RPC混凝土用于快速拼装施工中的可行性分析

RPC混凝土用于快速拼装施工中的可行性分析

李彦滨1韩箫1

李彦滨1韩箫1

1北京市市政专业设计院股份公司北京100037

摘要：活性粉末混凝土（ReactivePowderConcrete，简称RPC）是继高强、高性能混凝土之后研制成功的集超高强度、高耐久性于一身的新型水泥基复合材料。在土木工程领域中，随着高层建筑和大跨结构迅速增加，为RPC的应用和推广提供了巨大的市场。笔者通过理论分析、模拟试验等方式对RPC材料与钢材结合能力进行测定，并据此论证RPC材料应用于快速拼装施工中的可行性。

关键词：RPC混凝土；快速施工；可行性分析

1RPC混凝土概述

1.1RPC混凝土的概念

RPC混凝土也叫活性粉末混凝土（reactivepowderconcrete），定义：以细砂为骨料，掺入大量硅灰等矿物掺合料、高效减水剂和微细钢纤维，薄弱的界面得到大幅度加强，使断裂能提高两个数量级以上，成为一种高强度、高韧性、低孔隙率的混凝土材料。是于1993年由法国Bouygues公司Richard等人率先研制出来的[1]。

1.2国内外RPC混凝土研究现状

由于活性粉末混凝土具有超高强度、高韧性、高耐久性、良好的体积稳定性和环保性能，因此可应用的领域极为广泛[4]。这在国内外引起了材料界和工程界的关注，并进一步研究如何将这种材料产业化应用于土木工程中。

国外对RPC配制技术的研究较为成熟，有关RPC的材料、配比、养护条件、耐久性和强度等方面研究成果表明，由于RPC具有较好的匀质性及密实度，抗压强度和耐久性等均有大幅提高；养护条件对RPC力学性能的影响很大，确定了合适的养护条件[1]、[2]、[5～6]。目前，国外对RPC的研究重点已从基本性能转移到了构件及结构的设计方法上，以求将这种材料尽快在结构应用中推广[3]。

当前国内也有很多单位开展了对RPC材料的研究，清华大学最早开始研究RPC材料，东南大学、北京交通大学、中南大学等都相继开始研究RPC的配合比及成型工艺。很多学者开始研究RPC的构件性能，对其结构进行理论计算，并在实际工程中开始使用RPC结构，虽然仅作为辅助构件，但RPC的优越性仍然显露无疑。

在对RPC的本构关系的试验研究中，与普通高性能混凝土（HPC）和普通混凝土（OC）进行比较，结果表明：RPC的极限压应变是HPC的2~3倍。在相同抗弯强度的前提下，RPC结构重量仅为普通钢混结构的1/2~1/3，大大减轻了结构自重；同时，在未经加压成型、标准养护等条件下，RPC的抗压强度仍可达170MPa~230MPa。

1.3国内RPC混凝土研究存在问题

我国对RPC的研究虽然起步较晚，但也取得了一定的成绩。就目前而言，RPC在研究中存在着以下几个问题。

（1）缺少优质掺料。

（2）制作成本高，制备工艺复杂。

（3）自收缩较大。

（4）缺少明确公认的RPC本构关系。

（5）虽然RPC具有较好的韧性，但RPC构件的抗震性能能否满足结构的抗震要求目前还未可知，相关研究工作还没开展，因此应进一步考察RPC受力构件的抗震性能[3]；

（6）目前有关高性能混凝土抗火性能及灾后损伤评估的研究还不完善，而活性粉末混凝土在高温下的破坏现象和机理目前还没有相关研究，急需开展相关的试验研究，以考察RPC的抗火性能[3]；

（7）缺少完备的规范制度。

（8）要提出针对RPC这种新材料的活性测试技术，就必须解决缺乏相对稳定的操作规程、相应的数据解释文件及标准参考值的现状；

（9）大比尺构件模型试验结果与实际原型工程测试结果的对比资料仍然是一片空白。

2RPC混凝土用于快速拼装施工的优点

随着国家经济的房展，城市交通压力日益增大；在现况城市交通网内进行结构施工，会影响到城市正常的交通运营。在这种背景下，快速拼装施工的优点不言而喻。拼装施工就像搭积木一样，把整体结构划分为多种结构预制单元，再通过栓接、焊接、二次浇筑接头等方式在现场快速拼装成形，大大节省了现场作业的时间，减少了城区内施工对于交通的影响。同时，该施工工艺具有：厂制单元质量高、尺寸精度好、现场施工快捷、工艺简单、极大的节省了施工工期等特点。

但是现有的拼装施工中由于混凝土材料本身的缺点，预制单元多采用钢结构，增加了工程投资。

而活性粉末混凝土（RPC）特殊的性能可以弥补这些缺点，笔者从RPC材料自身特性出发，挖掘其在拼装施工领域的适用性。

2.1高强度、高韧性、高耐久性

RPC的抗压强度可以达到200MPa~800MPa；抗拉强度可以达到20MPa~50MPa；弹性模量为40Gpa~60Gpa；断裂韧性高达40000J/m2，是普通混凝土的250倍，可与金属铝媲美；氯离子渗透性是高强混凝土的1/25，抗渗透能力极强；预应力活性粉末混凝土梁的抗弯强度与其自重之比接近于钢梁。RPC在工程结构中的应用可以解决目前的高强与高性能混凝土抗拉强度不够高、脆性大、体积稳定性不良等缺点，同时还可以解决钢结构的投资高、防火性能差、易锈蚀等问题。

2.2RPC与钢材结合性能优越

普通混凝土在复杂应力及疲劳荷载作用下，结合处易开裂、剪力键失效等，这是其用于拼装施工中的主要弊病。

而笔者通过查阅国内外资料、模型分析、试件试验等方法，分析发现RPC材料兼顾了混凝土材料和钢材的部分优点，非常适合运用到钢—砼组合构件中，其优越的性能也通过钢筋拔出试验、剪力键推出试验、板受弯试验等得到了验证。现总结出以下结论：

（1）RPC本身超高的强度和致密性，使得粘结强度比普通混凝土高了很多，并且在钢筋拔出试验中没有出现劈裂破坏。

试验均采用立方体RPC试块，只是钢筋直径和布置位置有所不同。试验均以钢筋被拉断或钢筋拔出作为最终破坏形式，RPC混凝土完好，未出现明显裂缝。

部分试块保护层厚度小到1厘米，在拉拔力试验中，仍然没有混凝土被劈裂的现象产生，说明RPC材料的抗劈裂性能很好，能够很好地握裹住钢筋，而且可以看出RPC超高的致密性可以更好地保护钢筋不被腐蚀。

（2）对RPC混凝土与普通混凝土的钢筋拔出做对比试验，验证了RPC对钢筋的握裹力明显高于普通混凝土。

RPC与HRB500钢筋的粘结强度规律与普通混凝土和普通钢筋的粘结性能一致，都是与相对保护层厚度成正比，与相对锚固长度成反比，与钢筋直径成反比，只是因为RPC本身超高的强度和致密性，使得粘结强度比普通混凝土高了很多。在钢筋被拔出至破坏的过程中，变形钢筋肋间的混凝土主要是受拉力作用，所以RPC的抗拉强度对粘结强度有一定的影响。粘结强度随着RPC强度的提高而提高。

（3）RPC剪力键推出试验中，多组试验结果均是剪力钉被剪断，RPC没有出现明显裂缝；证明在剪力键传力体系中RPC的安全性能较高。

试验采用经典剪力键推出试验模型，对于剪力钉直径、剪力钉间距等进行了分组。

按照《钢结构设计规范》（GB50017-2003）第11.3.1条的规定，对于栓钉剪力连接件进行验算。

由于RPC混凝土超高的抗压强度，使得公式左边的值远高于普通混凝土。

RPC混凝土的轴心抗压强度设计值取为130N/mm2，普通混凝土采用C50，即普通混凝土的轴心抗压强度设计值取为22.4N/mm2；带入公式发现RPC的计算结果是普通混凝土的2.4倍。而采用普通混凝土计算发现，（混凝土承载力），（钢栓钉承载力）。普通混凝土与钢栓钉的承载力基本相等。故RPC混凝土的承载力为钢栓钉的二倍以上，所以推出试验中，剪力钉被剪断，RPC没有出现明显裂缝。

（4）RPC板件的正截面受弯与普通混凝土的适筋梁正截面受弯破坏状态一样，只是RPC出现裂缝后，还能继续承担部分荷载，不会发生混凝土突然断裂的情况，说明RPC具有较好的延性，这对工程应用有着重要意义。

综上所述，RPC混凝土与钢构件结合的性能较强，在常规验证试验中均表现出了超越普通混凝土的优良特性。可以设想，通过合理的构造设计，我们把一个大体量的混凝土结构拆分为多个小规模构件，在各小构件连接处预埋钢连接件；在施工现场通过快速的栓接、焊接等工艺迅速组装构件，形成整体受力的结构；然后在不影响交通运营的基础上，对连接部位进行现浇处理，用混凝土保护住钢构件，完成整个施工流程。

这种做法既保证了混凝土结构的整体性和可靠性，又尽可能的减小施工占地的时间和空间，节省了造价、工期，可谓一举多得的好方案。

3RPC混凝土用于快速拼装施工存在的问题

RPC良好的性能，使其应用于拼装施工领域的潜力极大，在论证了RPC的优点后我们也从存在问题的角度分析一下其存在的问题及今后研究的方向。

3.1较高的造价和严格的制作工艺

这是RPC材料应用于工程领域最大的绊脚石。由于国内对于RPC材料运用起步较晚，不具备大型工业化生产的能力，使得RPC材料在国内造价过高。

RPC材料配料、搅拌、养护等要求均比普通混凝土严格，制作工艺的不成熟和苛刻的制作条件要求限制了这一材料的推广。

不过随着技术的更新和市场化运作的开始，RPC材料一定能从试验性材料转变为市场广泛推广材料。

3.2缺乏规范及标准

RPC材料在国内尚属于开发阶段，国内还没有针对这种材料的相关规范和标准，制约着RPC投放市场的进度。随着更多相关科研成果、试验工程的出现，RPC的规范化进程也会越来越快。

3.3缺少实际工程

尽管RPC材料在国际上已经运用到实际工程中，并作为主受力构件已经开始运营，但是国内仅仅将其用于局部构件或者附属构件中，暂时没有把RPC作为主受力构件的工程案例。

4结论

RPC作为一种新兴材料应用于快速拼装施工领域是可行的，也是非常有潜力的。其优越的性能为土木工程业打开了一片新的领域，虽然目前存在着一些技术、经济方面的问题，但随着土木工程业对其研究的深入，我们对于RPC的前景充满信心。

参考文献：

[1]P.Richard，M.Cheyrezy.Reactivepowderconcretewithhighductilityand200Mpa～800Mpacompressivestrength，ACISP144，1994，507-518.

[2]PierreRichard，MarcelCbeyrezy，CompositionofReactivePowderConcrete，CementandConcreteResearch，1995，Vol.25（7）：1501-1511

[3]王震宇，陈松来，袁杰.活性粉末混凝土的研究与应用发展[J].混凝土，2003，11（168）：39-44.

[4]覃维祖.活性粉末混凝土的研究[J].石油工程建设，2002（3）

[5]MarcelCbeyrezy，VincentMaret，LaurentFrouin.MicrostructuralAnalysisofRPC.CementandConcreteComposites，1995，Vol.25（7）：1491-1500

[6]V.Matte，C.Richet，M.Moranville.Characterizationofreactivepowderconcreteasacandidateforthestorageofnuclearwastes.SymposiumonHigh-PerformanceandReactivePowderConcrete，Sherbrooke，Canada，1998，Vol.3：75-88

作者简介：

李彦滨，男，工程师，硕士，从事桥梁设计工作。