[摘 要] 從鋼纖維的增強機理、活性粉末混凝土的增韌機理、活性粉末混凝土的力學性能等方面闡述了鋼纖維對活性粉末混凝土的增強機理，以達到提高 RPC的高力學性能和耐久性的目的。 [關鍵詞] 活性粉末混凝土，耐久性，力學性能，增強機理 0 引言 科學技術進步的同時也帶動了混凝土材料性能的改善。活性粉末混凝土 (Reactive Powder Concrete，RPC) 是繼高強、高性能混凝土面世之后研制成功的又一種高強度、高韌性、低空隙率和高耐久性的超高性能混凝土 。它是根據最大密實性原理，剔除粗骨料，采用最大粒徑為 630 μm 的細砂為骨料，由水泥、磨細石英粉、硅灰和高效減水劑并輔以適當的養護制度而制成的，活性組分粒徑在 0.1 μm～1 μm之間。根據組分、養護方法和成型條件的不同，可以制成抗壓強度分別為200 MPa，800 MPa左右的RPC，分別簡稱為 RPC200 和 RPC800。RPC 結合了鋼材的高強度、高韌性和傳統混凝土抗火、抗腐蝕性強的優點于一體。目前，它的應用已經進入到橋梁與路面工程、建筑工程、水利工程、特種結構多個領域。RPC可以有效地減小結構自重，在具有相同抗彎能力的前提下，RPC結構的重量僅為鋼筋混凝土結構的 1/2～1/3，幾乎與鋼結構相近。與普通混凝土相比，RPC具有較高抗拉強度和由抗拉強度決定的較高抗剪強度。 表 1 給出了兩種活性粉末混凝土與高強混凝土力學性能比較。由此可以看出，RPC在性能上的優勢。
1 鋼纖維增強機理 RPC具有超高強度，優異耐久性和抗滲性，但其韌性并不比普通混凝土高多少，甚至有所降低。摻一定量的纖維 (纖維長13 mm，直徑 0.16 mm) 可以提高材料的抗彎折強度，同時可以獲得較高的韌性和延性?；w和纖維是不同種類的材料，混凝土材料中由于加入了纖維而屬于各項異性的材料，從而就導致彈性區域受其影響 。試驗證明，某區域纖維的比率和纖維方向對 RPC的荷載傳遞以及纖維和周圍物質的作用都是有很大關系的。纖維 RPC中纖維的主要作用是限制水泥基料在外力作用下的裂縫擴展。在受荷初期，水泥基料與纖維共同承受外力作用，但以水泥基體為主要受力者，此時纖維可在一定程度上約束水泥基體在外力作用下裂縫的形成和擴展；隨著荷載的增大，基體開裂后，部分基體退出工作，橫跨裂縫的纖維就成了主要的受力者。 隨著裂縫的擴展，纖維繼續承受荷載，其最終的破壞荷載有所提高，當然提高的幅度與纖維的性質、數量、間距、分布方向以及纖維和基體之間的粘結力有很大的關系。超過峰值荷載后，裂縫繼續擴展，纖維不斷被拔出或是纖維本身被拉斷，這期間消耗大量的能量，并且由于纖維的存在，其承載能力并不立即消失，而是緩慢下降，荷載 — 位移曲線下包絡的面積較大，斷裂能、斷裂韌性和裂縫張開位移大大提高，材料破壞呈現出較好的延性。 開裂后的大部分荷載是由鋼纖維承受。當裂縫尖端與鋼纖維相遇時，因裂縫無法直接通過而偏轉了方向，從而緩沖了裂縫尖端處的應力集中程度，阻止了裂縫的擴展，減小了裂縫的間距和寬度；另外，纖維的增韌機理也可從斷裂韌性值 KIC得出，用纖維增強非金屬時 E纖維 > E基體，纖維主要承受力，且纖維使基體的龜裂難于擴展。這些都有利于提高 KIC。纖維在無機非金屬材料基體中受外力作用時，因拔出而消耗能量，耗能越多，材料的韌性越好，這就是纖維在 RPC中的增強機理。 在 RPC中，鋼纖維與混凝土的界面粘結性能控制著沿纖維縱軸的應力傳遞。在混凝土開裂前，界面粘結作用使應力從基體傳至纖維；基體開裂后，跨越裂縫的纖維承擔荷載，界面粘結又使荷載傳回到基體未開裂部分，當纖維受到的拉力大于界面粘結力時，纖維脫粘被拔出。 2 活性粉末混凝土( RPC)的增韌機理 摻入鋼纖維使 RPC 增加抗拉強度與韌性，可借助鋼纖維增強混凝土的機理來理解 RPC 中鋼纖維的作用。未摻鋼纖維的RPC呈完全線彈性，斷裂能與抗拉強度較低。加入鋼纖維后更大大改進了其韌性與抗拉強度，耐久性能得到明顯的提高。 鋼纖維種類與摻量極大地影響 RPC 的抗拉強度及斷裂韌性。未摻鋼纖維的 RPC與普通混凝土相比，其抗拉強度與韌性有一定提高，但仍屬脆性材料，抗拉強度偏低。為了改善這一性能，采用摻入微細的鋼纖維來提高 RPC 的韌性與抗拉強度。與前述鋼纖維混凝土的增強機理一樣，鋼纖維對 RPC 的作用在于它能夠阻礙混凝土基體內部微裂紋的產生、擴展，顯著提高 RPC 的韌性、延性和抗彎強度，有效地避免無征兆的脆性破壞的發生。 鋼纖維對 RPC的增強效率與鋼纖維長度(lf) 、直徑(df) 、長徑比(lf/df)、體積率(ρf)以及纖維外形等密切相關。相關試驗表明細鋼纖維較粗鋼纖維更有效地提高了 RPC的抗壓強度，3d 抗壓強度提高了 13. 9 %，28d抗壓強度提高了 9. 6 %。另外，抗彎強度也有所提高，幅度沒有抗壓強度大，3d提高了0.5 %，28d提高了 2.7 % 。 發現摻入粗鋼纖維的 RPC 破壞時局部破壞嚴重，抗彎試驗時，一旦開裂很快就達到極限強度。而摻入細鋼纖維的 RPC 破壞時仍保持原狀，破壞方式是四角爆裂，在開裂后仍能維持一段時間，強度仍有增長。觀察試件破壞斷面可發現，摻粗鋼纖維的混凝土斷裂面上纖維含量很少，而且分布極其不均勻；相反，摻細鋼纖維的混凝土斷裂面上纖維分布密集且均勻，方向基本都是垂直于斷裂面的；同時還可觀察到摻粗鋼纖維的 RPC破壞時有不少粗鋼纖維被拉斷，而細鋼纖維則是被拔出的，幾乎沒有被拉斷的。 不同鋼纖維含量對 RPC 強度的影響分析結果表明，鋼纖維摻量越大，混凝土的 28 d 抗壓強度也越大，抗彎強度也越大。鋼纖維摻量對抗彎強度的影響比對抗壓強度的影響更明顯，這是因為鋼纖維的增強作用只有在試件受力達到抗壓強度之后，裂縫擴展到水泥石之中才得以發揮，這就是試件抗彎時在出現裂縫后，抗彎強度還能繼續上升的原因。但也不是鋼纖維摻的越多越好，摻得太多會降低混凝土的和易性，而且也不能全部發揮作用?？紤]拌和易成型和強度因素，綜合考慮選擇鋼纖維摻量。 3 活性粉末混凝土( RPC)的力學性能 RPC200與 RPC800 的主要力學特性見表 2，以 RPC200 為例，其抗壓強度可達 170 MPa～230 MPa，是高強混凝土的 2 倍～4 倍，其抗彎強度約為 30 MPa～60 MPa，是高強混凝土的 4 倍～6 倍，摻入纖維后拉壓比可達1/4 左右，其彈性模量可達 40 GPa～60 GPa，斷裂能高達4 000 J/ m2，是普通混凝土的 250 倍～400 倍，可與金屬鋁媲美。 從表 2 還可以看出，RPC800 的斷裂能比 RPC200 低得多，幾乎與水泥基體同時斷裂，這是因為其材料配合中鋼纖維長度為3 mm，屬短纖維。纖維根數增加，纖維間距縮短，結合體內細微龜裂被抑制，因而能增進強度發展，但纖維長度短，容易被拉拔，故破壞能量值較小。
RPC的一個顯著特點是抗壓強度很高，含鋼纖維、有側限并加壓處理的 RPC比不含鋼纖維、有側限并加壓處理和含鋼纖維有側限無加壓處理以及不含鋼纖維、有側限的 RPC 極限應力都高，而這四類 RPC比普通混凝土、高性能混凝土以及只含有鋼纖維無任何處理的 RPC極限應力都高。由此可見，要得到最大抗壓應力的 RPC除了要加入鋼纖維外，還應該進行有側限的加壓處理。 RPC具有高的抗壓強度，其中，RPC200 的抗壓強度可達170 MPa～230 MPa，是高強混凝土的 2 倍～4 倍；也有高的抗彎強度，RPC200的抗彎強度約為 30 MPa～60 MPa，是高強混凝土的 4 倍～6 倍；高的彈性模量 RPC200 的彈性模量可達 40 GPa～60 GPa，是普通混凝土的 250 倍～400 倍；RPC高的抗壓、抗彎強度也決定了它較高的耐久性能。通過摻入鋼纖維提高其抗拉強度及韌性，這些都決定了 RPC有不同于普通混凝土乃至鋼纖維混凝土的好的力學性能。 4 結語 活性粉末混凝土(RPC) 材料的發展具有很高的工程應用價值和廣闊的市場前景。文中對 RPC性能進行了力學機理方面的研究。活性粉末混凝土在特性上比普通混凝土優越的多，因為RPC在顆粒配比上通過提高材料組分的細度與活性獲得超高強度與高耐久性。鋼纖維的添加令 RPC 在剛度、強度上有顯著提高。使得 RPC 在耐久性上有明顯提高，使其優于其他混凝土。纖維的性質、數量、間距、分布方向影響鋼纖維的增強效應。 |
