迎接混凝土材料技術變革

劉俊卿

初冬的北京延慶，氣溫驟降，在興延高速建設現場，卻是一幅熱火朝天的忙碌景象。在2022年冬奧會重大交通保障項目，一系列創(chuàng)新科技成果將被應用于這條高速公路。

在施工現場記者看到，一塊塊淺黑色的“方磚”被工人們鋪設在高速公路的隧道兩側。這些看似平淡無奇的“方磚”，卻堪稱混凝土材料領域的“黑科技”。

這些黑色“方磚”的研發(fā)、生產企業(yè)——北京惠誠基業(yè)工程技術有限責任公司（下稱“惠誠基業(yè)”）總經理周之琪向《財經國家周刊》記者介紹，這是由高性能活性粉末混凝土制成的電纜槽專用蓋板，抗壓強度可以達到普通混凝土的4倍以上，重量和體積卻只有不到二分之一。

除了高速公路領域，早在2009年，由活性粉末混凝土制作的蓋板就已經開始普遍應用于全國高鐵路基橋梁，實現了對傳統(tǒng)混凝土蓋板的部分替代，并已經開始向公路、鐵路聲屏障和其他附屬設施等多個領域延伸。

新材料應用突破口

近年來，隨著我國對新材料領域的重視和投入不斷加大，一大批新材料已經開展應用，具有超高性能的活性粉末混凝土就是典型案例。

活性粉末混凝土最早問世于20世紀90年代。2000年前后，惠誠基業(yè)和原鐵道部相關研究機構開始在國內嘗試研發(fā)，并率先在鐵路客運專線路基橋梁電纜槽蓋板制造方面實現大規(guī)模應用。

2007年，襄渝鐵路二線建成通車，全線橋梁均采用新型蓋板。這一項目成為活性粉末混凝土在國內外鐵路領域的第一次規(guī)?；瘜嶋H應用，開創(chuàng)了活性粉末混凝土在鐵路應用的先例。

4倍

高性能活性粉末混凝土的抗壓強度可以達到普通混凝土的4倍以上。

北京交通大學教授安明喆對《財經國家周刊》記者表示，活性粉末混凝土所具備的高強度、高耐久性和纖巧輕薄的特點，能夠增加使用壽命，大幅度降低鐵路電纜槽蓋板的運輸安裝成本以及運營維護成本，同時提高運營安全系數。

2009年3月4日，原鐵道部建設司下發(fā)規(guī)定，我國所有新建鐵路客運專線路基橋梁蓋板應全部采用活性粉末混凝土材料。2017年，中國鐵路總公司發(fā)布200公里以下時速客貨混跑鐵路橋梁通用圖集，使該技術的應用范圍擴展到我國全部鐵路線路橋梁。

惠誠基業(yè)提供的數據顯示，截至目前，采用活性粉末混凝土制造的鐵路電纜槽蓋板已經覆蓋線路總里程超過2萬公里，總面積超過3000萬平方米，折合混凝土方量75萬立方米，積累了相當豐富的工程經驗。

活性粉末混凝土在應用于鐵路路基橋梁蓋板的同時，其質量小、強度高等特點被廣泛熟知，一些新的應用途徑已經開展嘗試。據周之琪介紹，由于部分鐵路線路、高速公路靠近居民區(qū)、風景區(qū)和野生動物保護區(qū)，噪音治理需求十分緊迫，傳統(tǒng)混凝土聲屏障質量大、強度低，亟待更新替代。

2015年，經西南交通大學牽頭聯合惠誠基業(yè)組織的課題研究發(fā)現，如采用活性粉末混凝土材料制作聲屏障主體結構與微孔陶瓷結合，能夠實現良好消聲、吸聲功能并具有良好的構件強度與耐久性。通過近三年的努力，2017年2月，這種以活性粉末混凝土為骨架材料的新型聲屏障技術已基本成熟，在大西客專、成綿樂客專、滬昆客專（貴州段）等高鐵干線上完成試驗性應用，并開始向高速公路領域進行應用延伸。

“黑科技”的新難題

活性粉末混凝土在鐵路、公路領域取得上述一系列應用突破的同時，業(yè)內也有一些聲音認為它“大材小用”?；钚苑勰┗炷猎诜▏谎邪l(fā)出來后，最早應用于安全要求極高的核電領域。

2018年9月5日，北京興延高速公路主體工程完工，惠誠基業(yè)研發(fā)生產的高性能活性粉末混凝土電纜槽專用蓋板被應用于這條高速公路。

一個更加直觀強烈的對比是，雖然同稱為“混凝土”，一般工業(yè)與民用建筑所采用混凝土的強度約30～50兆帕、高層建筑所用混凝土強度約50～60兆帕，但應用于鐵路的活性粉末混凝土已經達到120兆帕。

當前惠誠基業(yè)所承擔研究開發(fā)的國內軍用級活性粉末混凝土的抗壓強度已超過200兆帕，并有望進一步提升至接近鋼材的強度。

除此之外，活性粉末混凝土還是一種具有節(jié)能環(huán)保效應的新材料。北京新時代華信公司總經理陳欣對《財經國家周刊》介紹，活性粉末混凝土大范圍應用的另一層重要意義在于能夠大量減少鋼材和水泥用量，進而減少能源消耗、降低二氧化碳排放。

超高強度的性能加之環(huán)保的屬性，使得活性粉末混凝土在鐵路、公路、工業(yè)與民用建筑、城市軌道交通、市政工程、國防工程等眾多領域具有廣闊應用前景，理應發(fā)揮核心作用，然而現實卻不容樂觀。究其原因，活性粉末混凝土作為新型材料，在許多應用領域還缺乏對應的設計理論，對其性能的檢測評價只是參照普通混凝土的有關標準進行。

清華大學土木水利學院教授閻培渝對《財經國家周刊》記者表示，活性粉末混凝土大規(guī)模投入工程使用，需要有更加完備的技術標準體系對其進行質量、施工、驗收方面的控制與監(jiān)督。結構設計標準缺失、結構性能實驗滯后已經成為其在更大范圍內應用的重要制約因素。

期待應用“破冰”

“從2007年超高性能混凝土開始在高鐵的首次規(guī)?；瘧?，到2017年我國鐵路建設工程領域全面應用，是廣大鐵路科研人員和工程技術人員持續(xù)研究開發(fā)、不斷取得突破并最終形成標準后的結果，未來更大范圍應用，依然需要強化基礎研究、獲取關鍵數據、完善設計標準”。周之琪說。

為了推動活性粉末混凝土應用范圍的拓展，2015年起，惠誠基業(yè)與我國軍方科研機構合作，在國內外首次完成了活性粉末混凝土應用于軍工領域的相關檢測與實驗，積累了全部科研數據，為在國防戰(zhàn)備工程領域的應用作準備。

在閻培渝看來，作為具有高強度、高韌性和高耐久性的活性粉末混凝土，最大的用武之地應該是橋梁、風電塔柱等需要很好抗彎能力的結構。但是這些結構物都要求上百年的安全使用壽命，對材料的物理力學性能要求很高。如果應用活性粉末混凝土還需要做大量的構件實驗，而這些實驗需要投入大量的資金和時間。

他認為，國家主管部門應該通過重大專項等手段，加大對活性粉末混凝土結構應用實驗的支持力度，支持高校、科研機構開展長周期研究，以透徹把握高性能材料的應用規(guī)律與特點。

發(fā)展新型混凝土材料技術，既可促進我國戰(zhàn)略性新興產業(yè)的形成與發(fā)展，又能夠帶動傳統(tǒng)產業(yè)和支柱產業(yè)的技術提升和產品的更新換代。周之琪表示，主管部門和業(yè)內企業(yè)應以戰(zhàn)略眼光看待推動活性粉末混凝土等新材料工程化應用的重大意義，盡快完善相關設計標準，為產業(yè)今后的發(fā)展提速創(chuàng)造條件。