活性粉末混凝土在組合結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用及其工程實(shí)例*

王 淵，劉金濤，李慶華

（1.杭州市市政公用建設(shè)開發(fā)公司，浙江 杭州 310009；2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058）

活性粉末混凝土在組合結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用及其工程實(shí)例*

王 淵1，劉金濤2，李慶華2

（1.杭州市市政公用建設(shè)開發(fā)公司，浙江 杭州 310009；2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058）

文章介紹活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）的基本性能，并在此基礎(chǔ)上分析RPC在RPC-混凝土組合結(jié)構(gòu)、RPC-鋼組合結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)性能、設(shè)計(jì)理論和工程意義。最后，針對(duì)國內(nèi)外應(yīng)用工程實(shí)例做了較為全面地總結(jié)，并對(duì)國內(nèi)外RPC組合結(jié)構(gòu)研究的趨勢與不足進(jìn)行了探討。

活性粉末；混凝土；組合；結(jié)構(gòu)；實(shí)例；力學(xué)性能

1 RPC的特性及用途和發(fā)展

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）是繼高性能混凝土之后，由法國BOUYGUES公司于上世紀(jì)末開發(fā)出的具有超高強(qiáng)度、高耐久性、高韌性的水泥基材料[1]。該材料根據(jù)高致密水泥基均勻體系模型，以400～600μm的石英砂作為骨料，同時(shí)加入微型鋼纖維和各類活性礦物材料[2]，并采用熱養(yǎng)護(hù)和加壓成型等方法[3]。根據(jù)其熱處理方式的不同，其抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到200MPa至800MPa；抗折強(qiáng)度為20～40MPa，是高強(qiáng)混凝土的4～6倍；斷裂韌性高達(dá)40000J/m2，是普通混凝土的250倍[4]；氯離子滲透性是高強(qiáng)混凝土的1/25[5,6]。適量微鋼纖維的加入使RPC比高性能混凝土具有更高的韌性，極限拉伸應(yīng)變達(dá)到0.5%，并且具有明顯的拉伸應(yīng)變硬化特性[7]。

通過對(duì)相同抗彎承載力的RPC工字鋼、預(yù)應(yīng)力混凝土及普通鋼筋混凝土四種不同材料制作的梁構(gòu)件的截面尺寸、單位長度重量進(jìn)行了比較，結(jié)果表明RPC梁的截面高度是預(yù)應(yīng)力混凝土梁和普通混凝土梁高度的53%，單位長度重量是預(yù)應(yīng)力混凝土梁的28%，是普通混凝土梁的24.5%，RPC梁具有顯著地經(jīng)濟(jì)效益[8]。根據(jù)國內(nèi)外已有使用RPC材料工程實(shí)例[9,10]，同等承載力條件下RPC材料的水泥用量幾乎是普通混凝土與HPC的1/2，CO2排放量也只有同等量水泥一半左右。RPC材料骨料的用量只占HPC與C30混凝土的1/3與1/4[11]。鋼筋與RPC之間的粘結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于普通混凝土或普通鋼纖維混凝土[12]，RPC致密的結(jié)構(gòu)及鋼纖維的摻入是其具有超高粘結(jié)強(qiáng)度的主要原因，鋼纖維為0.5～2.0vf.%時(shí)，梁式試驗(yàn)的粘結(jié)強(qiáng)度大于中心拔出試驗(yàn)[13,14]。目前，國內(nèi)在RPC在結(jié)構(gòu)工程方面的應(yīng)用才剛剛起步，材料應(yīng)用中應(yīng)該遵循“物盡其用”的原則。RPC不僅擁有超高強(qiáng)度而且兼具一定的韌性，因此可用于高層結(jié)構(gòu)、高鐵簡支箱梁、大跨橋梁結(jié)構(gòu)等要求承載力高的結(jié)構(gòu)，從而有效降低結(jié)構(gòu)截面尺寸和自重、增加結(jié)構(gòu)使用空間[15]。另一方面，利用RPC的高抗?jié)B性能、抗沖擊和耐磨性，可用于石油、核電工業(yè)、軍事防御工程。

2 RPC在組合結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

2.1 RPC-混凝土組合梁

混凝土疊合梁結(jié)構(gòu)是一種在預(yù)制構(gòu)件上澆筑混凝土而形成的一種裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)（Composite Structures，組合結(jié)構(gòu)）。該結(jié)構(gòu)兼具現(xiàn)澆整體式結(jié)構(gòu)和全裝配式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，可以有效降低工期和造價(jià)。隨著RPC材料的不斷發(fā)展，通過在傳統(tǒng)混凝土梁的受拉區(qū)配置受拉性能更好的RPC而得到了RPC-混凝土疊合梁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅滿足結(jié)構(gòu)力學(xué)需求而且可以有效降低成本。

2004年，北京交通大學(xué)肖國梁[16]等人提出將RPC與普通混凝土組合箱梁應(yīng)用于實(shí)際工程的設(shè)計(jì)構(gòu)想，如圖1所示。研究者利用有限元程序分析了RPC-混凝土組合箱梁的基本力學(xué)性能、破壞模式、動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)。季文玉[17-19]等人開展了普通混凝土-RPC組合構(gòu)件相關(guān)研究，通過在混凝土構(gòu)件受拉區(qū)配制RPC材料、受壓區(qū)二次澆注普通混凝土制備出不同種類的疊合梁，基于截面的受力全過程分析表明：RPC-混凝土疊合梁的極限抗彎強(qiáng)度與混凝土整澆梁的極限荷載相等，可利用梁構(gòu)件抗彎強(qiáng)度公式計(jì)算疊合梁的極限抗彎強(qiáng)度；受拉區(qū)RPC材料的存在可將截面開裂彎矩提高4～5倍，與此同時(shí)，RPC澆筑高度、混凝土等級(jí)和配筋率等參數(shù)對(duì)橋梁撓度發(fā)展增大系數(shù)相關(guān)。

圖1 RPC與普通混凝土組合箱梁截面設(shè)計(jì)[16]

2008年，同濟(jì)大學(xué)的溫華杰[20]等采用非線性有限元程序?qū)︻A(yù)應(yīng)力RPC-混凝土組合截面梁進(jìn)行破壞全過程分析，試驗(yàn)結(jié)果表明將RPC材料配置在受拉區(qū)并采用預(yù)應(yīng)力鋼筋可以充分發(fā)揮RPC材料的耐久性和經(jīng)濟(jì)性；在三維有限元分析模型試驗(yàn)加載過程中實(shí)測曲線和模擬曲線對(duì)比表明彈性段和彈塑性階段擬合較好，符合正常使用階段的精度要求。

廖莎[21]等人研究RPC無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力疊合梁的受力性能，試件的截面尺寸和配筋如圖2所示。結(jié)果表明無預(yù)應(yīng)力的RPC疊合梁在彈性階段的撓度可以采用現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，截面平均應(yīng)變基本符合平截面假定；相比于普通無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁，鋼纖維的加入對(duì)梁的裂縫分布沒有影響，但可以大幅度提高截面的開裂彎矩。基于上述試驗(yàn)，朱智俊[22]采用有限元分析軟件建立了RPC無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力疊合梁的三維非線性數(shù)值分析模型，分析了疊合梁的受彎性能并討論了破壞機(jī)理。RPC無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力疊合梁的M-δ曲線主要分為彈性階段、開裂彈性階段和破壞階段：疊合梁撓度在彈性階段增長緩慢；疊合梁在開裂彈性階段剛度降低、撓度增加；疊合梁在破壞階段標(biāo)志為受壓區(qū)混凝土的破壞，縱向受壓鋼筋和架立筋受壓屈服并發(fā)生脆性破壞。

圖2 RPC疊合梁截面尺寸與配筋圖[21]

2.2 鋼-RPC組合結(jié)構(gòu)

鋼-混凝土組合梁是一種新式的結(jié)構(gòu)形式，通過剪力連接件將鋼梁與混凝土板連接組合在一起，其具有鋼材和混凝土各自的優(yōu)異特性，如截面剛度大、承載能力高、抗震好和便于施工等優(yōu)點(diǎn)[23,24]。相比于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土梁，鋼-混凝土組合梁有效減小結(jié)構(gòu)尺寸、減輕自重并提高了結(jié)構(gòu)延性；相比于相同承載力的鋼結(jié)構(gòu)，它有效降低鋼量、增加剛度并提高結(jié)構(gòu)的耐久性和穩(wěn)定性[25]。

肖赟[26]利用Matlab迭代程序?qū)PC-鋼組合梁截面從加載到破壞進(jìn)行了全過程分析，并且和相同尺寸的普通混凝土組合梁進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明RPC-鋼組合梁受力狀態(tài)也經(jīng)歷彈性、彈塑性、塑性階段，并且RPC-鋼組合梁達(dá)到極限承載力后的下降段較緩；相同截面下RPC-鋼組合梁的承載能力是普通混凝土-鋼組合梁的1.3倍；在相同承載力情況下RPC組合梁的板厚只有普通混凝土-鋼組合梁厚度的65%。侯忠明[27]以組合梁的鋼梁下翼緣達(dá)到極限拉應(yīng)變作為承載能力極限狀態(tài)，應(yīng)用ANSYS對(duì)RPC-鋼簡支組合梁受力全過程進(jìn)行了非線性分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)RPC-鋼組合梁的曲率延性、位移延性和轉(zhuǎn)角延性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明正常使用條件下RPC-鋼簡支組合梁翼板下緣不會(huì)開裂，組合梁在強(qiáng)化階段的實(shí)際延性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通組合梁。吳學(xué)敏[28]設(shè)計(jì)出RPC-波紋鋼腹板組合箱梁并的研究其受力性能，該組合箱梁的頂板和底板采用高強(qiáng)度RPC材料，而腹板采用波紋鋼。限元分析證明“擬平截面假定”適用于RPC的波紋鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合箱梁，組合梁彎矩和軸力主要由RPC頂板和地板承擔(dān)，波紋鋼腹板主要用于抵抗剪力。曾峰[29]討論不同荷載類型、寬跨比條件下RPC-鋼組合梁以及普通混凝土-鋼組合梁有效寬度的變化。研究表明RPC-剛組合梁的有效寬度隨著寬跨比的增加而降低；有效寬度在集中荷載作用處取得最小值并沿著梁段方向增大；均布荷載下組合梁的有效寬度在梁跨中心處取得最大值，并向支座兩端逐漸降低。

傳統(tǒng)的鋼橋面板由于存在剛度不足、抗疲勞性能差和粘結(jié)力不足等原因容易造成損傷，通過將傳統(tǒng)的混凝土瀝青層替換為RPC層可大幅度提高橋面剛度并降低鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力。由于RPC的超高強(qiáng)度，新型鋼-RPC組合橋面結(jié)構(gòu)體系中地鋼箱與RPC板之間的連接需要考慮剪切力的作用。邵旭東[30,31]利用特殊的抗剪連接件、建筑結(jié)構(gòu)膠設(shè)計(jì)出了“正交異性鋼板-超薄RPC組合橋面結(jié)構(gòu)”，其構(gòu)造如圖3所示。通過對(duì)不同連接形式推出試件進(jìn)行的靜力試驗(yàn)的比較，得到了使用35mm長度、13mm直徑栓釘連接的正交異性鋼板-RPC組合梁的破壞極限荷載，其承載力高于規(guī)范計(jì)算值；200萬次正交異性鋼板-超薄RPC組合橋面結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)應(yīng)力幅疲勞試驗(yàn)后沒有開裂，且梁剛度沒有明顯下降。湖南大學(xué)周環(huán)宇[32]以非線性有限元程序?yàn)榛A(chǔ)并結(jié)合現(xiàn)場推出試驗(yàn)，對(duì)鋼-RPC新型組合結(jié)構(gòu)體系下的抗剪連接件進(jìn)行了受力分析，結(jié)果表明栓釘直徑是影響短栓釘抗剪承載力的主要因素，長徑比小于4的栓釘與RPC材料結(jié)合良好，不需要考慮拔出破壞，鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中栓釘?shù)目辜粲?jì)算公式修正為：。

Suleiman[33]等對(duì)預(yù)制預(yù)應(yīng)力H形RPC樁與H形鋼樁進(jìn)行受力性能對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明：采用與鋼樁相同的打樁設(shè)備，無需樁帽即可將RPC樁打入硬土層中，且樁頭不會(huì)發(fā)生破壞，認(rèn)為RPC樁可使用更大的樁錘并減少錘擊次數(shù)。RPC樁與鋼樁的端阻力分別占樁承載力的57%和25%。RPC由于具有更大的截面積，樁豎向承載力比鋼樁高86%。這不僅可減少RPC樁的數(shù)量，而且可降低結(jié)構(gòu)使用壽命內(nèi)的維修費(fèi)用。

3 國內(nèi)外工程實(shí)例

目前，RPC材料在結(jié)構(gòu)工程中還沒有廣泛應(yīng)用[34-36]，主要集中在大跨橋梁的預(yù)制構(gòu)件、橋面板、壓力管道、鋼管混凝土和放射性固體廢料儲(chǔ)存容器等方面，具體工程如表1所示。早期開展預(yù)應(yīng)力鋼筋RPC梁的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)證明RPC材料適用于大型橋梁工程[37]，1997年世界上第一座RPC步行橋在加拿大Sherbrooke建成，該橋桁架腹桿為灌裝RPC材料的鋼管混凝土，下弦為RPC雙梁，單跨60m，橋面寬4.2m，橋面板厚30mm，采用現(xiàn)場后張預(yù)應(yīng)

力拼裝[38,39]。2002年，韓國首爾建造了跨度120m拱型預(yù)應(yīng)力RPC人行天橋，梁高1.3m，橋面寬4.3m，橋面板厚30mm。在腹板和橋面板節(jié)點(diǎn)處配置15.2mm鋼鉸線；主跨全部使用RPC材料制備，沒有配置普通鋼筋。和平橋的建設(shè)規(guī)模和技術(shù)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Sherbrook步行橋，是RPC應(yīng)用史上的里程碑[39]。

圖3 正交異性鋼板-超薄RPC組合橋面結(jié)構(gòu)[31]

巴卡爾橋[40]位于克羅地亞的巴卡爾海峽，該橋跨度為432m，主拱圈的矢高為72m，矢跨比f/l=1/6。橋面結(jié)構(gòu)是一個(gè)總長為820m的22跨連續(xù)箱梁，截面形式為單箱三室，主拱圈也是單箱三室的截面構(gòu)造?；A(chǔ)、立柱和橋臺(tái)采用現(xiàn)澆普通混凝土，橋梁主拱圈和連續(xù)梁采用RPC預(yù)制構(gòu)件并通過吊裝拼接完成施工。2008年，法國于一個(gè)月內(nèi)建成跨度為70m、高跨比1/38的Anges步行橋[41]，該橋采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)將15個(gè)U形RPC預(yù)制構(gòu)件連為整體，總質(zhì)量僅為144t。

表1 國內(nèi)外已有使用RPC結(jié)構(gòu)工程實(shí)例

法國的新Jean Bouin[42]體育場外殼為3600塊預(yù)制

RPC薄板組成的自承重雙重曲面結(jié)構(gòu)，建筑面積達(dá)到兩萬平方米。RPC薄板為厚度35mm的三角形網(wǎng)狀構(gòu)件，通過在屋蓋的RPC薄板中預(yù)先安裝玻璃，使得屋蓋具有采光的功能。日本東京國際機(jī)場跑道擴(kuò)建項(xiàng)目將6900塊、總體積22000m3預(yù)應(yīng)力RPC板作為飛機(jī)跑道，是RPC用量最大的工程[43]。3.53m×7.82m RPC雙向預(yù)應(yīng)力肋預(yù)制板板厚75mm，肋高為175mm。當(dāng)RPC強(qiáng)度達(dá)到45 MPa時(shí)進(jìn)行放張預(yù)應(yīng)力，再進(jìn)行90℃蒸氣養(yǎng)護(hù)48小時(shí)。與抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值50MPa的普通混凝土板相比，質(zhì)量可減少56%。

在國內(nèi)，RPC主要應(yīng)用于鐵路橋梁、人行道板和溝槽蓋板。2005年，沈陽某工業(yè)廠房擴(kuò)建工程使用軸心抗壓強(qiáng)度120.5 MPa的RPC，設(shè)計(jì)并制作84根預(yù)制梁和預(yù)制雙T板構(gòu)件，梁的長度為4.29～15.75 m，雙T板長度為7.35～9.73 m[44]。2006年，遷曹鐵路灤柏干渠大橋工程首次采用跨度為20 m的RPC預(yù)應(yīng)力T形梁。2008年，在薊港鐵路采用高度1800mm、跨度32m的T形梁，成功解決了線路跨線凈高受限的問題[45,46]。

4 結(jié)論

（1）RPC的力學(xué)性能和耐久性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)混凝土和高強(qiáng)混凝土，因此將其應(yīng)用于新型大跨度、高承載結(jié)構(gòu)有較大優(yōu)勢。但是目前該材料使用率仍較低，主要是由于以下兩方面原因：一方面，RPC材料復(fù)雜的成分和養(yǎng)護(hù)工藝造成了成本較高，且新型RPC結(jié)構(gòu)對(duì)載荷的力學(xué)響應(yīng)仍然沒有研究透徹；另一方面，RPC組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和工藝采仍沿用普通混凝土規(guī)范，限制了RPC進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

（2）相比傳統(tǒng)混凝土預(yù)制構(gòu)件，新型的RPC組合結(jié)構(gòu)具有廣闊的市場前景。但是產(chǎn)品設(shè)計(jì)大多基于普通混凝土的規(guī)范，采用一種半經(jīng)驗(yàn)半理論的經(jīng)驗(yàn)公式，不具有普適性。與此同時(shí)，RPC部件截面尺寸明顯減小，這對(duì)節(jié)點(diǎn)和連接的工藝、構(gòu)造和性能提出了更高要求。如何采用合理的節(jié)點(diǎn)和連接有效地將各部件組裝成整體，并具有預(yù)定的性態(tài)和功能，是今后RPC組合構(gòu)件研究目標(biāo)之一。

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TU375

A

2096-2789（2016）11-0003-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51622811），浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（LR16E080001）。

王淵（1970-），男，浙江杭州人，高級(jí)工程師，研究方向：市政道橋工程。