用于构件性能检验。1.4 RPC材料研究中尚存在的问题RPC作为高技术混凝土，其性能同普通混凝土、现有的高性能混凝土相比有了质的飞跃，且在经济性和环保方面优于钢材，但作为一种新的工程材料，要确实大范围的得到应用，从RPC的性能研究到破坏机理分析，仍有许多工作要做，主要存在的问题包括如下几方面：(1)缺少一套包括原材料的选择、优化以及RPC的搅拌、成型、养护等各个工艺流程参数的完备资料。规范的制备工艺，是RPC材料具备超高性能的重要保证和推广应用的前提。(2)目前各国尚无通用的RPC的结构设计规范，若仍按普通混凝土的设计方法进行RPC结构设计，无疑不能将RPC的材料优势发挥出来，所以有必要对RPC结构的构造措施结构形式和实用设计理论进行研究。