活性粉末混凝土在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用研究狀況與其面臨的倫理問(wèn)題

□楊 丹 易麗云 趙 應(yīng)

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，簡(jiǎn)稱RPC)。是一種超高性能混凝土，其強(qiáng)度可達(dá)200～900MPa，自問(wèn)世以來(lái)，RPC以其高強(qiáng)度、高韌性、高密度性、高耐久性等優(yōu)良性能聞名于世。大量國(guó)內(nèi)外的學(xué)者就對(duì)其配合比、施工方式、受力性能、耐久性等方面進(jìn)行了研究，并被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中。

一、活性粉末混凝土的研究狀況

20世紀(jì)90年代，Pierre Richard等發(fā)明了RPC，在成分配比中去掉了粗骨料，增加了細(xì)骨料，而后我國(guó)各大高校也對(duì)其配合比和力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究。其中清華大學(xué)、東南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等對(duì)其組分進(jìn)行了大量研究，根據(jù)其流動(dòng)性與抗壓強(qiáng)度、耐久性等性能選擇了最優(yōu)配合比，從而得到其本構(gòu)模型，為進(jìn)一步研究創(chuàng)造了基礎(chǔ)。

表1 活性粉末混凝土配合比(重量比)

RPC不僅具有良好的抗壓性能，其耐久性也體現(xiàn)了其相應(yīng)的良好使用條件。北京交通大學(xué)的蘇建杰、王華[1～2]對(duì)其在硫酸鹽及海水凍融循環(huán)作用下的耐久性進(jìn)行了分析，體現(xiàn)其良好的抗侵蝕性及抗凍性。

除了在耐久性和抗凍性上的研究，北京交通大學(xué)基于RPC鋼筋梁的數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)研究也比較深入。張明波[3]等基于等效應(yīng)力作用擬合出相關(guān)的正截面受彎承載力計(jì)算公式。丁波[4]研究了剪跨比、縱筋率、配箍率對(duì)鋼筋活性粉末混凝土梁的抗剪極限承載力的影響，通過(guò)靜載剪切試驗(yàn)可以看出，當(dāng)剪跨比增大時(shí)，試件的抗剪極限承載力隨著減小，但減小趨勢(shì)變?nèi)?；?dāng)縱筋率增大時(shí)，試件的抗剪極限承載力略有增加，但當(dāng)剪跨比更大時(shí)試件的抗剪極限承載力增加程度就大大減小了；隨著配箍率增加，試件抗剪極限承載力也顯著增加。與此同時(shí)在得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)幾乎上，通過(guò)擬合得出了梁的抗剪承載力建議公式，為進(jìn)一步的研究及生產(chǎn)指導(dǎo)提供依據(jù)。

在RPC抗疲勞性能方面，余自若、安明喆[5]等做了靜載試驗(yàn)，研究了RPC靜力抗壓強(qiáng)度與諧振頻率間的關(guān)系，并通過(guò)試驗(yàn)推演計(jì)算初始抗壓強(qiáng)度和定次數(shù)下的疲勞剩余強(qiáng)度。西安建筑科技大學(xué)的羅許國(guó)[6]等研究了活性粉末混凝土配筋梁的梁跨中撓度、受壓區(qū)邊緣應(yīng)變以及鋼筋應(yīng)變與加載次數(shù)的關(guān)系，通過(guò)疲勞性能試驗(yàn)揭示了配筋RPC梁的疲勞損傷發(fā)展規(guī)律。姚志雄[7]則研究在RPC中摻加聚丙烯纖維后的對(duì)疲勞性能的影響，通過(guò)試驗(yàn)可以看出，摻聚丙烯纖維后的RPC的疲勞壽命為普通RPC的2.61倍，聚丙烯纖維對(duì)RPC的抗疲勞性能得到很大改善，通過(guò)試驗(yàn)可得出其疲勞壽命服從兩參數(shù)威布爾分布。

二、活性粉末混凝土的應(yīng)用及前景

自古以來(lái)人們的生活就圍繞著“衣、食、住、行”展開(kāi)的，而建筑材料的應(yīng)用涉及到的就是“住”和“行”。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土材料具有自重大，易產(chǎn)生裂縫等弊端，而具有超高強(qiáng)度、高韌性，收縮性小，不會(huì)因徐變而產(chǎn)生過(guò)大的損失的RPC彌補(bǔ)了傳統(tǒng)混凝土材料的短板，在保證結(jié)構(gòu)整體剛度的同時(shí)能夠增大跨越能力，所以目前將RPC應(yīng)用在橋梁、道路工程以及建筑結(jié)構(gòu)中已有不少的工程實(shí)例。

(一)橋梁領(lǐng)域。橋梁結(jié)構(gòu)在使用中跨大度，載重高，有些還要承受風(fēng)荷載或波浪荷載，這就要求使用的材料具有高強(qiáng)、良好的耐久性。世界范圍內(nèi)第一座使用RPC材料的大橋是位于加拿大魁北克省謝布克市的一座人行橋，當(dāng)?shù)刈畹蜏囟瓤蛇_(dá)-40℃，采用RPC可提高此橋的抗凍性和耐久性，橋跨60m，橋?qū)?.2m，橋面板由寬3.3m，厚3cm的RPC制作，除了橋面板外，此橋桁架結(jié)構(gòu)中的腹桿采用了鋼管RPC，下弦桿則采用了10m長(zhǎng)的預(yù)制預(yù)應(yīng)力RPC梁拼接而成，充分利用其高強(qiáng)的抗壓能力。我國(guó)首座采用RPC材料建成的橋梁為長(zhǎng)江北辰三角洲橫四路跨街天橋，也是我國(guó)第一座超高性能混凝土橋，全橋主梁短線預(yù)制，長(zhǎng)線拼裝，橋墩整體預(yù)制吊裝，全橋長(zhǎng)74m，主跨36.8m，結(jié)構(gòu)較普通混凝土梁減重約1/3，滿足受力要求的同時(shí)，能夠滿足城市橋梁建設(shè)的要求，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)使用壽命期內(nèi)的免維修[8]。

(二)道路領(lǐng)域。利用RPC制作的混凝土板，強(qiáng)度高 質(zhì)量輕、抗侵蝕、耐老化、抗碳化以及抗凍性，耐久性能優(yōu)良，在道路工程中深受歡迎。日本東京國(guó)際機(jī)場(chǎng)在機(jī)場(chǎng)的擴(kuò)建工程中，對(duì)于22,000m2的飛機(jī)跑道的選材就選擇了6,900塊的抗壓強(qiáng)度為211MPa的雙向預(yù)應(yīng)力RPC預(yù)制板，長(zhǎng)度7.82m、寬3.53m、厚0.75m，并通過(guò)在板底增加了20根橫向加勁肋和2根縱向加勁肋增加整體剛度[9]。在我國(guó)將RPC用于道路工程中的研究始于北京交通大學(xué)，閆光杰[10]等研究了鐵路橋梁中空心無(wú)配筋RPC200人行道板的抗彎承載力，通過(guò)試驗(yàn)研究探討其受力性能與破壞機(jī)理，并將成果應(yīng)用于工程實(shí)踐中，比如已成功將RPC應(yīng)用于青藏鐵路、哈大高鐵人行道板。

(三)建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。利用RPC材料的優(yōu)越性能及采用預(yù)制件現(xiàn)場(chǎng)拼裝的特點(diǎn)，在空間結(jié)構(gòu)上可以增大屋頂?shù)目缍龋瑴p小截面尺寸以增加空間感，并能改善并提高結(jié)構(gòu)的耐久性，在施工進(jìn)度管理上可加快施工速度，降低施工難度。因此在未來(lái)建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域RPC會(huì)有很大的發(fā)展空間。2013年法國(guó)總建筑面積達(dá)21,000m2新Jean Bouin體育場(chǎng)的外殼網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)就采用了厚度為3.5m的三角網(wǎng)狀預(yù)制RPC板，開(kāi)洞的地方則安裝玻璃，為了保持該體育場(chǎng)的整體穩(wěn)定性，其外殼采用雙重曲面形式。并通過(guò)試驗(yàn)研究以保證其在穩(wěn)定期內(nèi)的正常使用[11]。

(四)核電站領(lǐng)域。由于RPC的組份中完全是細(xì)集料，導(dǎo)致其孔隙率很低，其抗?jié)B性能和抗腐蝕性能相比于傳統(tǒng)混凝土具有很強(qiáng)的優(yōu)越性，因此在建設(shè)核電站工程中是一種理想的材料。通過(guò)試驗(yàn)研究已經(jīng)證明RPC可以防止被介質(zhì)腐蝕，也可以防止放射性物質(zhì)泄漏。在應(yīng)用方面，法國(guó)的一座核電站冷卻塔內(nèi)中用于冷卻廢料的引導(dǎo)板的支撐桁架由于長(zhǎng)期受到腐蝕而需對(duì)其進(jìn)行改造，就采用了835根工字型截面的RPC梁替代原桁架結(jié)構(gòu)。

三、未來(lái)RPC應(yīng)用可能面臨的倫理問(wèn)題

土木工程的建設(shè)是為了抵御自然力，伴隨著人類出生而發(fā)展起來(lái)的。同時(shí)自工程產(chǎn)生起，土木工程也與經(jīng)濟(jì)、政治、社會(huì)等掛鉤，是科學(xué)技術(shù)與社會(huì)文化、經(jīng)濟(jì)、政治的多元素的復(fù)合體。而且現(xiàn)今的建筑工程占社會(huì)總產(chǎn)值的1/10左右，是當(dāng)今社會(huì)的支柱產(chǎn)業(yè)，因此其對(duì)不同階級(jí)不同立場(chǎng)的團(tuán)體產(chǎn)生不同的影響，從而引發(fā)道德及倫理問(wèn)題。

使用RPC建成的建筑，承載力大，跨大度，外表美觀，耐久性好，耐疲勞性好，抗沖擊力大，在惡劣的氣候條件下可以有很長(zhǎng)的使用年限，改善了人們的“住”和“行”，滿足人們的基本生活需求。同時(shí)RPC目前的研究還處于初級(jí)階段，它的養(yǎng)護(hù)方式及材料組成的復(fù)雜性，注定其只能是通過(guò)工廠預(yù)制的方式成型，然后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)拼裝施工，可以保證其整體的質(zhì)量，避免現(xiàn)場(chǎng)施工人員施工技術(shù)處于不同的熟練程度而造成施工質(zhì)量具有的離散性，同時(shí)也避免了施工現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中的以次充好，偷工減料等，避免了大的工程事故。這是對(duì)土木工程倫理產(chǎn)生的積極影響。

但RPC是一種新型材料，雖然目前對(duì)其配比已有了一定的研究，但它的組成成分復(fù)雜，需要活性材料及鋼纖維，為了獲得高強(qiáng)度和良好的耐久性，其養(yǎng)護(hù)方式為蒸壓養(yǎng)護(hù)或者是熱養(yǎng)護(hù)，導(dǎo)致其造價(jià)高。土木建筑施工的業(yè)主方希望投資少而質(zhì)量好，施工方則希望成本低，利潤(rùn)高。鑒于現(xiàn)在RPC的使用還沒(méi)有相應(yīng)的規(guī)范作為參考，則對(duì)于作為工程的設(shè)計(jì)者和規(guī)劃者的土木工程師而言，則應(yīng)考慮利于土木工程共同體的生存發(fā)展，比如李冰設(shè)計(jì)的都江堰，為當(dāng)?shù)氐膬砂度嗣裨旄Ａ藘汕Ф嗄辏浯卧倏紤]土木工程以外的自然、國(guó)家政權(quán)、經(jīng)濟(jì)或者文化以及或它們關(guān)聯(lián)的人類的發(fā)展，最后才是考慮自己的經(jīng)濟(jì)利益。