李澤良

【摘 要】活性粉末混凝土是一種高強度、高韌性的新型超高性能水泥基復(fù)合材料，應(yīng)用前景非常廣闊。基于國內(nèi)外已有研究成果，總結(jié)了活性粉末混凝土力學性能的研究現(xiàn)狀，簡要分析了目前研究中存在的不足和有待研究的問題，以期為其深入發(fā)展與應(yīng)用提供參考。

【關(guān)鍵詞】活性粉末混凝土；強度；斷裂韌性

0 引言

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡稱RPC）相較于普通混凝土，具有更高的強度和韌性。其抗壓強度可達到170～230MPa，是普通混凝土的3～5倍；其抗拉強度達到 50MPa，是高強混凝土的5倍；其斷裂韌性是普通混凝土的250倍，它是一種由級配良好的水泥、石英砂、活性摻合料、高效減水劑、鋼纖維與水拌合后經(jīng)濕熱養(yǎng)護而成的新型超高性能水泥基復(fù)合材料，在房屋建筑，市政工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。

目前，國內(nèi)外學者對RPC的研究眾多，諸如尺寸效應(yīng)、單軸拉壓強度、雙軸和三軸力學性能、斷裂性能、配筋試件的抗拉性能以及構(gòu)件設(shè)計方法等。基于已有研究成果，本文著重綜述了RPC力學性能的研究現(xiàn)狀，簡要分析了目前研究中存在的問題，以期為RPC的深入發(fā)展與應(yīng)用提供參考。

1 RPC力學性能研究

RPC力學性能是影響RPC構(gòu)件和結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵因素，是推廣其工程應(yīng)用首先要探究的問題。RPC典型的力學特點是強度高、韌性好，學者們參照普通混凝土性能試驗方法研究了其強度和斷裂韌性，取得了豐碩的結(jié)果。

1.1 強度

李居紅[3]綜合探討了水灰比、纖維種類及摻量、硅粉和石英粉摻量、齡期對RPC抗壓強度和抗折強度的影響。研究結(jié)果表明，水灰比和硅粉、磨細石英粉摻量都增加的情況下，RPC抗壓、抗折強度逐漸減小；當硅粉摻量增加，水灰比不變的情況下，齡期越大，抗壓強度越大。纖維種類不同，RPC強度性能各有差異。研究表明，細密鋼纖維大于粗鋼纖維，玻璃鋼纖維大于弓形鋼纖維。其他條件不變的情況下，纖維含量的增加對抗壓強度的影響不大。

鞠彥忠通過試驗研究了RPC抗折強度、劈拉強度和抗壓強度的變化規(guī)律，建立了不同鋼纖維體積含量的RPC受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€數(shù)學表達式，擬合了抗折強度和劈裂強度的關(guān)系表達式[4]。試驗結(jié)果表明，鋼纖維含量對RPC強度的影響各有不同，差異明顯。影響RPC強度最主要的因素是水膠比。當鋼纖維含量為1.0～3.5%時，RPC抗折強度、劈拉強度和抗壓強度隨著鋼纖維摻量的增加而增大。當鋼纖維體積含量超過3.5%時，RPC抗折強度顯著增加，劈拉強度幾乎不變，抗壓強度有所下降。

高溫后混凝土力學性能對火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的損傷評估與鑒定加固具有重要意義。鑒于此，鄭文忠[5]對RPC摻不同聚丙烯纖維（PPF）體積量的試件進行了軸心受拉試驗、棱柱體受折試驗、棱柱體受壓試驗和立方體受壓試驗，分析了PPF摻量對RPC高溫后殘余軸心抗拉強度、殘余抗折強度、殘余軸心抗壓強度和殘余立方體抗壓強度的影響。研究顯示，常溫下隨PPF摻量的增加，RPC強度逐漸下降。當經(jīng)歷溫度高于200℃時，隨PPF摻量的增大RPC力學性能相應(yīng)提高；高溫后RPC殘余抗壓強度、殘余抗折強度和殘余軸心抗拉強度均隨經(jīng)歷溫度的升高先增大后減小。鄭文忠[5]等人還建立了高溫后各殘余強度隨溫度變化的計算式。

目前RPC強度指標的取值研究尚未給出一般標準。RPC強度分級方法和材料分項系數(shù)的標準不同，限制了RPC在工程中的推廣應(yīng)用。呂雪源[1]提出以邊長70.7mm立方體抗壓強度標準值作為RPC強度等級劃分依據(jù)。通過研究，建議RPC材料分項系數(shù)取1.3。基于大量試驗數(shù)據(jù)和可靠性分析，給出了不同強度等級下RPC抗壓、拉強度設(shè)計值、彎曲開裂應(yīng)變、峰值壓應(yīng)變、軸拉開裂應(yīng)變、受壓邊緣極限壓應(yīng)變、泊松比的具體取值，為RPC構(gòu)件設(shè)計提供了計算參數(shù)。1.2 斷裂韌性

作為高性能混凝土，RPC的斷裂韌性對提高結(jié)構(gòu)的延性，尤其是極端荷載下結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力具有重要的意義。然而，未摻纖維的RPC脆性比普通混凝土和高強混凝土更大，在高應(yīng)力或復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下易發(fā)生爆裂式脆性斷裂。目前學者和工程技術(shù)人員通過摻入纖維予以改善，研究熱點也主要涉及纖維種類和摻量。

張倩倩[6]采用三點抗彎實驗，研究了不同鋼纖維摻量對RPC抗斷裂性能的影響。結(jié)果表明，摻入鋼纖維后，鋼纖維與RPC基體的界面過渡區(qū)經(jīng)過蒸養(yǎng)后有所改善，界面粘結(jié)強度增加，RPC抗斷裂能力提高。但隨著增加超過2%時，RPC抗斷裂能力沒有明顯提高變化。周瑞忠[7]也指出鋼纖維能夠有效改善材料的韌性。采用線彈性斷裂力學基本理論基于虛擬裂縫模型，分析了RPC和纖維增強RPC的斷裂特性。

由于鋼纖維對RPC斷裂韌性的改善效果有限，近來較多的研究采用了混雜纖維的方法。有學者通過三點彎曲斷裂試驗，研究了單摻鋼纖維、鋼纖維-粗聚烯烴纖維混摻、鋼纖維-聚乙烯醇纖維混摻以及鋼纖維-粗聚烯烴-聚乙烯醇纖維混摻對改善活性粉末混凝土斷裂韌性的效果。研究發(fā)現(xiàn)：鋼纖維體積摻量為2%，粗聚烯烴或聚乙烯醇纖維摻量為10kg/m3時，與單摻鋼纖維相比，鋼纖維-粗聚烯烴纖維混摻峰值荷載提高了52.5%，斷裂能提高了136%斷裂韌度提高了112%。鋼纖維-聚乙烯醇纖維混摻試件峰值荷載提高了85%，斷裂能提高了88.6%，斷裂韌度提高了50.9%。纖維摻量合適時，鋼纖維與合成纖維混摻表現(xiàn)出良好的混雜效應(yīng)，鋼纖維體積摻率1%～1.5%，合成纖維總摻量9kg/m3時，對改善RPC斷裂性能效果最理想。

鄧宗才[8]同樣通過彎曲實驗研究了鋼纖維與不同品種、不同摻量合成纖維混摻對RPC斷裂韌性的改善效果。結(jié)果表明：當體積摻量1%或2%的鋼纖維與粗聚烯烴纖維或細聚乙烯醇纖維混摻時，可顯著改善RPC的彎曲韌性；體積摻量1%的鋼纖維與粗聚烯烴纖維、細聚乙烯醇纖維混摻時的韌性指標比單摻鋼纖維分別提高49.8-140%和82.3-215.6%；從經(jīng)濟性看，體積摻量1%的鋼纖維與粗聚烯烴或者細聚乙烯醇纖維混摻時增韌效果更優(yōu)。

總的來說，關(guān)于RPC力學性能的研究已經(jīng)比較成熟，但多軸應(yīng)力狀態(tài)下RPC強度特性的研究還十分缺乏，需要進行大量的多軸試驗，給出各種應(yīng)力狀態(tài)下的本構(gòu)關(guān)系和破壞準則；不同纖維混雜方式和摻量等對RPC斷裂韌性的改善效果也有待進一步探討。

2 結(jié)語

國內(nèi)外學者對活性粉末混凝土力學性能進行了廣泛的探討，證明了活性粉末混凝土具有強度高、斷裂韌性好的特點，但是以下問題制約了PRC技術(shù)在工程實踐中的廣泛應(yīng)用：

（1）現(xiàn)行研究方法、計算標準對RPC混凝土有很多不恰當之處，沒有形成完備的測試標準。

（2）RPC混凝土工程應(yīng)用仍限于參考纖維高強混凝土加上經(jīng)驗估算的方式進行。

（3）RPC構(gòu)件的計算方法和性能指標有待發(fā)展和完善。

今后需要對以上問題進行深入的理論和試驗研究，以推動活性粉末混凝土更廣泛、更合理的應(yīng)用。

【參考文獻】

[1]呂雪源，王英，符程俊，等.活性粉末混凝土基本力學性能指標取值[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2014，10：1-9.

[2]鞠彥忠，王德弘，張超.活性粉末混凝土的研究與應(yīng)用進展[J].東北電力大學學報，2011，Z1：9-15.

[3]李居紅，郭勇，姜德民.活性粉末混凝土力學性能的研究[J].混凝土，2014，2：88-90+94.

[4]鞠彥忠，王德弘，李秋晨，等.鋼纖維摻量對活性粉末混凝土力學性能的影響[J].實驗力學，2011，3：254-260.

[5]鄭文忠，李海艷，王英.高溫后不同聚丙烯纖維摻量活性粉末混凝土力學性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，2012，9：119-126.

[6]張倩倩，魏亞，張景碩，等.鋼纖維摻量對活性粉末混凝土斷裂性能的影響[J].建筑材料學報，2014，1：24-29.

[7]周瑞忠，姚志雄，石成恩.活性粉末混凝土為基底材料的斷裂和疲勞試驗研究[J].水力發(fā)電學報，2005，24（6）：40-44.

[8]鄧宗才，周冬至.Jumbe R.Daud.混摻纖維對改善活性粉末混凝土彎曲韌性的試驗研究[J].混凝土，2014，4：90-92+96.endprint