高强混凝土与活性粉末混凝土在海防工程中的应用

高强混凝土与活性粉末混凝土在海防工程中的应用
作者：生永晨李来恩
来源：《中国军转民》 2013年第7期
生永晨李来恩
【摘要】文章对高强混凝土（HSC）与活性粉末混凝土（RPC）的性能、施工工艺、造价等
要素进行分析比较，分别对两种混凝土在海防工程中的应用与发展提出了自己的看法。

【关键词】高强混凝土活性粉末混凝土海防工程比较
混凝土材料是当今世界用途最广、用量最大的材料之一。

20世纪混凝土材料科学与工程技
术取得了重大成就，高性能混凝土的广泛应用极大地推动了科学技术的进步，促进了人类社会
的发展。

伴随着人类进入21世纪，人们向着更高的目标迈进。

21世纪混凝土工程的大型化、
巨型化、工程环境的超复杂化以及应用领域的不断扩大，使人们对混凝土提出了更高的要求。

而在海防工程中，对混凝土有着特殊环境下的特殊要求。

高性能混凝土在这里展示出极大的生
命力，其中高强混凝土（High strength concrete,以下简称HSC）与活性粉末混凝土（Reactive powder concrete, 以下简称RPC）以其超高性能和优异的耐久性赢得海防工程的
青睐。

一、海防工程对混凝土材料的特殊要求
海防工程对混凝土在结构、力学、强度、耐久性等方面的要求与其他工程是一致的，甚至
某些方面性能要求更高。

例如在港口路面方面，随着货物运输的集装箱化发展、舰载武器的重
型化发展，港口路面上行驶的车辆从3~5吨发展到30~50吨，路面的抗压强度就需要相应提高，普通钢筋混凝土路面只能使用3~5年就会遭到不同程度的破坏，而使用HSC则可以使用50年左右。

海防工程对混凝土材料除了高强、耐久、防爆破、易修复、有时需快速投入使用等要求外，还有一个特殊的要求就是防氯离子(cl-)的渗透破坏。

对处于海洋或化盐环境的混凝土结构，设计中若没有增加钢筋保护层厚度和限制混凝土的渗透性，cl-就会渗透进入混凝土，在钢筋表面达到一定浓度使钢筋钝化膜破，然后钢筋开始锈蚀，导致大量钢筋混凝土结构发生严重早期劣化、破坏，不得不再耗费巨资进行维修或重建。

从七十年代陆续出现了许多新技术，包括胶乳
改性混凝土、环氧涂层钢筋、阻绣剂、混凝土表面涂层、不锈钢钢筋等等，作为防止或推迟钢
筋锈蚀的辅助措施。

但是，至今没有一项技术能够在经济性、可靠性和长期性等方面一劳永逸
地解决问题。

而HSC和RPC的出现满足了海防工程性能上和防cl-渗透等耐久性上的要求。

二、HSC和RPC在性能、施工工艺和造价上的分析比较
1.HSC的性能、施工工艺、造价
HSC是指抗压强度在80MPa以上、以硅酸盐水泥为基本胶凝材料的混凝土。

HSC没有固定的组成材料或配合比，所采用的原材料与普通强度混凝土没有本质的区别。

目前，国际上较为通
用的配制HSC的技术为“硅酸盐水泥+硅灰+高效减水剂”。

HSC的水胶比较低，最大骨料粒径
较小，使用的都是超细矿物掺合料如硅粉、粉煤灰和矿渣，所用的高效减水剂也必须与水泥之
间有较好的相容性。

在过去的20多年中，HSC的研究和应用都取得了突破性进展，80～150MPa
的HSC成功的在许多实际工程中应用，包括高层建筑、桥梁、路面和海洋结构等。

HSC的主要
特点在于具有高抗压强度，渗透性低，特别是含有硅粉时，抗氯离子渗透能力强，能够在海洋、化冰盐环境中良好地保护钢筋；腐蚀介质如硫酸盐、酸等不易渗入HSC，因此抗腐性能较高；
耐磨性能优良，研究与工程应用证明，HSC具有耐磨混凝土的三个要素：高强、使用硬度骨料
和含有硅灰。

应用HSC的主要目的在于减少承压构件截面，节省材料与空间；利用HSC的高弹
性模量，减少梁板的挠度；利用HSC较高的耐久性如良好的抗cl-渗透、耐磨性、防腐性，提
高结构寿命。

HSC多用于配筋率高的结构，因此一般要求HSC具有较高的工作性，坍落度大于200mm很
常见；坍落度小于50mm，在钢筋密实的情况下，则浇捣困难。

与相同坍落度的普通混凝土相比，HSC显得较粘滞，更易于泵送，但需加强震动密实，HSC在一般情况下不需要加强搅拌。

HSC的
沁水较少，含有硅粉时几乎没有沁水，抹面相当困难，并且出现塑性裂缝的危险性增加。

因此，在HSC浇捣抹面后，必须尽快开始湿养护，同时加盖防护罩。

HSC的胶凝材料（水泥与矿物掺
合料总合）含量一般较高，常高于500kg/m3,因此水化热可能较大；然而HSC的用水量较少，
不足以使水泥完全水化，但在一定程度上又削弱了水化热的产生。

在浇筑大体积HSC时，必须
重视防止热应力裂缝。

HSC在硅酸盐水泥的基础上加了硅粉和高效减水剂等高成本材料，造价一般较普通强度混
凝土高出10%～30%，需早强时，加硅粉较多，成本逾高。

但在使用HSC后，减少了抗压构件的
截面尺寸、降低了配筋量；利用HSC的高早期强度，缩短拆模时间，加快了施工进度。

因此，
经研究与工程应用证明，使用HSC后，性能增强，但总的工程造价并没有提高。

2.RPC的性能、施工工艺、造价
由于HSC的抗弯拉强度仍然不高，必须通过配筋来增强，而大量配筋又带来施工浇注的困难。

同时由于混凝土收缩变形受钢筋约束还会引起应力，导致开裂，从而对耐久性产生不利的
影响。

而且在高强混凝土中，粗骨料与浆体的界面薄弱区形成的缺陷也造成混凝土强度和耐久
性的降低。

针对以上问题，1993年法国Bouygues公司率先研制出一种新的超高性能、高韧性
水泥基复合材料，由于组分的细度和反应活性，因此被称为活性粉末混凝土（RPC）。

RPC是一种高强度、高韧性、低孔隙率的超高性能混凝土，基本配制原理如下：
（1）RPC不使用粗骨料，选用最大粒径为0.5mm的石英砂为骨料，减小过渡区的范围，在
整体上提高了体系的匀质性，从而改善了RPC的各项性能。

（2）选用级配在0.1微米到1毫米的水泥和硅粉，通过提高组分的细度，使RPC内部达到最大填充实度，将材料初始化缺陷降至最低。

（3）采用高效减水剂降低水灰比，提高水泥浆强度，同时减小了用水量，大大降低了孔隙率。

（4）成型时施加压力有效减少了气孔和化学收缩引起的孔隙，通过90℃的热养护或250℃～400℃的蒸汽养护加速粉末的水化效应，强化水化物的结合力。

（5）掺入长小于15mm、直径小于0.2mm的微细钢纤维，提高了混凝土的抗弯折强度和韧性。

根据组分和制备条件的不同，RPC分为RPC200和RPC800两个强度等级，RPC200（非加压、蒸汽养护、高韧性型）与RPC800（加压成型、高温养护、高强度型）的材料配合分别列于表1。

R P C 2 0 0 的抗压强度可达1 7 0 M p a ～ 2 3 0 M p a ；而RPC800的抗压强度更是高达490Mpa～705Mpa，与钢材强度相近，其力学性能和耐久性比HSC和普通混凝土（Ordinary concrete,以下简称OC）有较大提高，详见表2。

由上表可看出，RPC不仅具有较高的抗压强度，而且由于混凝土内部孔隙率很小，所以有着优良的抗cl-渗透、抗碳化、抗腐蚀及耐磨等耐久性。

更为重要的是，掺加微细钢纤维后显著提高了RPC的抗折强度和吸收能量的能力。

RPC200的抗折强度达30Mpa～60Mpa是HSC的6倍多，其断裂能平均达30KJ/㎡,而HSC的断裂能只有0.14KJ/㎡,这使RPC具有更好的抗震耗能能力。

在RPC的施工过程中，首先做的是收集材料。

需要磨成微细状的石英，控制微细钢纤维尺寸和各种材料粒径，然后采用搅拌机对所有配合材料进行搅拌。

搅拌材料能流入成型即可，无需加强搅拌。

浇注后，为排除多余空隙，在成型过程中或成型后施加压力。

为了改善微孔隙结构，在成型后进行高温养护。

RPC的制作过程较复杂，养护条件高，在强度极高的RPC时，养护温度更高达400℃，这在现浇结构中很难实现，因此RPC一般在预制厂制成预制构件。

一般认为，RPC造价较高，高成本硅粉的掺入、高效减水剂和微细钢纤维的使用以及较高的成本与养护条件，都提高了RPC的生产成本。

但与普通混凝土材料相比，RPC在力学性能、耐久性等方面具有无可比拟的优势，有效地减少了结构物的自重，提高了结构物的使用寿命。

实际上，在国外，RPC是以每吨来计算成本的，认为其与钢材相比具有价格便宜、耐久性好、工艺简单、强度高的优点。

4.HSC与RPC在海防工程中的应用领域
就目前来看，HSC与RPC综合各方面比较：HSC具有材料易收集，施工养护技术成熟，造价降低等优点；虽然HSC在性能和抗cl-渗透性等耐久性上无法与RPC相比，但也比普通混凝土材料大大提高，已经能基本满足我国海防工程的需要，是可以大面积投入使用的性能优良、耐久性好的经济材料。

而RPC作为比HSC性能、耐久性更优越的建筑材料，在防护工程领域，美
英海军、美国陆军、法国及韩国、泰国的军队都已经用它建设了重要的防护工程，我国的台湾
省也将其用于军事工程。

应该说，200Mpa级的RPC在国外的实用化工艺已经相当成熟。

但对于
我国RPC的研究起步较晚，虽然取得了一定的成绩，但也存在不少问题。

受技术和设备限制，
缺少优质的掺料和高效减水剂，这显然限制了RPC强度的提高；工艺较其它混凝土复杂，且成
本昂贵；而且使用RPC时要在预制厂生产预制构件，这样在实际结构工程中，RPC的运用受到
了限制，阻碍了它在我国的推广和使用。

RPC所具有的超强力学性能和优异的耐久性决定了它
的巨大的发展潜力，在我国重要海防工程中应考虑使用。

RPC要在我国推广使用，当务之急，应结合我国国情，考虑实用性和经济性，对现浇结构
中RPC的最优配合比及制造工艺开展研究。

文章认为，主要有以下几个研究方向：
（1）适当放宽对粗骨料粒径的限制条件，使其介于RPC（400微米石英砂）与HSC（15～
25毫米碎石）之间，这样可增加混凝土的流动性；
（2）采用与HSC相当的养护条件；
（3）掺加超细粉煤灰或超细矿渣等掺合物部分代替硅灰，可以起到降低成本，保护环境的作用；
（4）可以添加纳米级掺合料，使混凝土内部变为更密实的网状结构，从而增强混凝土的韧性；
（5）可以掺加碳纤维等智能材料，利用其自身的热敏特性来实现对养护温度的调节。

虽然利用上述措施制备的混凝土强度不如RPC，耐久性也有所降低，但仍比HSC有所提高；但若能实现制备手段的方便实用，而抗压强度在150Mpa～200Mpa的高性能混凝土材料，将对其在现浇结构中的广泛应用起到极大的推进作用。

随着RPC制造工艺的成熟和成本的降低，相信在未来我国海防工程中，RPC的应用领域会
越来越广，发挥出它具有的超强性能，为我国海防建设做出巨大贡献。

（作者简介：生永晨，中国人民解放军92153部队工程办主任，本科学历）
（李来恩，中国人民解放军92153部队综合办助理会计师，研究生学历）
参考文献：
[1]中国土木工程学会,混凝土与预应力混凝土学会,高强混凝土委员会．高强混凝土设计指南[M]. 中国建筑工业出版社,2001:203.
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[3]姚燕，王玲，田培.高性能混凝土[M].化学工业出版社，2006:124.
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