活性粉末混凝土在工程領域中的應用研究狀況與其面臨的倫理問題

□楊 丹 易麗云 趙 應

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，簡稱RPC)。是一種超高性能混凝土，其強度可達200～900MPa，自問世以來，RPC以其高強度、高韌性、高密度性、高耐久性等優良性能聞名于世。大量國內外的學者就對其配合比、施工方式、受力性能、耐久性等方面進行了研究，并被廣泛應用于實際工程中。

一、活性粉末混凝土的研究狀況

20世紀90年代，Pierre Richard等發明了RPC，在成分配比中去掉了粗骨料，增加了細骨料，而后我國各大高校也對其配合比和力學性能進行了大量研究。其中清華大學、東南大學、哈爾濱工業大學等對其組分進行了大量研究，根據其流動性與抗壓強度、耐久性等性能選擇了最優配合比，從而得到其本構模型，為進一步研究創造了基礎。

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，其耐久性也體現了其相應的良好使用條件。北京交通大學的蘇建杰、王華[1～2]對其在硫酸鹽及海水凍融循環作用下的耐久性進行了分析，體現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，北京交通大學基于RPC鋼筋梁的數值分析和實驗研究也比較深入。張明波[3]等基于等效應力作用擬合出相關的正截面受彎承載力計算公式。丁波[4]研究了剪跨比、縱筋率、配箍率對鋼筋活性粉末混凝土梁的抗剪極限承載力的影響，通過靜載剪切試驗可以看出，當剪跨比增大時，試件的抗剪極限承載力隨著減小，但減小趨勢變弱；當縱筋率增大時，試件的抗剪極限承載力略有增加，但當剪跨比更大時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。與此同時在得到的試驗數據幾乎上，通過擬合得出了梁的抗剪承載力建議公式，為進一步的研究及生產指導提供依據。

在RPC抗疲勞性能方面，余自若、安明喆[5]等做了靜載試驗，研究了RPC靜力抗壓強度與諧振頻率間的關系，并通過試驗推演計算初始抗壓強度和定次數下的疲勞剩余強度。西安建筑科技大學的羅許國[6]等研究了活性粉末混凝土配筋梁的梁跨中撓度、受壓區邊緣應變以及鋼筋應變與加載次數的關系，通過疲勞性能試驗揭示了配筋RPC梁的疲勞損傷發展規律。姚志雄[7]則研究在RPC中摻加聚丙烯纖維后的對疲勞性能的影響，通過試驗可以看出，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RPC的抗疲勞性能得到很大改善，通過試驗可得出其疲勞壽命服從兩參數威布爾分布。

二、活性粉末混凝土的應用及前景

自古以來人們的生活就圍繞著“衣、食、住、行”展開的，而建筑材料的應用涉及到的就是“住”和“行”。傳統的鋼筋混凝土材料具有自重大，易產生裂縫等弊端，而具有超高強度、高韌性，收縮性小，不會因徐變而產生過大的損失的RPC彌補了傳統混凝土材料的短板，在保證結構整體剛度的同時能夠增大跨越能力，所以目前將RPC應用在橋梁、道路工程以及建筑結構中已有不少的工程實例。

(一)橋梁領域。橋梁結構在使用中跨大度，載重高，有些還要承受風荷載或波浪荷載，這就要求使用的材料具有高強、良好的耐久性。世界范圍內第一座使用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，當地最低溫度可達-40℃，采用RPC可提高此橋的抗凍性和耐久性，橋跨60m，橋寬4.2m，橋面板由寬3.3m，厚3cm的RPC制作，除了橋面板外，此橋桁架結構中的腹桿采用了鋼管RPC，下弦桿則采用了10m長的預制預應力RPC梁拼接而成，充分利用其高強的抗壓能力。我國首座采用RPC材料建成的橋梁為長江北辰三角洲橫四路跨街天橋，也是我國第一座超高性能混凝土橋，全橋主梁短線預制，長線拼裝，橋墩整體預制吊裝，全橋長74m，主跨36.8m，結構較普通混凝土梁減重約1/3，滿足受力要求的同時，能夠滿足城市橋梁建設的要求，同時可實現結構使用壽命期內的免維修[8]。

(二)道路領域。利用RPC制作的混凝土板，強度高 質量輕、抗侵蝕、耐老化、抗碳化以及抗凍性，耐久性能優良，在道路工程中深受歡迎。日本東京國際機場在機場的擴建工程中，對于22,000m2的飛機跑道的選材就選擇了6,900塊的抗壓強度為211MPa的雙向預應力RPC預制板，長度7.82m、寬3.53m、厚0.75m，并通過在板底增加了20根橫向加勁肋和2根縱向加勁肋增加整體剛度[9]。在我國將RPC用于道路工程中的研究始于北京交通大學，閆光杰[10]等研究了鐵路橋梁中空心無配筋RPC200人行道板的抗彎承載力，通過試驗研究探討其受力性能與破壞機理，并將成果應用于工程實踐中，比如已成功將RPC應用于青藏鐵路、哈大高鐵人行道板。

(三)建筑結構領域。利用RPC材料的優越性能及采用預制件現場拼裝的特點，在空間結構上可以增大屋頂的跨度，減小截面尺寸以增加空間感，并能改善并提高結構的耐久性，在施工進度管理上可加快施工速度，降低施工難度。因此在未來建筑結構領域RPC會有很大的發展空間。2013年法國總建筑面積達21,000m2新Jean Bouin體育場的外殼網狀結構就采用了厚度為3.5m的三角網狀預制RPC板，開洞的地方則安裝玻璃，為了保持該體育場的整體穩定性，其外殼采用雙重曲面形式。并通過試驗研究以保證其在穩定期內的正常使用[11]。

(四)核電站領域。由于RPC的組份中完全是細集料，導致其孔隙率很低，其抗滲性能和抗腐蝕性能相比于傳統混凝土具有很強的優越性，因此在建設核電站工程中是一種理想的材料。通過試驗研究已經證明RPC可以防止被介質腐蝕，也可以防止放射性物質泄漏。在應用方面，法國的一座核電站冷卻塔內中用于冷卻廢料的引導板的支撐桁架由于長期受到腐蝕而需對其進行改造，就采用了835根工字型截面的RPC梁替代原桁架結構。

三、未來RPC應用可能面臨的倫理問題

土木工程的建設是為了抵御自然力，伴隨著人類出生而發展起來的。同時自工程產生起，土木工程也與經濟、政治、社會等掛鉤，是科學技術與社會文化、經濟、政治的多元素的復合體。而且現今的建筑工程占社會總產值的1/10左右，是當今社會的支柱產業，因此其對不同階級不同立場的團體產生不同的影響，從而引發道德及倫理問題。

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RPC目前的研究還處于初級階段，它的養護方式及材料組成的復雜性，注定其只能是通過工廠預制的方式成型，然后通過現場拼裝施工，可以保證其整體的質量，避免現場施工人員施工技術處于不同的熟練程度而造成施工質量具有的離散性，同時也避免了施工現場施工過程中的以次充好，偷工減料等，避免了大的工程事故。這是對土木工程倫理產生的積極影響。

但RPC是一種新型材料，雖然目前對其配比已有了一定的研究，但它的組成成分復雜，需要活性材料及鋼纖維，為了獲得高強度和良好的耐久性，其養護方式為蒸壓養護或者是熱養護，導致其造價高。土木建筑施工的業主方希望投資少而質量好，施工方則希望成本低，利潤高。鑒于現在RPC的使用還沒有相應的規范作為參考，則對于作為工程的設計者和規劃者的土木工程師而言，則應考慮利于土木工程共同體的生存發展，比如李冰設計的都江堰，為當地的兩岸人民造福了兩千多年，其次再考慮土木工程以外的自然、國家政權、經濟或者文化以及或它們關聯的人類的發展，最后才是考慮自己的經濟利益。