活性粉末混凝土的发展
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摘要:活性粉末混凝土,简称RPC(Reactive Powder Concrete)是一种新型高性能混凝土。由于活性粉末混凝土的抗拉强度与抗压强度的比值明显高于普通混凝土,因此在工业储液罐、核防护壳及一些军事设施等工程领域有着广阔的应用前景。
关键词:活性粉末混凝土,减水剂,硅灰,粉煤灰
1 引言
活性粉末混凝土,简称RPC(Reactive Powder Concrete)是一种新型高性能混凝土。目前,许多学者开展了活性粉末混凝土及其构件的研究,活性粉末混凝土及其构件将在工业储液罐、核防护壳及一些军事设施等工程领域有着广阔的应用前景,因此本文介绍了活性粉末混凝土的发展,使读者能更好地了解这类新型混凝土。
2 活性粉末混凝土的发展
混凝土材料的发展历史可以追溯到很古老的年代。早在数千年前,我国人民及古埃及人就用石灰与砂混合配制的砂浆砌筑房屋。后来罗马人又使用石灰、砂及石子配制成混凝土,并在石灰中掺入火山灰配制成海岸工程的混凝土。
1824年阿斯普丁(Aspdin)发明波特兰水泥(Portland Cement),使混凝土胶结材料发生了质的变化,大大提高了混凝土强度,改善了其工作性能。但在此后将近一个世纪的漫长时间里,结构混凝土强度一直徘徊在20~30MPa的范围内。直到20世纪三、四十年代以后,建筑工程中才开始使用强度为40MPa左右的混凝土[1]。
由于建筑结构向高层、大跨度及重型化发展,极需减小结构的截面尺寸、大幅度减轻结构自重,因此如何提高结构混凝土强度己成为工程界的重要课题。国内外学者也对高强混凝土的性能、配制技术、工程应用以及存在的问题进行了广泛研究。
高强混凝土的发展大致可分为三个阶段[2]:第一阶段大约是20世纪30年代初至60年代,其主要技术途径是选用高标号水泥、降低水胶比、减少砂率配制干硬性高强混凝土,其基本工艺是采用振动、加压、真空、离心等手段。如1959年北京二建使用高强混凝土制作跨度达60米的预应力混凝土屋架。这一阶段的高强混凝土多为干硬性、坍落度太小,施工相当困难,无法普及推广,基本上处在工业试验阶段。
20世纪60年代高效减水剂研制成功并在工程上应用,解决了低用水量导致混凝土低流动性的问题,从此高强混凝土进入第二个发展阶段。如60年代初日本开发出MT高效减水剂,并于1970年使用高效减水剂制作并通过高压蒸养获得强度达90MPa的高强混凝土。
掺用高效减水剂,虽然可在低水灰比的条件下大幅度提高混凝土的流动性,但是坍落度经时损失大,混凝土的高流动性往往难于持久。为了解决这一问题,国内外开始研究通过掺入超细矿物掺合料,以减少坍落度的损失,高强混凝土的发展进入了第三个发展阶段。目前所采用的矿物质掺合集料主要有硅灰、超细粉煤灰和超细矿渣粉等。
硅灰的主要成分是颗粒极细(平均粒径约为0.1μm)的。在微观结构上,这种是非晶质,不同于石英砂中的,属无定形结构。其物质质点不是处于能量平衡的位置,具有化学不稳定性,所以是一种高活性的火山质材料。由于硅灰微小的颗粒,使得它具有很大的表面能。拌和混凝土时,硅灰和水接触,部分小颗粒迅速溶解,并与水泥水化产生的对强度不利的反应生成凝胶,即所谓火山灰效应:
许多研究表明[3-6]:在有硅灰存在的情况下,水泥水化早期产物中的含量随着龄期的延长变得越来越少,甚至完全反应。这些来源于硅灰和的凝胶多生成于水泥水化的 凝胶孔隙中,大大提高了混凝土的密实度。
除了火山灰效应,硅灰还起到填充和改善流变性的作用。硅灰的粒径很小,能够很好地填充于水泥颗粒的孔隙间。其效果如同水泥颗粒填充在细骨料之间和细骨料填充在粗骨料间一样,从微观尺度上增加了混凝土的密实度,进而提高了其强度。硅灰中86%~96%是球状体,能起到很好的作用,从而提高流变特性。
粉煤灰是发电站锅炉中煤粉充分燃烧后所产生的细粒灰尘,即通常所说的飞灰。粉煤灰在混凝土中具有三种不同的效应功能[7-8]:形貌效应、微集料效应、火山灰效应。其中“形貌效应”和“微集料效应”是水泥颗粒所不具备的特性。形貌效应是粉煤灰的基本效应,反映在粉煤灰的矿物组成主要是海绵玻璃体和铝硅酸盐玻璃微珠。这些球形玻璃体表面光滑,粒度细,质地致密,内比表面积小,在高效减水剂的共同作用下,能大大提高混凝土的流动性,改善混凝土施工性能。粉煤灰的“微集料效应”表现在粉煤灰颗粒均匀地掺合分布到水泥颗粒之中,阻止了水泥颗粒的粘聚,有利于混合物的水化反应,相应地减少了用水量,提高了混凝土的密实性。和硅灰类似,粉煤灰也具有火山灰效应。粉煤灰中含有大量的和,能与水泥水化物中的进行二次水化反应,生成水化硅酸钙和水化铝酸钙,即:
矿渣(BS)是高炉炼铁得到的以硅铝酸钙为主的熔融物,具有较高的潜在活性。矿渣微粉是矿渣磨细后的产物,多年来一直在水泥和混凝土行业中广泛应用。这四种成分约占全部氧化物的95%以上。矿渣粉在通常情况下具有比较稳定的化学性质,与水混合不具有水硬性,而当处于碱性环境中时,矿渣结构很快被破坏,从而显示水硬活性。
由于矿渣粉一般都磨得比水泥细,对水泥有填充作用,加上它的缓凝作用和密度与水泥相近,因此它较容易拌制成用水量少、流动性好、塌落度损失小的混凝土。
由于地球环境污染越来越严重,空气、水、土壤环境介质中的碳、氮、硫等氧化物浓度的增长,混凝土使用环境变得更加严酷。因此工程界对混凝土提出了新的要求:混凝土既要有高强度、长期体积稳定性和耐久性,又要比以前混凝土具有更良好的流动性。发展具有良好工作性能、高力学性能和高耐久性的新型高性能混凝土已提到议事日程[9]。
近年来出现了新型高性能混凝土,较成功的有活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,缩写为RPC)、注浆纤维混凝土(Slurry Impregnated Reinforced Concrete,缩写为SIFCON) [10-15]等。
3.结论
活性粉末混凝土,简称RPC(Reactive Powder Concrete)是一种新型高性能混凝土。活性粉末混凝土及其构件将在工业储液罐、核防护壳及一些军事设施等工程领域有着广阔的应用前景,本文从活性粉末混凝土的成分等方面介绍了活性粉末混凝土的发展,可使读者能更好地了解这类新型混凝土。
参考文献
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[3] 何峰. 原材料对RPC强度的影响初探. 湖南大学学报(自然科学版) , 2001, 28 (2):89-94
[4] 冯乃谦. 高性能混凝土. 北京, 中国建筑工业出版社, 1996:237-292
[5] 陈兵, 李悦.活化粉末混凝土的发展与应用. 混凝土, 2000, (8):34-36
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[7] 吴中伟. 高性能混凝土及其矿物细掺料. 建筑技术, 1999 , 30(3):160