活性粉末混凝土耐久性研究现状综述.pdf
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1、2 0 1 3 年 第 8期 (总 第 2 8 6 期 J Nu mb e r 8 i n 2 0 1 3 ( T o 诅l No 2 8 6 ) 混 凝 土 Co F i o r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 j , i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 8 。 0 0 4 活性粉末混凝土耐久性研究现状综述 王月 。安明酷 ,余 自若 ,王华 ,苏建杰 ( 北京交通大学 土木建筑工程学院,北京 1 0 0 0 4 4 ) 摘要 : 活性粉末混凝土因其优异的性能而受到了国内外学者的广泛关
2、注, 应用前景十分广阔。 简单介绍了活性粉末混凝土的 工程应用现状 , 以国内外学者的研究结果为基础, 对活性粉末混凝土的耐久性做了综合论述, 并对其研究方 向进行 了展望 , 其在 制备工艺标准化 , 完善设计方法和设计方案 , 多因素耦合作用下耐久性等方面需要进一步研究 。 关键词: 活性粉末混凝土;耐久性 ;抗冻性能 ;抗渗透性能 中图分类号: T U5 2 8 O l 文献标志码: A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 8 0 0 1 2 0 5 R e s e a r c h o n t h e d ur a b i l i t y o f r
3、e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e W A J V G Y u e , A NMi n g z h e , Y UZ i r u o , WA NGH u a , S UJ i a n j i ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g , B e i j i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y , B e i j i n g 1 0 0 0 4 4 , C h i n a ) Ab s t r a c t : Du e t o i t s e x c
4、 e l l e n t p e r f o r ma n c e r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e r e c e i v e d wi d e a e n t i o n o f s c h o l a r s a l 1 o v e r 恤e wo r l d a n d i t h a d a n e x t e n s i v e a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s T h e e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s i t u a t
5、i o n o f r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e wa s b ri e fl y i n t r o d u c e d T h e c o mp r e h e n s i v e d i s c u s s i o n a b o u t t h e d u r a b i l i ty o f r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e wa s p r e s e n t e d b a s e d o n t h e r e s e a r c h r e s u l t s o f
6、the d o me s t i c a n d o v e r s e a s s c h ol a r s , a n d the f u t u r e p r o s p e c t s o f r e s e a r c h di r e c t i o n wa s g i v e n The s t a n d a r d i z a t i o n p r e p ara t i o n p r o c e s s, d e s i g n me t h od a n d d e s i gn s c h e me , d u r a b i l i tyu n d e r t
7、 h e c o u p l e d a c t i o n o f mu l t i p l ef a c t o r s n e e df u r t h e r r e s e a r c h Ke y wo r d s : r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e ; d u r a b i l i ty; f r e e z e t h a w r e s i s t anc e ; p e n e t r a t i o n r e s i s t anc e 0 引言 活性 粉末混凝土( R e a c t i v e P o w d
8、e r C o n c r e t e ) 是一种新 的超高性能水泥基 复合材料 , 1 9 9 3年 由法国 B O U Y G U E S 公司首次研 制成功 , 它是 具有超高强度 、 高韧性 、 高耐久 性的新 型水泥基复合材料 。 活性粉末 混凝土 的问世 , 引起 了 国内外学者的广泛 兴趣 , 在短短 2 O年左右 的时 间就有 了很 多的研究 , 很 大的发展 。 活性粉末混凝 土优异 的性能 使其在土木、 石油 、 核电、 海洋及军事等领域中具有广阔 的应用前景。 1 活性粉末混凝 土研 究概 况及 工程应 用 1 9 9 8 年 , 高性能混凝土与活性粉末混凝土 国际研讨会
9、 指出: 作为新型水泥基复合材料, 活性粉末混凝土将具有 广 阔的应用前景 1 , 引起了国内外许多学者的兴趣 。 目前对 于活性粉末混凝土的研究很多, 如活性粉末混凝土配合比 设计2 - 6 , 养护制度 7 - 1 0 , 基本单轴拉压强度I l l - 1q 和应力一 应变 全曲线 1 7 - 1 8 , 部分双轴和三轴力学性能【 嘲 , 抗剪性能【 2 1 , 尺 寸效应2 2 - 2 3 1 , 不同钢纤维掺量的力学性能 , 弯曲强度和变 形特性2 5 - 2 6 , 断裂性能【 2 7 制, 配筋试件的抗拉性能 , 与钢筋 的黏结性能 , 纤维与基体的黏结性能 , 冲击性能3 7
10、- 3 9 , 收稿 日期 :2 0 1 3 - 0 2 1 8 基金项目:国家自然科学基金项目( 5 1 2 7 8 0 3 9 ) l 2 动力特性4 o - 4 11 , 活性粉末混凝 土构件设计方 法4 2 等 , 许多 研究尤其是配制技术 和基本力学性能 已经比较成熟 , 取得 了一系列的研究成果 。 同时 , 活性粉末混凝土的耐久性也有 了许多研究 , 但仍有一些问题亟待研究。 目前 已有一些 国家将活性粉末 混凝土应用于实 际工 程 中, 1 9 9 7 年在加拿大 S h e r b r o o k e 市采用活性粉末混凝土 预制构件现场后张预应力建成 了一座跨度为 6 0 r
11、 n的拼装 桥 ; 2 0 0 1 年美 国伊利诺斯州 用活性粉末混 凝土建成 了直 径 1 8 m 的无筋 圆形 屋盖 ; 2 0 0 2 年韩 国建成一 座主跨为 1 2 0 m活性粉末混凝土人 行拱桥 S u n y u d o ( P e a c e ) F o o t b r i d g e ; 2 0 0 2年澳大利亚建 成一座跨径 为 1 5 1 T I 预应力活性 粉末 混凝土公路桥; 2 0 0 2 年 日本建成了跨度为 5 1 m的 S a k a t a Mi r a i 活性粉末混凝土人行桥 ; 2 0 0 4 年加拿大 C a l g a r y 市新 S h a w
12、 n e s s y 轻轨火车站用活性粉末混凝土建造候车棚 , 图1 ; 2 0 0 6 年我国设计了跨度为 2 0 m的活性粉末混凝土超低高 度 T型梁, 并成功应用于迁曹铁路 ; 2 0 0 8 年我国又将跨度 为 3 2 、 2 4 m 的活性粉末混凝土超低高度 T型梁应用 于在 蓟港铁路 ( 图 2 ) , 同时活性粉末混凝土无配筋人行道 盖板 和电缆沟盖板也在北京五环路、 郑西客运专线 、 哈大客运 专线 、 京沪高速铁路 、 沪宁城际等工程中应用。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 1 加拿大 S h a wn e s s y轻轨火车站候车棚 图
13、2 蓟港铁路中 T形梁 2 活性粉 末混凝土 耐久性研 究现状 统计 资料表 明混凝土结构耐久性所 带来的 问题越来 越严重 , 耐久性病害导致 的经济损失 十分巨大t4 5 1 , 因此研 究混凝土结构的耐久性具有重大的意义。 混凝土的耐久性 通常包 括抗冻性 、 抗水 渗透性 、 抗 氯离子渗 透性 、 抗 收缩 性、 抗碳化性 、 抗压疲劳变形、 抗硫酸盐侵蚀性等 , 目前对 于活性粉末混凝土耐久性也从 以上几个方面展开 了研究 。 2 1 抗冻性能 杨吴生等按 A S T M C 6 6 6程序 A对于 7 5 m mx 7 5 mmx 3 5 0 m m试件进行了海水冻融试验, 各配
14、合比的耐久性系数 均大于 1 0 0 , 活性粉末混凝土具有非常好 的抗 冻融能力 。 L e e Mi n g G i n等的试验表明活性粉末混凝土与高强度聚合 物砂浆冻 融循环 1 0 0 0次后 , 其抗 压强度 、 黏结 强度 、 钢材 拔 出力和相对动弹性模量损失等指标前者为 6 、 7 、 5 、 1 0 , 而后者为 1 7 、 2 1 、 2 4 、 2 5 , 活性粉末混凝土耐久 性 良好4 7 1 。 S h a h e e nE h a b , 等对 5 0 0MP a 级 的活性粉末混凝 土 ( 含钢纤维 不含钢 纤维 ) 带裂缝 和无裂缝试件进行 了 3 0 0 次冻
15、融循环 , 试件并没有破坏 的迹象或者表面剥落 , 说 明其耐久性非 常优异 。 安 明拮等对活性粉末混凝土进行 了 3 0 0 次冻融循环试验 , 3 0 0 次后无质量损失 , 动 弹性模量 损失只有 6 , 其耐久性指数接近 1 0 0 。 而相同条件下的高 性能混凝土 , 2 5 0次冻融循 环后质量损失 已超过 5 , 动弹 性模量损失 3 6 4 , 耐久性指数仅为 4 7 8 。 由此可见活性 粉末混凝土的抗冻融能力远高于掺入硅粉的高性能混凝 土 。 Mi n g - G i n L e e等将活性粉末混凝土作为一种修复材 料 , 并对其耐久性进行了研究 , 研究表明在冻融循环
16、1 0 0 0 次 后其抗压强度略微降低, 耐久性良好5 o 1 。 纪玉岩分别对活 性粉末混凝土进行 了淡水冻融和海水冻融 , 研究 表明淡水 冻融和海水冻融初期没有明显区别, 但随着冻融循环次数 的增加 , 质量和相对动弹性模量 的损失都加剧 , 5 0 0 次冻融 循环后动弹性模量下降到 8 左右 , 而质量损失不到 l 5 l 】 。 O l i v i e r B o r m e a u等 的研究 表 明搅拌车 和搅拌机搅 拌 的两 种工艺制备的活性粉末混凝土 , 盐冻和冻融循环试验的质 量损失远低于规范要求 , 而且电通量低于 1 0 C 53 。 上述研究中, 虽然试验结果不尽相
17、同, 但无一例外的 表明活性粉末材料具有 良好的抗冻性。 然而对于活性粉末 混凝土在冻融循环作用下的劣化机理尚不明确, 在有限次 的试验条件下无法进行有效的耐久性 寿命预测 。 2 2 水 渗 透 性 能 李忠等采用 一次加 压法测试试 件 的平 均渗水高 度 , 认 为活性粉末混 凝土 的渗透性 极低 , 平 均渗水高度 仅为 7 2 m m, 相对渗水 高度为 2 2 1 0 m m铜。 C M T a m 等采 用 德 国 G WT 4 0 0 0 试验装置研究 了水胶 比和减水剂掺量 对活性粉末混凝土抗水渗透性 的影响 , 结果表明水胶 比越 低 , 孑 L 隙率越低, C S H凝胶
18、的填充作用越显著 , 因而抗水 渗透性越高 ; 同时存在一个最优减水剂掺量使得抗水渗透 性最高, 活性粉末混凝土的抗水渗透系数比普通混凝土低 一 个数量级 , 水灰 比从 0 4 降低到 0 2 时水的渗透性 系数降 低 了两个数量级5 3 1 。 2 3 抗氯离子渗透性能 氯离子的存在对于混凝土结构来说一直是一大病害 , 其进入混凝土之后到达钢筋表面 , 吸附或穿透钢筋表面钝 化膜 , 从而破坏表面钝化膜 , 导致钢筋锈蚀 、 结构失效 。 氯 离子 的渗透性是反应混凝土结构耐久性的重要指标 。 未翠霞等采用 N E L 氯离子扩散系数测定法, 应用 N E L P D 型电测仪测得氯离子扩
19、散系数 , 试验结果见表 1 【 5 。 试验 表明, 活性粉末混凝土的氯离子扩散系数远低于 C 8 0高性 能混凝土 , 具有优异的护筋性能。 李忠等采用电通量法测定 了试件在 6 O V直流电压下 6 h电通量平均值仅为 8 4 C, 其 抗氯离子渗透 眭为渗透4 6 1 。 施惠生等参照 A S T M C l 2 0 2 - - 9 7 标准对 掺矿渣 活性粉末混凝 土抗氯离子渗透性进行 了研 究 , 各组试件的通 电量均小于 3 0 C, 可以视为不渗透。 随着 矿渣掺量 的增 大 , 抗渗性不 断下降 , 掺人钢纤维后通 电量 减小 , 硅粉对抗 氯离子渗透有促进作用 5 6 1
20、。 叶青 等研究 了 活性粉末混凝土和高强度混凝土的抗氯离子渗透性, 同样 采用 的是 A S T M C 1 2 0 2 方法 , 活性粉末混凝土 6 h电迁移 量仅为 2 2 9 C, 水 胶 比为 0 2 5的高强度混凝土 6 h电迁移 量为 4 2 1 C, 几乎为活性粉末混凝土 的 2 0 倍5 7 1 。 安明酷等采 用 N E L测定了活性粉末混凝 土和高性能混凝 土的氯离子 扩散系数 , 其值分别为 2 2 1 7 x 1 0 n l 2 s 、 1 5 4 4 4 一 1 0 m2 s , 根据标 准 C C E S 0 1 : 2 0 0 4活性粉末混 凝土 的渗透等级 为
21、 v级 , 抗渗评价结果为“ 很低 ” , 高性 能混凝土为“ 中” I50 1 。 李 同乐等采用预加载损伤的方法对损伤后的活性粉末混凝 土抗氯离子渗透性进行了研究 , 随着损伤度的提高, 氯离 子迁移系数增大, 但仍保持在同一个数量级 , 活性粉末混 凝土在受损后的耐久性仍然良好 , 钢纤维对提高活性粉末 混凝土的抗氯离子渗透性具有积极作用 5 8 1 。 L i u J u a n h o n g 等采用氯离子渗透性电测仪测定 5 组活性粉末混凝土试 1 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 各单位测得氯离子扩散系数值 件的氯离子扩散系数, 其中最大
22、值仅为 9 5 3 1 0 - j3 m 2 s , 比普 通混凝土高 出一个数量级 5 9 1 。 尽管评价抗氯离子渗透性 的方法不同 , 但 目前试验得 到的结论均是活性 粉末 混凝 土具有极高 的抗氯离子渗透 性。 N E L氯离子扩散系数测定法是由清华大学提出的试验 方法 , 该方法是基于离子扩散和电迁移的饱 和混凝土电导 率法。 N E L法确定某种粒子扩散系数时, 必须先知道这种粒 子的迁移数。 电通量法与 A S T MC 1 2 0 2 是相同的, 这种方法 在长时间电压作用下溶液可能会产生热量 , 使电量受到影 响。 同时活性粉末混凝土的电通量值小于 1 0 0 C , 在这
23、种情 况下 , 是否超过 了仪器的有效测试 范围也是存在争议 的。 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方 法标准 中还规定 了 R C M 法 , 但对于活性粉末混凝土 Ag N O 指示剂显色法 不适用 , 有研究人员采用分层取样t5 2 ,6 1 】 , 将试样研磨后溶 于纯净水 中, 测定溶液 中氯离子含量。 由于活性粉末 混凝 土结构致密 , 分层取样同样会带来一定的误差。 因此 , 现有 的研究方法还需要进一步改进 。 2 4抗 收 缩 性 能 L I L T J u a n h o n g 等测 定了大掺量矿粉 活性粉末混凝 土 的收缩性能 , 采用 4 0 m mx 4 0 m m
24、x l 6 0 to n i 棱柱体试件 , 在 砂浆伸缩仪上测定其长度变化 , 研究表明 , 大掺量矿物细粉 活性粉末混凝土的早期 收缩小( 3 0 0 x 1 0 以下 ) 删 。 C M T a m 初步研究了不 同条件活性粉末混凝土的收缩结果 , 标养条 件下, 成型 1 d 后干缩值达到了8 0 0 x 1 0 - 6 , 掺人体积掺量为 2 的钢纤维可以减小收缩 ; 1 d 拆模 , 3 d( 2 0 3 ) 水 中养 护 , 3 d ( 1 0 0 ) 蒸汽养护后干缩值仅 为 1 2 0 x 1 0 - 6 o 试 验测 得的 自收缩值为 4 0 0 x l 0 r 6 左右 ,
25、 1 4 d 后 自收缩不再增长 。 C M T a m等的试验研究表明活性粉末混凝土的干燥值很小, 减水剂掺量为 2 5 时 , 其 1 3 0 d 干燥收缩值在 1 6 7 5 7 2 x 1 0 之间6 】 】 。 国爱丽等测试 了掺钢纤维和不掺钢纤维 , 成型 1 d 后拆模 6 0蒸 汽养护以及常温养护 , 两种养护条件下活 性粉末 混凝土的收缩 曲线变化相似 , 3 d内收缩迅速发展 , 3 2 8 d收缩曲线较平缓 , 2 8 d趋于稳定 。 陈广智等研究 了配合比和养护条件对活性粉末混凝土变形的影响, 研究 表 明, 采用低水胶 比掺入钢纤维 , 以及采用 高温蒸 养都可 以减
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