道路、市政、橋梁、核電等諸多重要領域建筑用材：活性粉末混凝土（RPC）
混凝土是當今土木建筑工程廣泛使用的建筑材料，隨著科學技術的進步和城市化規模的不斷擴大，現代建筑日益向高層、大跨和地下發展，對建筑結構的安全性、適用性和耐久性提出越來越高的要求，高強、高性能混凝土的出現和發展適應了這一要求。高強和高性能混凝土由于具有強度高、承載力大、資源和能源消耗少、耐久性好等優點，滿足了土木建筑工程輕質、高層、大跨、重載化及耐久性等方面的要求，從而得到迅速推廣和應用。
活性粉末混凝土（reactive powder concrete，RPC）是法國BOUYGUES公司于20世紀90年代率先研發的新一代高強和高性能混凝土，具有超高強度、高韌性和良好的耐久性等，1994年在Richard等發表的論文中公開提出。RPC主要由水泥、石英砂、石英粉、硅灰、超塑化劑和鋼纖維組成，在一定制備工藝下其抗壓強度可達200~800Mpa（按強度分為RPC200和RPC800兩級），抗折強度為20~40MPa，斷裂能達4×104J/m2。作為一種新型的高性能混凝土，RPC自問世以來便受到了國內外學者的廣泛重視與關注，并在道路、市政、橋梁、核電和軍事工程等諸多領域得到了發展和應用。
混凝土是當代廣泛使用的建筑材料，也是現代最大宗的人造材料，已成為土木工程用材的主體。據不完全統計，2012年世界水泥產量已超過38.2億t，折合成混凝土則大于150億m3，我國的水泥產量達21.84億t，商品混凝土產量8.88億m3，約為世界總產量的1/2，居世界首位。
與其他建筑材料相比，混凝土具有抗壓強度高、彈性模量大、耐久性好等特點，同時，生產原料廣泛、成本低、生產工藝簡便使它在土木工程領域得到了廣泛應用。然而，一般的混凝土材料存在變形性能較差、脆性大、自重大、抗拉強度低等缺點，在一定范圍內又限制了它的使用。因此，改善混凝土材料的性能便成為學術界和工程界堅持不懈的研究課題，人們期望混凝土材料具有更高的強度、更大的彈性模量和更好的變形能力，其中，提高混凝土強度更是諸多國內外研究者百余年來努力的方向。
混凝土的強度和水灰比有關，水灰比越小，混凝土的強度越高，但僅靠減小水灰比提高混凝土強度也是不現實的，因為過小水灰比的混凝土工作性、流動性非常差，實際上成了干硬性混凝土，同時也使混凝土變得不密實，強度反而降低。
減水劑的發明與應用，以及硅灰、粉煤灰、沸石粉等優質礦物摻料的使用，是混凝土技術的重大發展。摻入減水劑可以大幅降低水灰比并保證混合料的流動性，使混合料的拌制、運輸、澆筑和成型等工藝變得容易，提高強度的同時改善了混凝土的性能；硅灰等活性摻料則可以減少水泥中的堿骨料反應，同時改善混凝土的孔結構并降低孔隙率，從而提高混凝土的強度。
20世紀60年代，日本首先成功研制出高效減水劑，從此開辟了混凝土技術的新時代。高效減水劑使混凝土的高強和高流態變得相當容易，使高強混凝土（high strength concrete，HSC）的廣泛應用成為可能。在20世紀70年代末期，日本已經能夠制備C80~C90的HSC，90年代初期，日本集中研究使用C110HSC建造60~90層高層建筑的可行性和關鍵技術；北美于1976年開始采用高效減水劑制備HSC，并很快在高層建筑中廣泛應用；我國清華大學在20世紀70年代末期自行研制出高效減水劑并投入生產，為我國HSC的發展提供了基礎，但直到80年代初期，我國才開始對HSC進行廣泛的研究和應用。
在HSC應用中，隨著新型外加劑和膠凝材料（尤其是硅灰）的出現，使既有優良工作度，又有優異力學性能和耐久性的混凝土生產成為現實，這種新型混凝土稱為高性能混凝土（high performance concrete，HPC），并在實際工程中得到了應用。
例如，美國西雅圖第二聯合廣場大廈是世界第一座采用平均抗壓強度達120MPa的HPC建造的建筑（1989年，56層，高226m，C120）。Scotia大廈是加拿大用HPC建造的第一幢混凝土建筑（1988年，C70），也是該國最高的混凝土建筑。1991年我國的廣東國貿大廈首次應用C60的HPC，此后，HPC在國內高層建筑中得到了廣泛應用，如上海金茂大廈（C60）、沈陽皇朝萬鑫國際大廈（C60）和北京西站（C60）等工程。
在橋梁隧道工程中，日本早在20世紀60年代就采用C60～C80混凝土建設高強混凝土鐵路橋。法國的伊沃納河橋采用C70的HPC和體外預應力索的結構形式，使混凝土用量減少30%，自重降低24%。美國紐約自1996年就要求全州新建橋梁的橋面必須使用HPC。歐洲英吉利海峽隧道位于海平面下50～250m，總長50.5km，其中37km位于海平面下，整個隧道由三條分隧道組成，設計壽命為120年，原設計強度為45MPa，由于耐久性方面的要求，采用了平均抗壓強度約63MPa的HSC。
在我國，京津城際鐵路是首次在設計中提出要求采用HPC的軌道交通工程，該工程2005年底開工至2008年8月開通運營，在采用HPC的所有結構物中，經檢測沒有發現混凝土開裂、腐蝕、溶洞等現象，混凝土表現出較好的耐久性。
我國的一些國有大型煤礦在礦井施工和隧道支護中也推廣使用HSC和HPC，如淮南礦業集團丁集礦在凍結段井壁結構設計中首次采用了C60～C70HSC和HPC，并在該礦的三個井筒凍結段井壁工程中得到成功應用。在澳大利亞、加拿大、日本和美國，HPC已用于固定式和漂浮式鉆井平臺。
HSC和HPC的廣泛應用，也暴露出一些問題。一是HSC的高脆性嚴重影響結構的抗震性；二是HSC水灰比較低，容易產生較大的收縮變形，導致結構過早出現裂縫，影響結構的正常使用。例如，美國的混凝土橋面板在20世紀70年代普遍開裂，為延長橋的使用壽命轉而使用更高強度的混凝土進行翻修。1995年美國公路戰略研究計劃的調查結果表明，約有10萬座橋梁的橋面板在澆筑后一個月內便出現間隔1~3m的裂縫。分析認為，HSC早期的彈性模量隨強度升高而增大，同時變形受約束產生的應力松弛作用（徐變）減小，導致它比中、低強度的混凝土更容易開裂。其次，硅粉摻量越多、水膠比越低的混凝土，早期強度發展越迅速，開裂和強度倒縮現象也就越顯著。此外，HSC和HPC存在耐火性能差的缺點，當遭受高溫或火災時，溫度梯度、內外約束、水泥漿體同骨料熱膨脹的不匹配以及溫度敏感性等會引起材料熱開裂，導致混凝土的爆裂性破壞，進而引發結構的整體失效，造成災難性后果。1996年發生在英吉利海峽隧道的10h火災，導致數千米長的HPC（抗壓強度達到100MPa）爆裂，造成隧道內表面長約40m、厚約450mm的剝落受損。1999年連接法國和意大利的勃朗峰隧道發生火災，隧道中的混凝土襯砌被全部燒毀，事故發生后，該隧道被關閉維修長達兩年之久。美國“9·11”事件中世貿中心配樓的坍塌也是一個著名的例子，鋼筋混凝土大廈在800℃以上高溫作用下，因結構喪失承載力而發生坍塌。此外，溫度的持續作用還會導致服役期內混凝土結構的耐久性降低，使結構過早地進入大修階段或者提前結束服役年限。
為避免上述問題的發生，常在硅灰混凝土中摻入鋼纖維來增加混凝土的韌性、控制其開裂；通過在混凝土中摻加可熔的有機纖維、在混凝土外層設置阻火屏障以及在混凝土外層加設鋼筋網或覆蓋鋼板、鋼筋網片等方法來防止混凝土的爆裂飛散。但是，摻加鋼纖維時粗骨料的存在會使鋼纖維的“架橋”作用受到限制，而且長的鋼纖維對拌合物的工作度影響又十分顯著。
1993年，法國BOUYGUES公司的Richard和Cheyrezy仿效高致密水泥基均勻體系（densified system containing homogeneously arranged ultrafine particles，DSP），將其中的粗骨料剔除，換用最大粒徑為400~600μm的石英砂作為骨料，摻入適量短纖維和硅灰等活性礦物摻料，通過成型施壓、熱養護等工藝，制備出強度高、其他性能優異的水泥基復合材料，由于這種混凝土增加了組分的細度和反應活性，因此稱為RPC。該材料申報了專利，并在1994年美國混凝土學會舊金山春季會議上首次公開。1998年8月在加拿大魁北克省Sherbrooke大學召開了第一次有關RPC和HPC的國際研討會，與會專家就RPC的原理、性能和應用進行了廣泛深入的討論，一致認為：RPC作為一種新型材料，具有廣闊的應用前景。
RPC根據其抗壓強度分為RPC200和RPC800兩級。其中，RPC200的制備條件接近普通混凝土（normal concrete，NC），它在凝固期內不需加壓，采用熱養護，養護溫度為20~90℃；RPC800在凝固期內施加10~50MPa的壓力，并在250~400℃高溫下養護制得。凝固期內RPC200的抗壓強度可達170~230MPa，是HSC的3~12倍，RPC800的抗壓強度則高達500~800MPa。重要的是，RPC的抗折強度和斷裂能大大提高，抗折強度達50~60MPa，是HSC的10倍，摻入微細鋼纖維能顯著提高RPC的韌性和斷裂能，其斷裂能可達3×104J/m2，足可與金屬媲美，而普通混凝土的斷裂能僅為120J/m2，有效克服了HSC的高脆性。
表1 給出了RPC200和RPC800的典型配比。表2 比較了RPC和HSC的力學性能指標，表3 給出了一些材料的斷裂能，圖1 表示不同材料的斷裂能。
表1 RPC200和RPC800的典型配比（以重量計）
表2 RPC和HSC的力學性能指標
表3 不同材料的斷裂能
圖1 不同材料的斷裂能
RPC水膠比極低，良好的孔結構和孔隙率使其具有極低的滲透性、較高的抗環境介質侵蝕能力和良好的耐磨性能，從而使RPC具有優異的耐久性。表4是RPC、HPC與NC的耐久性比較。
表4 RPC、HPC和NC的耐久性對比
活性粉末混凝土(RPC)是20世紀90年代研發的一種具有超高強度和高韌性的新型水泥基復合材料。《活性粉末混凝土的制備與物理力學性能》系統總結作者團隊10年來在RPC研究方面取得的主要進展。全書共10章，包括RPC的制備原理及配比、RPC的靜力學性能、鋼纖維RPC的黏結機理、RPC的斷裂韌性及表征方法、RPC的尺寸效應、RPC的動態力學性能、RPC的熱物理性質、RPC的內部溫度場、蒸汽壓分布及爆裂、高溫下RPC內部溫度應力的數值計算及爆裂機理等方面的內容。
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