活性粉末混凝土在国外发展情况概述

摘 要：活性粉末混凝土作为一种超高性能混凝土材料，从发明到今天经历了二十余年的发展，使其越来越多的应用于土木、水利等工程。文章就活性粉末混凝土的产生、特性、国外工程应用和会议、发展前景等情况进行概述，对以后提高材料性能、拓宽应用领域、解决实际问题等方面都具有很好的借鉴作用。

关键词：活性粉末混凝土；工程应用；超高性能

1 活性粉末混凝土简介

自1824年波特兰水泥问世以来，以其为基本胶凝材料的混凝土，特别是钢筋混凝土至今已成为世界上各种基础设施必不可少的基本建筑材料。尽管这样，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。为适应大型构筑物和多因素耦合破坏等环境，混凝土应具有高强、高耐久的极佳性能才能满足社会发展的需要，随着高效减水剂和硅灰广泛使用，使这种想法变成了可能，又经过二十余年对高强混凝土的试验研究，活性粉末混凝土应运而生。

在高强混凝土广泛应用后，随之而来的便是比中低强度混凝土更为严重的开裂问题。由于硅灰的掺入，使得混凝土早期开裂几率较大幅度地增加，为了抑制裂缝的产生，可从限制硅灰掺量和掺加纤维等方面入手，限制硅灰掺量并没有取得较好效果。同时，法国中央路桥研究院使用钢纤维掺入到硅灰混凝土中以控制其开裂，取得了一定的效果。混凝土原材料中粗集料多半属cm级别，细集料、钢纤维多为mm级别，水泥及硅灰等掺合料多属μm及以下级别，故在粗集料存在的情况下，钢纤维抑裂的作用受到限制，而且其对混凝土拌合物的工作性影响又十分显著。于是，在1993年法国Bouygues公司的P.Richard仿效“高致密水泥基均匀体系（DSP材料）”，将粗集料去除，根据紧密堆积理论，用最大粒径为400μm的石英砂为集料，再由水泥、石英粉、硅灰、高效减水剂等组成，为了提高活性粉末混凝土的延性和韧性再加入钢纤维，在活性粉末混凝土的凝结、硬化过程中采取适当的加热、加压等成型养护工艺。由于其成分中粉末的含量及活性的增加而被称为活性粉末混凝土（也称RPC，Reactive Powder Concrete），并与美国陆军工程师团合作进行活性粉末混凝土制品的实际生产。这种新材料申报了专利，并在1994年旧金山的美国混凝土学会春季会议上首次公开，F·de LARRARD提出了基于最大密实度理论的固体悬浮模型（SSM），进行了活性粉末混凝土的配合比设计。

2 活性粉末混凝土在国外工程的应用现状

2.1 活性粉末混凝土在国外工程的应用现状

加拿大在对活性粉末混凝土配合比研究的基础上，1994 年开始进行工业性试验，研究了无纤维钢管活性粉末混凝土，并用于加拿大魁北克省70m跨的Sherbrooke首座活性粉末混凝土人行/自行车桥。该桥建成于1997年，是世界上第一座预制预应力活性粉末混凝土结构，跨越Magog River，结构形式为上承式预应力桁架结构，其上下弦杆和桥面板采用活性粉末混凝土制成，弦杆截面尺寸为200mm×300mm；腹杆由内置活性粉末混凝土的不锈钢管制成，直径为150mm。弦杆的抗压强度200MPa，腹杆的抗压强度350MPa，桥梁跨度为60m，桥面宽4.2m。桥面板为厚30mm的活性粉末混凝土无筋肋板，肋高70mm，肋间距1.7m。该桥均按常规混凝土工艺预制，预制节段长10m、高3m，每个节段运到现场后再用后张预应力拼装（图1）。由于采用了活性粉末混凝土，不仅大大减轻了桥梁结构的自身质量，同时提高了桥梁在当地冬季的—30℃高湿度环境、除冰盐腐蚀与冻融循环作用下的耐久性能。该桥获得1999年Nova奖提名。建成后至今使用状态良好，如图2所示。

美国CPAR计划及法国人P.Richard与美国陆军工程师团合作生产的活性粉末混凝土制品包括：大跨度预应力混凝土梁、压力管道及放射性固体废料储存容器。预应力混凝土梁中由活性粉末混凝土材料承受剪切力，可完全取消附加的抗剪配筋，而且可以减少梁的截面和配筋量；采用活性粉末混凝土的压力管道提高了工作压力，而且较大地增强了对侵蚀性介质的抗侵蚀能力；用活性粉末混凝土制备的固体废料储存容器可长期储存中、低放射性废料，其使用寿命估计可高达500年。

图1 sherbrooke 桥现场拼装图

图2 加拿大魁北克sherbrooke 桥外观

法国某核电站的冷却系统采用活性粉末混凝土生产了2500 多根预制梁，耗用混凝土823m3，同时还生产了大量核废料储存容器。美国将活性粉末混凝土用于下水道系统工程中，用于生产各种耐腐蚀的压力管和排水管道；克罗地亚跨度432m的巴卡尔桥全部采用活性粉末混凝土预制的节段拼装而成；

2000年，在韩国汉城（现称首尔）汉江建成了一座跨度为120m的仙游桥，是首座采用活性粉末混凝土建造的拱桥（图3），该桥由6段拼装而成，每段长20m，高1.3m，薄壁箱梁截面，壁厚只有30mm，不使用普通钢筋。这种尺寸采用普通混凝土是实现不了的。该桥不仅只用了其材料强度的1/2（压强度：230MP抗弯强度：50MPa），而且其高耐久性使其在运营中可节省大量的维修费用。

2001年，美国在伊利诺斯州用活性粉末混凝土材料建成了直径为18m的圆形屋盖，该屋盖未采用任何钢筋，设计中考虑了活性粉末混凝土的延性，直接承受拉、弯应力及初裂应力。现场拼装用时11d，如采用钢结构，现场拼装则需要35d，因此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。

2001年夏，为了研究活性粉末混凝土是否适合用于桥梁上，美国联邦高速公路管理局（FHWA）在弗吉尼亚的运输部（VDOT）制作了一根长达24m的预应力活性粉末混凝土梁，并进行了结构试验。活性粉末混凝土梁中掺入了0.16×13mm的钢纤维，配纤率为2%，成型后在88℃的热水中养护48h，梁中除了预应力钢筋外没有配置其他钢筋。试验中，此梁表现出优良的力学与变形性能，当梁的挠度达到300mm时，试验人员借助放大镜也没有找出裂缝，其极限强度达到了207MPa，极限挠度为480mm，性能的优秀程度令人惊讶。

图3 第一座采用活性粉末混凝土建造的拱桥——仙游桥

Lafarge公司采用Ductal材料成功地在美国Iowa州建造了Mars Hill桥，如图4所示。该桥为单跨桥梁，长30.48m，由3根梁承载。由于完全采用活性粉末混凝土材料建造，该桥2006年获得美国PCI学会两年一届的“第十届桥梁竞赛奖”，并被誉为“未来的桥梁”。

图4 Mars Hill桥

除上述国家外，日本、新西兰、德国等国家近年来均有使用活性粉末混凝土作为结构材料建成的桥梁，见表1。这些桥梁大部分使用预制预应力活性粉末混凝土构件，活性粉末混凝土在工厂搅拌成型并热养护后将预制构件运抵施工现场拼装、用后张拉法施加预应力。活性粉末混凝土具有弹性模量大、徐变收缩小的优点，可以提升预应力的效率，减少预应力损失。

2.2 国外会议情况

除1994年在旧金山的美国混凝土学会春季会议公布了活性粉末混凝土的专利外，1998年8月在加拿大Sherbrooke市召开了第一次以活性粉末混凝土和高性能混凝土为主题的国际研讨会，会上就活性粉末混凝土的原理、性能和应用进行了广泛而深入的探讨。与会专家一致认为：作为一种新型超高性能混凝土材料，活性粉末混凝土具有广阔的应用前景。

由于活性粉末混凝土（RPC）属于一种专利产品，为了避免知识产权的纠纷，欧洲目前不再使用这个名词，而改称“超高性能混凝土”（Ultra-High Performance Concrete UHPC），故欧洲召开关于活性粉末混凝土的会议均已UHPC为基础命名。

2005、2008年和2012年在德国Kassel大学召开了3次超高性能混凝土（UHPC）国际会议，均有国内代表参加，深入探讨了活性粉末混凝土的制备、微结构特征和性能，在会上介绍了许多实际工程应用案例，并讨论了相关欧洲技术标准制定的问题。

2013年10月1日～10月5日由法国土木工程师学会（AFGC）、国际结构混凝土联合会（fib）和国际材料与结构研究实验联合会（RILEM）联合组织的第二届国际UHPFRC论坛于在活性粉末混凝土发源地法国马赛召开。本次会议的目标是总结、更新和补充近年来UHPFRC在工程结构中的应用研究与实践成果，主要围绕以下三个方面：UHPFRC在建筑结构、构件、土木工程、桥梁中的应用设计进展、现场浇筑和工厂预制等工业化应用进展、大型工程建造进展等。会议共收录论文85篇，来自法国、德国、美国、中国、日本等二十余个国家的350余名专家学者参会。论坛期间，参加了UHPFRC在土木工程、建筑工程、装配式工程构件、土木工程基础设施中的建造和设计、UHPFRC新型施工和修复技术等方面的五十余场学术报告。各国学者充分地分享了在UHPFRC结构设计与分析、结构安全与可靠性状态评定、结构耐久性等性能实现等方面的科学、工程技术和建造管理方面的研究成果和工程经验，利用UHPFRC进行结构修复、普通钢筋混凝土与UHPFRC叠合构件、UHPFRC抗火性能研究已经成为UHPFRC工程结构应用技术的重要学术发展方向。

3 活性粉末混凝土混凝土发展趋势及前景展望

3.1 活性粉末混凝土混凝土发展趋势

综上所述，活性粉末混凝土具有极其优越的性能多用于预应力结构及构件中，在国外工程有较广泛的应用，其实活性粉末混凝土在以下几个方面也具有较好的发展潜力，如图5所示：

3.1.1 钢-混凝土组合结构。众所周知，钢筋混凝土的最大缺点是自重大，一般的建筑中结构自重为有效荷载的8～10 倍。而用无纤维活性粉末混凝土制成的钢管混凝土，具有极高的抗压强度、弹性模量和抗冲击韧性，用它制作高层或超高层建筑的结构构件，可大幅度减小截面尺寸和结构自重，增加建筑物的使用面积，因此活性粉末混凝土-钢管混凝土构件有着广阔的应用前景。

3.1.2 特殊用途构件。活性粉末混凝土的孔隙率极低，具有超高抗渗性及良好的耐磨性，不但能够防止放射性物质从内部泄漏，而且能够抵御外部侵蚀性介质的腐蚀，可以用于生产核废料储存容器、地下防护门和各种耐腐蚀的压力管和排水管道，不仅可大大降低造价，而且可大幅度延长构件的使用寿命。

图5 活性粉末混凝土用于各种高强高韧性抗渗、防爆、耐磨、防腐、外装饰结构等

3.1.3 活性粉末混凝土的早期强度发展快，后期强度极高，可用于补强和修补工程中，可替代钢材和昂贵的有机聚合物，既可保持混凝土体系的有机整体性，还可降低工程造价。虽然活性粉末混凝土的早期投入是普通混凝土的2～4倍，但它使用寿命长，耐久性好，这样就大幅降低使用过程中的维护人工和材料费用，考虑时间因素在内，活性粉末混凝土可降低成本。

3.1.4 活性粉末混凝土的高密实性与良好的中作性能，使其与模板相结触的表面具有很高的光洁度，外界的有害介质很难侵入到活性粉末混凝土中去，而且活性粉末混凝土中的着色剂等组分也不易向外析出，利用这一特点可作建筑物的外装饰材料。

3.1.5 活性粉末混凝土也可用于承受重量级工作的工业厂房地面和仓库地面、路面和桥面改造，薄壁蓄水结构、离心管、污水井、游泳池、自行车赛场跑道、应力状态复杂的墙梁柱组合悬梁结构以，以及生产抗震加固材料、耐火材料制品等，其增强效果和经济效益十分可观。

3.2 前景展望

活性粉末混凝土代表了建筑材料领域的先进水平，未来几十年里将广泛应用于各种工程领域，它与普通混凝土相比较，具有减少材料用量，降低建筑成本，节约资源，减少生产、运输和施工能耗等优点，采用活性粉末混凝土必将对改善和保护人类环境做出巨大贡献。

参考文献

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[2] P.Richard，M.H.Cheyrezy.Reactive Powder Concretes with High Ductility and 200-800MPa Compressive Strength.ACI Spring Convention.San Francisco，April 1994.

[3] 覃维祖.活性粉末混凝土的研究[J].石油工程建设，2002（6）.

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[9] 白泓，高日.活性粉末混凝土在工程结构中的应用[J].建筑科学，2003， 19（4）.

作者简介：任景阳（1985- ），男，硕士研究生，江苏苏博特新材料股份有限公司，研究方向：高性能混凝土及外加剂；王璁（1986- ），男，硕士研究生，中国建材工业出版社，研究方向：高性能混凝土。

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