中国活性粉末混凝土的研究及工程应用

中国活性粉末混凝土的研究及工程应用

冯业斐1，刘长会2，马永涛2

 （1.山东铁路综合开发有限公司，山东 济南 250102； 2.山东铁投惠诚新材料技术有限公司，山东 济南 250102） 

摘要：活性粉末混凝土于1994年由法国学者公开，1998年由覃维祖教授首次向国内介绍，因其超高的强度及优异的耐久性能而受到广泛关注。在中国历经20年的发展，它的研究开发、工程应用、标准制定等方面都取得了显著成绩。本文以时间和事件为主线，通过大量工程实例总结归纳了中国活性粉末混凝土的研究和工程应用概况，并提出活性粉末混凝土应用展望。

关键词： 活性粉末混凝土；超高性能；研究开发；工程应用

中图分类号：TU 528                               文献标志码：A

Research and Engineering Application of Reactive Powder Concrete in China

ZHANG Hou-jun1, DU Qing2 ,WANG Cong

（1. Shandong Railway Investment Comprehensive Development Company, Jinan,China; 2.Beijing Huichenjiye Engineering Technical CompanyLimited，Beijing 100044，China; 3.CCCC Water Transportation CompanyLimited，Beijing 100007，China ）

Abstract: Reactive powder concrete was invented by French scientist in 1994 and then first introduced to Chinese by Professor Qin Weizu in 1998.It was received wide attention because of its high strength and excellent durability.After almost 20 years,the research and development ,engineering application and standard establishment,etc of reactive powder concrete have been made a significant achievement in China.This paper takes time and event as the main line,and summarizes the research and engineering application of active powder concrete in China,which will play a guiding role of the development of it in future.

Keywords:reactive powder concrete；ultra-high performance concrete；research and development；engineering application

1. 概述

随着20世纪70年代硅灰掺合料和高效减水剂广泛应用，混凝土得以在低水胶比（0.25左右），获得良好工作性的情况下拌合成型，硬化后可获得100MPa甚至更高的抗压强度。使用这种混凝土用于建设桥梁、路面和高层建筑时，可减小构件断面尺寸，从而轻质，提高耐磨性能，达到延长使用寿命的目的。但是高强混凝土在应用过程中也存在一些问题。它在早期的弹性模量随龄期而增大，同时变形受约束产生的应力松弛（徐变）还减小，反而导致它比低强度的混凝土更易出现裂缝。水胶比越低，硅灰掺量越多的高强混凝土，早期强度发展越迅速，强度倒缩和开裂现象也就越显著。

为避免高强混凝土开裂，若降低硅灰掺量，这样则制约了水胶比降低程度；另一方面可掺入钢纤维来抑制开裂。但是粗集料颗粒会影响钢纤维的“架桥”作用，于是，法国学者P.Richard参照“高致密水泥基均匀体系”（DSP材料），将粗集料剔除，用最大粒径400μm的石英砂作为集料，由水泥、硅灰、高效减水剂等原材料配制无粗集料的混凝土，再掺加钢纤维，在混凝土的凝结硬化过程中可采取蒸养成型的养护工艺。由于该混凝土成分中粉末含量和活性的增加而被称为活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC；欧洲也称之为Ultra-High Performance Concrete，即UHPC)，当时美国陆军工程师团进行活性粉末混凝土制品的生产。这种新材料申报了专利，于1994年旧金山的ACI春季会议上首次公开

[1]。1998年8月，在加拿大Sherbrooke市召开了第一次有关活性粉末混凝土和高性能混凝土的国际研讨会，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。与会专家均认为：活性粉末混凝土作为一种新型混凝土，将具有广泛的应用前景[2]。由此活性粉末混凝土作为高性能混凝土领域的新亮点，引起了工程界的广泛关注和应用研究。自1994年起至2008年，法国、美国、加拿大、德国、日本、新西兰等国家先后在桥梁、核电站、军事工程、民用建筑等领域使用了该种材料[3-5]。

2. 研究开发

 1998年，清华大学覃维祖教授首次向国内介绍了这种新型混凝土材料，并率先开始探索性研究[6]。在他的指导下，首先在国内批量生产微细高强钢纤维，实现了活性粉末混凝土关键材料的国产化。2000年以后，除清华大学外，北京交通大学、湖南大学、北京建筑大学、东南大学、福州大学、武汉理工大学等先后对其材料组成与结构性能开展研究工作。目前活性粉末混凝土材料的配合比、力学和耐久性能已经掌握，微观结构特征和水化硬化机理也已明了，为工程应用提供了理论基础[7]。

北京交通大学在活性粉末混凝土引进至今先后完成了国家“863”、国家自然科学基金、北京市和原铁道部科研项目近二十项，对其材料组成、配合比、微观结构特征和水化硬化机理、基本的力学和耐久性能、多因素耦合耐久性能、结构性能等进行了系统性研究，还对活性粉末混凝土与钢筋黏结性能、钢管活性粉末混凝土性能、预应力活性粉末混凝土等开展了研究，提出了基于试验研究的结构设计方法[8-18]。这一系列研究成果在工程应用中得到有效验证。

活性粉末混凝土在工程中多采用预制形式，其技术推广受到众多限制，为拓宽它的应用范围，清华大学配制了可现场泵送、免振捣浇筑的活性粉末混凝土[19]，为其现浇施工提供了重要参考。

活性粉末混凝土发明的初衷是解决高强混凝土的开裂问题，湖南大学在它的基础上进行了超韧性混凝土在钢桥面中的应用研究[20]，超韧性混凝土层表现出了极高的抗拉强度与韧性。同时，超韧性混凝土的收缩应变较小，几乎不会引起结构次内力。

一种新型建材产品在国内大规模应用，离不开适应国情、来源广泛的原材料、标准化的生产工艺及设备等。北京惠诚基业工程技术有限责任公司、北京交通大学和北京福斯达轨道交通技术有限公司联合进行了活性粉末混凝土及其制品工业化大规模生产的开发，对国内原材料选配生产、工业化生产工艺、成套生产设备开展了一系列的研发工作，形成了较为完整的活性粉末混凝土及其制品生产的技术平台，开发出活性粉末混凝土制品成套的生产设备，并得到了大规模应用。

3. 标准制定

在原铁道部的《客运专线活性粉末混凝土(RPC)材料人行道挡板、盖板暂行技术条件》的基础上，中国铁路总公司与2014年发布了国内第一个活性粉末混凝土标准——《铁路电缆槽盖板和人行道步板 第1部分：活性粉末混凝土型》（Q/CR2.1—2014）。该标准在国内首次给出了活性粉末混凝土强度等级划分，并进一步规范了铁路电缆槽盖板的技术要求、生产工艺及产品的检测方法。

世界上该领域首个国家级标准是中国于2015年发布的《活性粉末混凝土》（GB/T 31387——2015），它通过结合中国工程的特点，给出适合中国当前国情的活性粉末混凝土的分类、性能等级划分,并对原材料、生产制备、检验等做出形影规定，为中国活性粉末混凝土的推广应用提供了准则。

4．工程应用

活性粉末混凝土在中国工程的首次应用，是2003年北京市五环路石景山转体斜拉桥工程，当时采用尺寸为2000mm×1200mm×60mm的无配筋活性粉末混凝土空心板应用于斜拉桥的隔离带，空心板内有直径为40mm的圆孔，可切、锯，材料的28d抗压、抗折强度分别为140MPa、18MPa。该板在工厂预制，现场铺装（图1~3）。该空心板使用至今，效果良好。

图1  预制的活性粉末混凝土空心板  图2 铺装中的活性粉末混凝土空心板    图3 铺装后效果

活性粉末混凝土也可应用于房建工程。2005年沈阳市的一个工业厂房扩建工程的楼板、梁和柱均使用了140MPa级的活性粉末混凝土预制构件[21]，其中梁84片、楼板245块，混凝土工程量为327m3。

随着国家对基础设施建设（特别是铁路工程）的大力投入，给活性粉末混凝土提供了大规模推广应用的平台。2006年青藏铁路多年冻土区桥梁上采用了活性粉末混凝土人行道板及支架，新型人行道体系具有高耐久性、结构合理、便于生产和安装、价格适中等特点。利用活性粉末混凝土的优异性能，可减小构件尺寸和自重，同时提高使用寿命和耐久性，大幅度减少人行道结构的维修工作量。

由于其优越的性能，活性粉末混凝土逐渐被用于主体工程。2006年沈大铁路工程采用跨度9.4m、梁高0.55m、斜交角45°的钢筋活性粉末混凝土简支斜交板梁（1孔）跨线桥替换原刚板梁桥，有效解决了桥下电气化铁路接触网对桥上维修人员的安全问题。梁体抗裂安全系数达到1.11，远大于钢筋混凝土梁，接近于预应力混凝土梁的抗裂安全系数。

2006年迁曹铁路工程采用跨度为20m的活性粉末混凝土预应力低高度T形梁5孔，梁高1.35m。设计采用预应力钢筋和普通钢筋的混合配筋方式，减少了预应力钢筋的数量，梁体抗裂安全系数达到1.70，远大于规范的要求。从活性粉末混凝土的制备到梁体的静载试验，进行了水化热、自收缩及应力-应变等的全过程跟踪测试，实测活性粉末混凝土28d的抗压强度、抗折强度、弹性模量分别为126.1MPa、21.1MPa、47.5GPa。采用活性粉末混凝土设计的不同跨度T形（超）低高度铁路桥梁，具有梁高低、自重轻、耐久性佳、吊装方便等特点，有效解决了线路跨线净高受限制的问题。

2009年冀港铁路线采用了跨度24m和32m的超低高度预应力活性粉末混凝土T梁19孔，梁高为1.3m和1.8m，如图4所示。实测活性粉末混凝土28d抗压强度、抗折强度、弹性模量分别为141.9MPa、20.2MPa、46.4GPa。梁体在1.2倍设计荷载的作用下，梁体下翼缘底面和侧面都未发现受力裂缝（图5），抗裂性满足规范要求。

图4 冀港铁路超低高度预应力活性粉末混凝土T梁  图5 超低高度预应力活性粉末混凝土T梁检验

活性粉末混凝土除预制使用外，也可用于特定的现浇工程。2009年南京市的一轨道交通工程进行了一次现场薄层浇筑活性粉末混凝土的施工[22]。与经典配合比不同，该工程使用了细度模数2.7的普通河砂，在商品混凝土搅拌站生产，其现浇工程量为50m3，实现自流平浇筑，覆盖湿麻袋，常温养护，其强度超过100MPa。

因成本较普通混凝土高，主体结构若大规模使用活性粉末混凝土会升高工程造价，所以2008年郑西铁路客运专线开始使用活性粉末混凝土制作电缆槽盖板，当时使用面积为16万m2，工程量达4000m3。活性粉末混凝土盖板厚度2cm（原钢筋混凝土盖板厚度6cm），材料抗压强度大于130MPa、抗折强度大于18MPa。

2009年起国内高铁工程全部采用活性粉末混凝土设计桥梁、路基电缆槽盖板，由此揭开国内活性粉末混凝土大规模应用序幕，这也是世界上首次大规模应用活性粉末混凝土的工程项目。该盖板为简支板，厚度25mm（原设计钢筋混凝土盖板厚度60mm），活性粉末混凝土抗压强度等级为130MPa级，相应的抗折强度为16 MPa。截至2014年，高铁工程使用活性粉末混凝土盖板面积超过2000万m2。生产车间及成品如图6、7所示，工程应用效果如图8、9所示。

            图6 活性粉末混凝土盖板生产车间         图7活性粉末混凝土盖板成品

图8 高铁桥梁使用活性粉末混凝土电缆槽盖板效果  图9 高铁路基使用活性粉末混凝土电缆槽盖板效果

2011年马房大桥第11跨正交异形钢桥面-薄层超韧性混凝土组合桥面结构施工中采用了活性粉末混凝土，发现超韧性混凝土钢桥面铺装方案可有效降低纵肋应力，降低幅度在80%以上，大幅改善面板受力状况，提高桥面整体刚度，减少桥面变形，综合来说是国内首创的、先进的桥面铺装技术。

国内利用其特点开发了活性粉末混凝土井盖，如图10所示。活性粉末混凝土材料具有高的抗压、抗折强度并可以有效减少结构物的自重，而且由于较高的密实性使它的抗渗极佳，耐久性也得到了保证，所以利用活性粉末混凝土优点制成的井盖彻底解决井盖的偷盗问题，又具有很好的环保效应和发展前景。

                    图10  采用活性粉末混凝土制作的井盖

国内还开展了活性粉末混凝土在地铁人防工程中的应用研究，将其应用于防护门的门体材料中[23]，较普通混凝土表现出了优异的抗破片、防射线、易施工、黏结好、厚度薄、质量轻、造价低、节约空间等性能。

公路的主体结构工程也出现了活性粉末混凝土的身影。2014年，在建设石磁高速公路时使用了UHPC小箱梁公路跨线桥，桥梁总长为127m，跨径为4×30m，主梁横截面由3片单箱单室箱梁构成。桥面宽8m，横向布置为0.5m（护栏）+7m（2个行车道）+0.5m（护栏）。该桥混凝土抗压强度不小于130MPa，弹性模量不低于40GPa[24]。

2014年佛山市佛陈路快速改造佛陈大桥扩建工程项目(图11）中，活性粉末混凝土运用于钢STC组合连续梁结构改造，活性粉末混凝土混凝土铺装厚度为4.5cm，铺装面积约2930m2，该桥梁采用一级公路标准兼顾城市道路功能，设计车速80km/h，桥梁设计汽车荷载为公路Ⅰ级。活性粉末混凝土的抗拉强度是传统混凝土的10倍，其断裂韧性是传统混凝土的200倍，该技术将钢箱梁与超高韧性混凝土组合成一个整体后，桥面局部刚度提高了40倍，钢桥面疲劳开裂的风险大为降低，桥面使用100年都不需要大修，仅需10~15年进行一次桥面磨耗层快速维护。这种超级桥面100年全寿命维修维护直接成本不足传统沥青铺装的1/10。

图11佛陈大桥STC桥面

2014年以来此桥面技术先后在北京通州跨通惠河北关大道景观全钢大桥、天津海河大桥、岳阳洞庭湖二桥、湘潭昭华湘江特大桥、汕头礐石大桥铺装维修工程、海盐县沈荡大桥、株洲枫溪大桥（株洲六桥）、东莞市梨川大桥、嘉兴市南湖区S202省道焦山门桥修复工程等项目中得到应用[25]。

2016年钢-UHPC轻型组合梁运用于南益高速胜天特大桥[26]，胜天大桥原方案为传统钢-混凝土组合梁，桥面板平均厚28cm。由于软土地基的存在，减轻主梁自重尤为重要。该工程的钢-UHPC轻型组合梁，桥面板平均厚13cm，应用于桥梁上可使主梁自重减少4500N/m2，降低桥梁自重约35%（图12）。

图12钢-UHPC轻型组合梁

2017年川陕高速公路全世界第三、全国第二长度的米仓山超特长隧道，统一采用活性粉末混凝土预制电缆沟和水沟盖板及盖板侧缘预制条，材料28d抗压强度、抗折强度、弹性模量分别为120MPa、14MPa、40GPa。盖板尺寸为750mm×490mm×40mm，相比普通混凝土盖板大幅减轻质量，方便运输和安装（图13）。2018年，北京冬奥工程兴延高速和延崇高速也采用了活性粉末混凝土预制的电缆沟和水沟盖板（图14）。

         图13 米仓山隧道盖板                         图14  兴延高速隧道盖板

当然，活性粉末混凝土可用于更多的结构。2014年和2015年，成绵乐高铁、大西高铁综合试验段试用了超高强混凝土声屏障（图15），该声屏障结构为工厂预制装配，现场整体吊装，混凝土曲线立柱、背板分别采用了力学性能等级为RPC160、RPC130级活性粉末混凝土。北京惠诚基业工程技术有限责任公司提供了活性粉末混凝土配合比并生产了活性粉末混凝土立柱和背板。该项目为力学性能等级为PRC160的活性粉末混凝土的国内首次工程应用。

                               图15  高速铁路超高强混凝土声屏障

    2018年中国建筑科学研究院建材所与山东铁投惠诚新材料技术有限公司股东方北京惠诚基业工程技术有限责任公司合作开发了加油站地面板（图16），并在中石油北京北清路加油站使用。该地面板利用活性粉末混凝土高强高耐久性能，很好解决了加油站普通混凝土地面耐磨性差、耐除冰盐腐蚀性差的问题，给企业带来显著经济效益。

                                图16  活性粉末混凝土加油站地面板

5 .展望

   活性粉末混凝土具有高强度、高耐久、高韧性且耐火抗爆等优越的性能，在以下各类工程中具有广泛的应用前景。

   1）轻质高强结构。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。利用活性粉末混凝土的高强度、高韧性制作高层或超高层建筑的结构构件，可大幅减小截面尺寸和结构自重，增加建筑物的使用面积。

2）特种结构及特殊环境下服役构筑物。利用活性粉末混凝土具有的高强度、高抗渗、高耐久及耐火抗爆特点，可用于核废料储存容器、各种耐腐蚀的压力管和排水管道、薄壁蓄水结构、严寒地区和沿海地区构筑物、各类国防军事工程。2015年天津港“8·12”爆炸事故，造成了巨大的人员伤亡和财产损失，活性粉末混凝土极有可能将涉足危险化学品储藏领域，使用其耐火抗爆的特点来挽救生命、降低经济损失。

   3）高耐磨地面、路面。利用活性粉末混凝土高强度、高韧性、高耐久和耐磨特点，可用于重工业厂房地面和仓库地面、汽车赛场路面等。

   4）抢修抢建工程和结构加固。活性粉末混凝土的早期强度发展快，后期强度极高，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。

   5）建筑物的外装饰。活性粉末混凝土具有良好的工作性能，无粗集料易于造型，在适宜的模具条件下生产的构件表面具有很高的光洁度，外界的有害介质很难侵入，添加着色剂等组分也不易向外析出，利用这一特点可生产如装饰性外墙板等各类外装饰结构。

     综上所述，活性粉末混凝土代表了建筑材料领域的先进水平，它具有超高性能、降低生产维护成本、减少能耗、节约资源等突出特点，必将为社会做出巨大贡献。

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