活性粉末混凝土在工程领域中的应用研究状况与其面临的伦理问题

□杨 丹 易丽云 赵 应

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC)。是一种超高性能混凝土，其强度可达200～900MPa，自问世以来，RPC以其高强度、高韧性、高密度性、高耐久性等优良性能闻名于世。大量国内外的学者就对其配合比、施工方式、受力性能、耐久性等方面进行了研究，并被广泛应用于实际工程中。

一、活性粉末混凝土的研究状况

20世纪90年代，Pierre Richard等发明了RPC，在成分配比中去掉了粗骨料，增加了细骨料，而后我国各大高校也对其配合比和力学性能进行了大量研究。其中清华大学、东南大学、哈尔滨工业大学等对其组分进行了大量研究，根据其流动性与抗压强度、耐久性等性能选择了最优配合比，从而得到其本构模型，为进一步研究创造了基础。

表1 活性粉末混凝土配合比(重量比)

RPC不仅具有良好的抗压性能，其耐久性也体现了其相应的良好使用条件。北京交通大学的苏建杰、王华[1～2]对其在硫酸盐及海水冻融循环作用下的耐久性进行了分析，体现其良好的抗侵蚀性及抗冻性。

除了在耐久性和抗冻性上的研究，北京交通大学基于RPC钢筋梁的数值分析和实验研究也比较深入。张明波[3]等基于等效应力作用拟合出相关的正截面受弯承载力计算公式。丁波[4]研究了剪跨比、纵筋率、配箍率对钢筋活性粉末混凝土梁的抗剪极限承载力的影响，通过静载剪切试验可以看出，当剪跨比增大时，试件的抗剪极限承载力随着减小，但减小趋势变弱；当纵筋率增大时，试件的抗剪极限承载力略有增加，但当剪跨比更大时试件的抗剪极限承载力增加程度就大大减小了；随着配箍率增加，试件抗剪极限承载力也显著增加。与此同时在得到的试验数据几乎上，通过拟合得出了梁的抗剪承载力建议公式，为进一步的研究及生产指导提供依据。

在RPC抗疲劳性能方面，余自若、安明喆[5]等做了静载试验，研究了RPC静力抗压强度与谐振频率间的关系，并通过试验推演计算初始抗压强度和定次数下的疲劳剩余强度。西安建筑科技大学的罗许国[6]等研究了活性粉末混凝土配筋梁的梁跨中挠度、受压区边缘应变以及钢筋应变与加载次数的关系，通过疲劳性能试验揭示了配筋RPC梁的疲劳损伤发展规律。姚志雄[7]则研究在RPC中掺加聚丙烯纤维后的对疲劳性能的影响，通过试验可以看出，掺聚丙烯纤维后的RPC的疲劳寿命为普通RPC的2.61倍，聚丙烯纤维对RPC的抗疲劳性能得到很大改善，通过试验可得出其疲劳寿命服从两参数威布尔分布。

二、活性粉末混凝土的应用及前景

自古以来人们的生活就围绕着“衣、食、住、行”展开的，而建筑材料的应用涉及到的就是“住”和“行”。传统的钢筋混凝土材料具有自重大，易产生裂缝等弊端，而具有超高强度、高韧性，收缩性小，不会因徐变而产生过大的损失的RPC弥补了传统混凝土材料的短板，在保证结构整体刚度的同时能够增大跨越能力，所以目前将RPC应用在桥梁、道路工程以及建筑结构中已有不少的工程实例。

(一)桥梁领域。桥梁结构在使用中跨大度，载重高，有些还要承受风荷载或波浪荷载，这就要求使用的材料具有高强、良好的耐久性。世界范围内第一座使用RPC材料的大桥是位于加拿大魁北克省谢布克市的一座人行桥，当地最低温度可达-40℃，采用RPC可提高此桥的抗冻性和耐久性，桥跨60m，桥宽4.2m，桥面板由宽3.3m，厚3cm的RPC制作，除了桥面板外，此桥桁架结构中的腹杆采用了钢管RPC，下弦杆则采用了10m长的预制预应力RPC梁拼接而成，充分利用其高强的抗压能力。我国首座采用RPC材料建成的桥梁为长江北辰三角洲横四路跨街天桥，也是我国第一座超高性能混凝土桥，全桥主梁短线预制，长线拼装，桥墩整体预制吊装，全桥长74m，主跨36.8m，结构较普通混凝土梁减重约1/3，满足受力要求的同时，能够满足城市桥梁建设的要求，同时可实现结构使用寿命期内的免维修[8]。

(二)道路领域。利用RPC制作的混凝土板，强度高 质量轻、抗侵蚀、耐老化、抗碳化以及抗冻性，耐久性能优良，在道路工程中深受欢迎。日本东京国际机场在机场的扩建工程中，对于22,000m2的飞机跑道的选材就选择了6,900块的抗压强度为211MPa的双向预应力RPC预制板，长度7.82m、宽3.53m、厚0.75m，并通过在板底增加了20根横向加劲肋和2根纵向加劲肋增加整体刚度[9]。在我国将RPC用于道路工程中的研究始于北京交通大学，闫光杰[10]等研究了铁路桥梁中空心无配筋RPC200人行道板的抗弯承载力，通过试验研究探讨其受力性能与破坏机理，并将成果应用于工程实践中，比如已成功将RPC应用于青藏铁路、哈大高铁人行道板。

(三)建筑结构领域。利用RPC材料的优越性能及采用预制件现场拼装的特点，在空间结构上可以增大屋顶的跨度，减小截面尺寸以增加空间感，并能改善并提高结构的耐久性，在施工进度管理上可加快施工速度，降低施工难度。因此在未来建筑结构领域RPC会有很大的发展空间。2013年法国总建筑面积达21,000m2新Jean Bouin体育场的外壳网状结构就采用了厚度为3.5m的三角网状预制RPC板，开洞的地方则安装玻璃，为了保持该体育场的整体稳定性，其外壳采用双重曲面形式。并通过试验研究以保证其在稳定期内的正常使用[11]。

(四)核电站领域。由于RPC的组份中完全是细集料，导致其孔隙率很低，其抗渗性能和抗腐蚀性能相比于传统混凝土具有很强的优越性，因此在建设核电站工程中是一种理想的材料。通过试验研究已经证明RPC可以防止被介质腐蚀，也可以防止放射性物质泄漏。在应用方面，法国的一座核电站冷却塔内中用于冷却废料的引导板的支撑桁架由于长期受到腐蚀而需对其进行改造，就采用了835根工字型截面的RPC梁替代原桁架结构。

三、未来RPC应用可能面临的伦理问题

土木工程的建设是为了抵御自然力，伴随着人类出生而发展起来的。同时自工程产生起，土木工程也与经济、政治、社会等挂钩，是科学技术与社会文化、经济、政治的多元素的复合体。而且现今的建筑工程占社会总产值的1/10左右，是当今社会的支柱产业，因此其对不同阶级不同立场的团体产生不同的影响，从而引发道德及伦理问题。

使用RPC建成的建筑，承载力大，跨大度，外表美观，耐久性好，耐疲劳性好，抗冲击力大，在恶劣的气候条件下可以有很长的使用年限，改善了人们的“住”和“行”，满足人们的基本生活需求。同时RPC目前的研究还处于初级阶段，它的养护方式及材料组成的复杂性，注定其只能是通过工厂预制的方式成型，然后通过现场拼装施工，可以保证其整体的质量，避免现场施工人员施工技术处于不同的熟练程度而造成施工质量具有的离散性，同时也避免了施工现场施工过程中的以次充好，偷工减料等，避免了大的工程事故。这是对土木工程伦理产生的积极影响。

但RPC是一种新型材料，虽然目前对其配比已有了一定的研究，但它的组成成分复杂，需要活性材料及钢纤维，为了获得高强度和良好的耐久性，其养护方式为蒸压养护或者是热养护，导致其造价高。土木建筑施工的业主方希望投资少而质量好，施工方则希望成本低，利润高。鉴于现在RPC的使用还没有相应的规范作为参考，则对于作为工程的设计者和规划者的土木工程师而言，则应考虑利于土木工程共同体的生存发展，比如李冰设计的都江堰，为当地的两岸人民造福了两千多年，其次再考虑土木工程以外的自然、国家政权、经济或者文化以及或它们关联的人类的发展，最后才是考虑自己的经济利益。