超高性能混凝土替代鋼筋、花崗巖，提升透水磚性能

　　“混凝土”上也可以種植?科技的創(chuàng)新正在將不可能變成可能：制作成透水混凝土，成為海綿城市建設(shè)中可滲透地面的主要材料;做成植被型生態(tài)混凝土，允許城市建設(shè)者們?cè)谏厦娣N花種草，將城市還給大自然，環(huán)保和綠色建設(shè)將成為常態(tài)……這些新應(yīng)用場(chǎng)景正是超高性能混凝土(簡(jiǎn)稱為UHPC)被用于城市建設(shè)中，不斷出現(xiàn)在日常生活當(dāng)中。如今，尋找城市建設(shè)與生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展之路，為不可再生資源尋求替代品，這一課題擺在材料專家們的面前。而諸多解決方案當(dāng)中，超高性能混凝土已經(jīng)“沖”在最前頭，被廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑物、馬路、城市家具、雨水井蓋、水箅等領(lǐng)域。

　　預(yù)測(cè)使用壽命至少100年

　　人們印象中的混凝土是一種硬邦邦的建筑材料，但如今新型的超高性能混凝土(UHPC)除了承擔(dān)延長(zhǎng)建筑壽命的重任外，它還能種植，混凝土也變得更有生命力。其實(shí)，由于分子結(jié)構(gòu)不同，材料會(huì)表現(xiàn)出不同的特性。最為明顯的就是碳元素，同為碳元素的鉆石和碳是完全不同的兩種產(chǎn)品，硬度也完全不同。同樣可以理解，UHPC除了替代花崗巖，也可以做成透水磚，讓城市建設(shè)者在上面種花種草。

　　在1994年，UHPC首次出現(xiàn)并給予準(zhǔn)確定義。由于性能卓越，自問世以來(lái)，便迅速成為研發(fā)主題，并逐步實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。而從2000年開始，在礦物粘料和強(qiáng)塑劑的應(yīng)用上所取得的進(jìn)步，使UHPC的制造和成本便逐年降低，率先在橋梁建設(shè)上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。據(jù)了解，截至2016年3月，全球便已經(jīng)建成88座UHPC橋。發(fā)展至今，僅在中國(guó)，約有32座橋梁采用UHPC材料。

　　作為一種全新的材料，由于強(qiáng)度極高，在承受相同荷載的前提下，UHPC可以有效減小截面，降低自重。在承擔(dān)同樣的載荷方面，UHPC結(jié)構(gòu)的重量?jī)H為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的1/3，幾乎與鋼結(jié)構(gòu)相近。相比于抗壓強(qiáng)度是15-55MPa的普通混凝土，UHPC的“門檻”是抗壓強(qiáng)度必須高于150MPa。這個(gè)抗壓強(qiáng)度只是UHPC的起點(diǎn)，目前國(guó)際上的UHPC材料抗壓強(qiáng)度可達(dá)到約230MPa。

　　UHPC除了能抗壓外，還能抗折，其抗折強(qiáng)度最高為60MPa。UHPC斷裂能為20000-40000J/㎡，這一數(shù)值比鑄鐵還高。在決定耐久性的“磨損系數(shù)”上，UHPC僅1.3，為普通混凝土的三分之一。國(guó)外根據(jù)理論分析、暴露試驗(yàn)以及實(shí)際工程檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)UHPC結(jié)構(gòu)壽命進(jìn)行測(cè)試，預(yù)測(cè)其在腐蝕環(huán)境中(如海洋環(huán)境)可超過200年以上;在非腐蝕環(huán)境(如城市建筑)可達(dá)1000年。而相對(duì)保守的日本指南則認(rèn)為，在正常環(huán)境下，UHPC結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作壽命為100年。

　　廣州造UHPC性能超國(guó)際同類產(chǎn)品

　　中國(guó)是在上世紀(jì)90年代末引入U(xiǎn)HPC，并持續(xù)不斷地開展相關(guān)研究工作并加以應(yīng)用。在廣州，對(duì)新材料的應(yīng)用和推廣更具包容性與積極性。廣州華穗威預(yù)制件有限公司副總工程師、博士后林東告訴記者，2016年華隧威科研小組啟動(dòng)UHPC材料的基礎(chǔ)研究工作。在短短兩年里，廣州便形成擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的UHPC，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

　　林東博士介紹，“我們目前量產(chǎn)UHPC材料抗壓強(qiáng)度最高達(dá)到255MPa，是普通混凝土的8~10倍;抗折強(qiáng)度最高可達(dá)到41MPa，是普通混凝土的10~12倍;電通量?jī)H為4.2庫(kù)侖，耐久性能比普通混凝土高3個(gè)數(shù)量級(jí)——相關(guān)性能達(dá)到甚至超過了國(guó)際同類產(chǎn)品。”

　　據(jù)了解，目前UHPC制造和生產(chǎn)的過程中，各國(guó)存在一定的差異。主要分成兩種，一種是以UHPC為主要材料，需要在生產(chǎn)線上進(jìn)行“預(yù)制”。另外一種，將UHPC作為粉末，現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)只需添加規(guī)定量的水?dāng)嚢杈鶆蚣纯墒┕ぃm然抗壓強(qiáng)度要比“預(yù)制件”稍低，但勝在更靈活、便捷、簡(jiǎn)單，性能也較普通水泥為佳。

　　在廣州華穗威預(yù)制件有限公司位于番禺的生產(chǎn)基地，記者見到，相同承載力制成的梁截面對(duì)比實(shí)物， UHPC材料所制成的構(gòu)件截面尺寸接近于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，明顯小于預(yù)應(yīng)力砼和普通砼——能節(jié)省構(gòu)件占據(jù)的空間。

　　改變“重地上，輕地下”的局面

　　林東博士告訴全媒體記者，由UHPC制成的地鐵疏散平臺(tái)，已經(jīng)在廣州地鐵十四號(hào)線知識(shí)城支線推廣應(yīng)用。地鐵疏散平臺(tái)并非“站臺(tái)”，而是一種類似于“棧道”的步行通道，鋪建在地鐵通行的隧道中。絕大多數(shù)市民沒有見過地鐵疏散平臺(tái)，但作為一種應(yīng)急設(shè)備，必須得有。當(dāng)?shù)罔F發(fā)生臨時(shí)停車，需要疏散乘客;當(dāng)?shù)罔F停運(yùn)，工作人員需要對(duì)軌道進(jìn)行維護(hù)，這一平臺(tái)就可以派上用場(chǎng)。

　　以往，地鐵疏散平臺(tái)主要以鋼為主要材料，容易生銹、變形。一旦地鐵疏散平臺(tái)需要維護(hù)，那將是一項(xiàng)大工程。使用UHPC則沒有這些困擾，抗壓強(qiáng)度高，使用壽命長(zhǎng)，建成之后基本是免維護(hù)。全媒體記者現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了體驗(yàn)，由UHPC制作成的地鐵疏散平臺(tái)，地板很薄，目測(cè)只有普通水泥的三分之一。而人站在上面，感受到的安穩(wěn)和厚重，要優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)。人在上面行走，也不會(huì)產(chǎn)生任何噪音。

　　據(jù)了解，地鐵疏散平臺(tái)只是UHPC應(yīng)用的“牛刀小試”。更大的應(yīng)用場(chǎng)景在地下綜合管廊，也就是在城市地下用于集中鋪設(shè)電力、通信、廣播電視、給水、排水、熱力、燃?xì)獾仁姓芫€的公共隧道。地下綜合管廊建設(shè)和性能的提升，將改變過去城市建設(shè)“重地上，輕地下”的局面，將標(biāo)志著中國(guó)城市建設(shè)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變。

　　在廣州，UHPC還能制成路緣石、路面磚等市政產(chǎn)品，取代天然石材，用于部分馬路和部分建筑的前廣場(chǎng)上，比如廣園路的一部分步行道。UHPC制作的路緣石、路面磚等市政產(chǎn)品，抗壓強(qiáng)度達(dá)到120MPa以上，與花崗巖強(qiáng)度相同、甚至更高。通過配比的調(diào)整及表面處理工藝，使市政產(chǎn)品具有與花崗巖相近的表面效果。更為關(guān)鍵的是，UHPC可以生產(chǎn)而得，而花崗巖是不可再生資源。

　　“混凝土”上可以種植

　　打造綠色城市 提升綠化率

　　由于透水混凝土具有良好的透水性，是海綿城市建設(shè)中可滲透地面的主要材料。然而，目前市面上透水混凝土，當(dāng)真正達(dá)到透水效果時(shí)，強(qiáng)度都較低，只能用于景觀道、自行車道等低要求的場(chǎng)合，嚴(yán)重影響了透水混凝土的普及。

　　采訪中，全媒體記者了解到，UHPC的使用能夠大幅提升透水混凝土的性能，兼顧了強(qiáng)度與透水率兩方面的性能，在達(dá)到透水效果時(shí)，強(qiáng)度仍能做到C30以上，抗折強(qiáng)度5MPa 以上，是一種真正意義的透水混凝土。

　　林東博士認(rèn)為，該技術(shù)拓寬了透水混凝土的使用范圍，為大幅提高城市中硬化地面的可滲透面積提供了可能，在海綿城市建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。在現(xiàn)場(chǎng)展示環(huán)節(jié)，日常生活當(dāng)中常見的水龍頭全開，但地面上沒有任何積水，水都通過地面上的透水鋪裝系統(tǒng)滲透和排放出去。

　　2017年4月7日，廣州市通過《廣州市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃》。廣州將通過海綿城市建設(shè)，綜合采用“凈、蓄、滯、滲、用、排”等措施，將70%的降雨就地消納和利用。到2030年，城市建成區(qū)80%以上的面積達(dá)到目標(biāo)要求。毫無(wú)疑問，搭建高性能透水鋪裝系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)這一規(guī)劃的關(guān)鍵。

　　當(dāng)孔隙進(jìn)一步放大，透水混凝土便能成為植被型生態(tài)混凝土。這種混凝土就可以用在高層建筑的外表面，成為生態(tài)墻，提升綠化率;還可以用在河堤兩岸，確保河堤堅(jiān)固性同時(shí)，還為植被生長(zhǎng)留足空間。“在新加波，已有建筑在外表層使用生物墻;在國(guó)內(nèi)還不多見，但這是發(fā)展趨勢(shì)，也是建設(shè)綠色城市的需要。”林東博士說。

　　【知多點(diǎn)】

　　超高性能混凝土

　　超高性能混凝土，英文全稱是Ultra High Performance Concrete，常被簡(jiǎn)稱為UHPC。該材料結(jié)合了超細(xì)粒致密材料設(shè)計(jì)理論與纖維增強(qiáng)技術(shù)，是由超細(xì)活性粉末、水泥、高強(qiáng)度纖維等，通過最優(yōu)化級(jí)配設(shè)計(jì)，經(jīng)熱合反應(yīng)等工藝制備而成的復(fù)合材料，是目前世界上最結(jié)實(shí)、最強(qiáng)韌的一種混凝土，代表了未來(lái)混凝土的發(fā)展方向。

　　UHPC以超高的強(qiáng)度、韌性和耐久性為特征，可顯著改善傳統(tǒng)鋼筋混凝土的不足，在本質(zhì)上是鋼和混凝土共同融合的新模式。UHPC不同于傳統(tǒng)的高強(qiáng)混凝土(HSC)和鋼纖維混凝土(SFRC)，也不是傳統(tǒng)意義“高性能混凝土(HPC)”的高強(qiáng)化，而是性能指標(biāo)明確的新品種水泥基結(jié)構(gòu)工程材料。

　　透水磚&海綿城市

　　透水磚起源于荷蘭，為使地面不再下沉，荷蘭人制造了一種長(zhǎng)200毫米寬100毫米50或60毫米高的小型路面磚鋪設(shè)在街道路面上，并使磚與磚之間預(yù)留了2毫米的縫隙。當(dāng)海水倒灌，或者下大雨，水會(huì)從磚之間的縫隙中滲入地下。近些年，“海綿城市”成為“綠色環(huán)保城市”的重要標(biāo)簽之一。所謂海綿城市，是指城市在適應(yīng)環(huán)境變化、應(yīng)對(duì)雨水帶來(lái)的自然災(zāi)害等方面具有良好“彈性”，下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用——要能實(shí)現(xiàn)對(duì)70%實(shí)現(xiàn)滲透和再利用。顯然，透水磚是建設(shè)海綿城市主要建筑材料之一。

　　【記者觀察】

　　如果隨著城市化、城鎮(zhèn)化不斷跨步向前，消失掉的是本土藝術(shù)、本土風(fēng)俗，甚至還有“綠水青山”，這是十分堪憂的。城市要往前發(fā)展，同時(shí)要打贏“藍(lán)天白云保衛(wèi)戰(zhàn)”，仍然存在許多亟須面臨的挑戰(zhàn)。因此，大力發(fā)展綠色建筑，推進(jìn)綠色生態(tài)城區(qū)建設(shè)，提高城鎮(zhèn)供排水、防澇、雨水收集利用、供熱、供氣等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平……這一切，在一座城市的現(xiàn)代化進(jìn)程中不可或缺。把城市放在大自然中，把綠水青山保留給城市居民。毋庸置疑，UHPC正是滿足所有要求的關(guān)鍵建筑材料。UHPC既是現(xiàn)行技術(shù)，也是未來(lái)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。