翟建恺 孙一天

(扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州225127)

0 引言

普通型钢混凝土结构一直是现代大跨度、高荷载建筑的主要结构形式，由于型钢刚度大，可以承受较高的载荷，常用于解决由于建筑物梁柱截面尺寸过大而影响内部布局和区位功能使用的问题。但是随着时代的发展，一方面建筑结构逐渐向超高、超大跨度等方向发展，型钢混凝土结构需要寻求新的发展以满足更高的承载力要求。另一方面这种结构显露出越来越多的问题，如容易产生裂缝，影响构件正常使用。还有当处于盐碱地区和冻融地区等恶劣环境下，都对型钢混凝土的力学性能和耐久性提出了更高的要求。

1993年，法国Bouygues实验室在高性能混凝土基础上根据线性堆积密度模型(Linear Packing Density Model，LPDM)和可压缩堆积模型(Compressive Packing Model，CPM)[1,2]研制出了活性粉末混凝土，一方面剔除了配制中的粗骨料颗粒，使其颗粒级配更加合理，优化了内部微观结构。另一方面加入了适量的钢纤维，在混凝土受压时起到桥接裂缝的作用。当出现较小裂缝时，高弹性模量的钢纤维与混凝土基体之间的黏结力具有一定的阻裂作用[3]。为了改善普通型钢混凝土的各方面性能，需要研究型钢活性粉末混凝土组合结构来满足现代社会的建筑需要。

1 RPC的各项性能

1.1 抗压性能

王志伟[4]在对RPC的基本力学性能进行研究时，得出了16组不同 配比FRP200制成100 mm×100 mm×100 mm的立方体在养护至试验龄期后测得的抗压强度值。其抗压强度达到130 MPa～160 MPa，一方面是由于内部组分密实，孔隙率小，另外一方面得利于钢纤维与水泥基体之间的粘结力。

1.2 抗拉性能

众所周知，对于普通混凝土来说，抗拉强度是其最大的短板，通常只有抗压强度的1/20～1/10，而RPC的抗拉强度可以达到20 MPa～50 MPa，远远超过普通混凝土，具有实用价值，可以非常方便地制作一些小型的受拉构件，不需要加入钢筋。

1.3 韧性

陈敬卫等[5]在研究RPC时通过实验得出了其弯曲韧性曲线，与钢材的曲线类似，具有很高的阻裂能力。试验中测出的RPC材料断裂韧性高达40 000 J/m2，是普通混凝土的250倍，这主要是因为钢纤维弹性模量在40 MPa～60 MPa，远大于水泥基体，当RPC构件受弯时，钢纤维首先承担了大部分拉力，有效地保护了构件整体稳定，提高了韧性。比强度很高[6]，非常适合用于老化大跨度建筑，比如桥梁等的加固和修补。

1.4 抗冻性

孙伟[7]在分析RPC耐久性时进行了RPC基体未掺入钢纤维和加入钢纤维的抗冻融对比实验，数据表明，FRP基体在未掺入钢纤维前就表现出很强的抗冻融性能，在连续冻融循环700次的条件下，其相对动弹模量仅仅下降不到2%，加入钢纤维之后，相对动弹模量始终保持不变。综合两次实验，得出RPC具有极强的抗冻性。

1.5 抗碳化

未翠霞和宋少民[8]很早就在研究大掺量粉煤灰活性粉末混凝土耐久性时，使用加速碳化的方法，进行了大掺量粉煤灰活性粉末混凝土与C80普通高强混凝土在养护后，放置于CO2浓度为60%，温度20 ℃，湿度70%的碳化箱中28 d后，二者碳化深度的对比实验。结果普通高强混凝土试样碳化深度均值为1.37 mm，而大掺量粉煤灰活性粉末混凝土碳化深度为0 mm，可见RPC混凝土具有极强的抗碳化能力。

1.6 抗腐蚀性

叶青等[9]对活性粉末混凝土耐久性研究中，进行了RPC和高强混凝土抗腐蚀性对比研究实验。结果表明，不管是在何种侵蚀介质中，何种侵蚀方式下，RPC的抗压强度抗侵蚀系数都大于高强混凝土，得出RPC具有强抗腐蚀性的结论。

1.7 抗渗透性

北京交通大学的安明喆、杨新红等[10]在2007年就在其对RPC耐久性的研究中通过NEL法测定了RPC和HPC的氯离子扩散系数，实验结果表明HPC氯离子扩散系数22.17×10-14m2/s，远低于RPC的154.44×10-14m2/s，对比之下，RPC具有很强的抗渗透能力。

2 现阶段工程应用

2.1 桥面板铺装

袁江林[11]进行相关桥面板铺装时提出了新型钢纤维RPC复合铺装的钢混连接形式。只在车道中央和RPC板横向边缘设置栓钉，其余部分均使用粘合剂进行连接。此应用中主要利用了RPC来提高顶板刚度，增强正交异性桥面板的抗疲劳性能。相信不久的将来，非常适合制作大跨度的RPC材料会在桥梁构造方面被越来越多地开发和利用。

2.2 机场飞机跑道

法国N.Roux等[12]对于C30,C80,RPC200进行了耐磨性实验，结果表明RPC的耐磨系数仅仅为1.3，远远超过普通混凝土，接近于玻璃的耐磨性。这使得RPC在日本东京国际机场D跑道扩建项目中得到应用，而且RPC轴心抗压强度可以轻松达到200 MPa，轻质高强，这是对于RPC耐磨性和超高强性能的综合工程应用。

2.3 提升框架节点抗震能力

框架结构由于节点较弱，地震时容易发生剪切破坏。正常施工时，节点处需要绑扎大量钢筋达到加固作用，耗材较大。RPC材料不仅高强，而且它所具有的高断裂能及韧性使结构构件可以吸收更多的地震能[13]，无疑是用于节点连接处最好的材料。对于抗震设计越来越重视的现代社会，RPC在抗震设计方面无疑会发挥越来越多的作用。

3 RPC在型钢混凝土结构中应用的探讨

型钢混凝土结构多采用组合框架的形式运用于建筑中，傅传国、熊学玉、郑文忠、王琨等[14-19]进行了各种截面形式型钢混凝土组合框架结构的研究与分析，结果表明，这种组合框架结构由于耗能能力较强且延性较好，具有良好的抗震性能。RPC作为一种新型混凝土材料，代替普通混凝土，与型钢组合的梁、柱构件方面的研究也越来越多。卜良桃[21，22]在进行外包RPC型钢梁抗弯性能试验和型钢外包RPC的界面黏结性能的实验研究中，成功推导出外包RPC型钢梁正截面开裂弯矩、抗弯承载能力和界面极限黏结力的计算公式。黎红兵等[23]则对型钢活性粉末混凝土柱轴压性能进行了实验研究和模拟分析，结果表明，型钢与活性粉末混凝土具有良好的协同工作能力，最终的破坏形态均以柱端部劈裂破坏为主。这些研究都表明RPC与型钢的结合应用是未来发展的趋势，这种新型组合结构的优点将会被越来越多地发掘。

4 型钢RPC组合结构的优点

1)高刚度、高承载力的型钢和高强、高韧性的RPC相结合，不仅使得新型结构拥有超强承载力，而且由于受拉区钢纤维可以协助型钢受拉，大大提高了组合结构的阻裂能力。

2)普通型钢混凝土在恶劣环境下耐久性会大大降低，而RPC具有高抗冻性、高抗渗透性和高耐腐蚀性的特点，取代普通混凝土与型钢相结合，能够最大限度地保护型钢，大幅提高构件的耐久性，减少不必要的加固修复费用。

3)RPC本身就具有超高强的性能和稳定性，如果在内部适配型钢，可以相结合制作高强抗震防灾的预制柱，在一些地震多发区域有广泛的应用前景。

5 结语

1)型钢活性粉末混凝土组合结构可以应用于装配式建筑中，一方面由于型钢本身刚度很高，方便支模，可以节约装配式构件浇筑成本，另外一方面由于RPC高强不易破损，十分有利于装配式构件的搭接设计。

2)型钢活性粉末混凝土组合结构可以与预应力技术结合，由于RPC内部致密，收缩变形小，可以大大减少预应力损失，将这种组合结构抵抗裂缝的能力发挥到极致。

3)充分发挥RPC高强性能需要高压高温的养护方式，然而型钢活性粉末混凝土组合结构在工地上很难达到这种最优养护条件，可以对此深入研究工地环境下这种组合结构的最优养护方式，既保证构件达到较高的预期强度，又经济合理。