馬靜月、張琴、李曉英
(1.廣安職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川廣安638000;2.西南科技大學(xué)材料與化學(xué)學(xué)院,四川綿陽(yáng)621010)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的持續(xù)提升,各個(gè)地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷推進(jìn)。道路橋梁作為我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的重要組成部分,其質(zhì)量不僅決定了橋梁的使用壽命,也會(huì)對(duì)行人以及交通工具的行駛安全帶來(lái)不小的影響。
因此,道路橋梁施工的合理性以及施工后橋梁的質(zhì)量檢測(cè)和反饋,逐漸受到眾多社會(huì)人士的關(guān)注。抑菌活性粉末混凝土不僅具有極高的韌性與抗壓能力,而且黏合性好,在道路橋梁施工工作中被大規(guī)模使用,有益于我國(guó)道路施工質(zhì)量的整體提升。
隨著工業(yè)化水平的持續(xù)提高,城鎮(zhèn)化建設(shè)活動(dòng)的加速,使得城市人口規(guī)模不斷擴(kuò)大,對(duì)道路和橋梁的需求不斷提升。與此同時(shí),我國(guó)部分省份面臨城市廢水和污水排放問(wèn)題。隨著各個(gè)地區(qū)對(duì)于排水設(shè)備的需求持續(xù)增加,我國(guó)城市排水管道長(zhǎng)度也在慢慢變長(zhǎng),逐漸呈直線式上升,已由最初的26.1 萬(wàn)km 增長(zhǎng)至如今的80 萬(wàn)km。由此,水污染處理問(wèn)題及城市排水系統(tǒng)建設(shè)已成為城市持續(xù)發(fā)展以及改良居民居住體驗(yàn)的研究熱點(diǎn)。
根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,常用的城市排水管道有塑料管道、鋼鐵管道、金屬排水系統(tǒng)和混凝土管道。其中,塑料管道可依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)又分為PVC-U 管、PE 管等,用這種材料制作的排水系統(tǒng)產(chǎn)生的縫隙少,其密封性較好,但材質(zhì)脆弱,因此使用壽命較短。而另外一種管道——金屬管道包括奧氏球體鐵管、鋼筋管道等,這類管道具有高密度等優(yōu)勢(shì),其抗壓能力強(qiáng),但由于管道之間銜接問(wèn)題,導(dǎo)致噪聲大,且使用前必須開(kāi)展系統(tǒng)全面的防銹處理,否則會(huì)對(duì)使用壽命產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。相比塑料管道和金屬管道,第三種管道,鋼筋混凝土管道在制造和使用前景方面極具優(yōu)勢(shì),具有成本低、黏合度好、生產(chǎn)快捷、承載水平高、抗壓能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),不僅使用壽命長(zhǎng),而且能夠在復(fù)雜環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用。所以,各種混凝土管網(wǎng)被冠以城市的“地下生命線”美名,能夠有效化解城市污水處理問(wèn)題,對(duì)城市良好發(fā)展起到?jīng)Q定性的作用。不能否認(rèn)的是,我國(guó)部分地區(qū)現(xiàn)有的混凝土管道在選材上比較粗放,不注重提升混凝土的品質(zhì),多用普通混凝土,這類材料密度大,使得管道自重大、承載水平不足、耐腐蝕性差。
為了改良混凝土管道的質(zhì)量,已有學(xué)者針對(duì)高性能混凝土(HPC)進(jìn)行了探索,也有許多學(xué)者對(duì)于超高性能混凝土(UHPC)進(jìn)行了分析,并對(duì)現(xiàn)有制備混凝土污水管道的質(zhì)量和使用壽命進(jìn)行了研究并提出改進(jìn)策略,使得混凝土所制作成的城市排水管道質(zhì)量得以改善,管道承載能力也大大增加,整體使用效果有較大幅度的提升。此外,除了研究現(xiàn)有的混凝土材料,學(xué)者們還努力地通過(guò)改良混凝土的配方,以期生產(chǎn)出更高質(zhì)量的新型混凝土,而抑菌活性粉末混凝土,不僅能顯著提升管道的使用壽命、增強(qiáng)其抗壓能力,還能抑制各種有害病菌的快速繁衍。
ARPC 材料的研究發(fā)端于20世紀(jì)90年代,最開(kāi)始是由法國(guó)Bouy.ques 實(shí)驗(yàn)室研究的,由于加工工藝和材料有所改良,生產(chǎn)出的是一種新型的高密度、高反應(yīng)性建筑材料,被建筑行業(yè)稱為活性粉末混凝土。從構(gòu)成上來(lái)說(shuō),ARPC 是由復(fù)合材料所構(gòu)成,其中包含很多高抗壓能力的物質(zhì),包括分級(jí)石英和石英粉,還包括水泥、硅粉等,另有一些廠家在生產(chǎn)時(shí)會(huì)增加高抗壓效減水劑和鋼纖維,這使得生產(chǎn)出的混凝土黏合度較高,再通過(guò)加壓、加熱等多個(gè)步驟,促進(jìn)混凝土凝結(jié)硬化,生產(chǎn)出高性能和高質(zhì)量的混凝土,是一種可在工程中被大規(guī)模利用的材料。參考一定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)抑菌活性粉末混凝土進(jìn)行歸類,可分為不同抗壓強(qiáng)度,如RPC 200 級(jí)和600 級(jí)等,由于一些混凝土生產(chǎn)商在加工過(guò)程中會(huì)使用低密度材料,可減少結(jié)構(gòu)的恒載,再加上所選擇的材料具有不同抗壓強(qiáng)度,制備工藝有所改良,因此抑菌活性粉末混凝土具有極高的普適性和應(yīng)用空間。
由于自身使用條件的限制,道路橋梁的建設(shè)不同于一般的建筑施工過(guò)程。與其他道路項(xiàng)目建設(shè)存在明顯差異的是,道路橋梁的建設(shè)需要使用密度小,且高強(qiáng)度的物質(zhì),這樣就能有效解決道路和橋梁抗壓能力不足的問(wèn)題,而且可促進(jìn)橋梁整體重量的減輕,為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),許多研究學(xué)者從各個(gè)方面展開(kāi)研究,一般可使用在主跨中間區(qū)段改善建設(shè)材料,使用鋼箱梁、輕質(zhì)、高抗壓能力的材料來(lái)使得道路橋梁的結(jié)構(gòu)自重減輕,還能實(shí)現(xiàn)增大跨徑的目的。但在實(shí)際的施工過(guò)程中,鋼混結(jié)構(gòu)耐久性有限,而且由于使用的材料比較多樣,再加上結(jié)構(gòu)復(fù)雜,輕質(zhì)混凝土彈性在體積上不大、模量較小,受溫度影響大、耐久性低,這對(duì)道路橋梁工程的推進(jìn)產(chǎn)生了巨大的阻礙。而抑菌粉末混凝土材料(Reactive Powder Concrete,簡(jiǎn)稱RPC)是對(duì)傳統(tǒng)混凝土的改良,它具有強(qiáng)度高、抗腐蝕性強(qiáng)、高韌性好、使用時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì),并且黏合度高,能夠降低后期使用過(guò)程中產(chǎn)生的空隙,可減輕橋梁自重,提高其抗壓性,增大橋梁的跨越幅度,可廣泛應(yīng)用在我國(guó)各個(gè)地區(qū)的施工工作中,在橋梁道路的建設(shè)中也極具應(yīng)用價(jià)值[1]。
ARPC 的原理是:在加工和設(shè)計(jì)步驟中通過(guò)增加材料的細(xì)度和活性,提升其黏合度,減少了諸如空隙、裂縫等問(wèn)題,并且提升了材料在使用后的抗壓水平和耐久性。與一般混凝土不同的是,活性粉末混凝土(RPC)制作過(guò)程更加嚴(yán)格,所運(yùn)用的材料的空隙和微裂縫等一些問(wèn)題也就迎刃而解,也不存在對(duì)環(huán)境污染性高等缺陷,后期使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題非常少,這些優(yōu)勢(shì)決定了其具有廣闊的應(yīng)用前景,而且活性粉末混凝土表現(xiàn)出比較高的耐久性,所以使用年限較長(zhǎng),而且抗壓能力很強(qiáng),具有巨大的承載力。正因如此,抑菌活性粉末混凝土能最大限度地規(guī)避后期施工完成之后存在的裂縫問(wèn)題,使混凝土中的孔隙間距更加合理,確保拌和物能夠達(dá)到相關(guān)的使用標(biāo)準(zhǔn),而且密實(shí)度高,構(gòu)成活性粉末混凝土的各種原料都經(jīng)過(guò)精心檢測(cè),原材料的顆粒平均尺寸都被嚴(yán)格地規(guī)定和核查,被控制在11μm~1mm 之間,而且許多混凝土澆筑公司為了進(jìn)一步增強(qiáng)其性能,在制備活性粉末混凝土?xí)r,還仔細(xì)分析現(xiàn)有的澆筑技術(shù)從而制定了以下四項(xiàng)措施,以期增強(qiáng)其質(zhì)量。
在制作混凝土材料的過(guò)程中,水泥水化最初的反應(yīng)會(huì)使泥漿與水泥界面之間出現(xiàn)微小裂縫,裂縫會(huì)對(duì)后期的使用產(chǎn)生不小的影響,該裂縫收到負(fù)荷后,會(huì)隨著時(shí)間的流逝慢慢變大,會(huì)引起結(jié)構(gòu)破壞,影響使用的安全性,而且裂縫的長(zhǎng)度還會(huì)受到材料的影響,取決于骨料的粒度半徑,所選擇的原材料顆粒越細(xì)小,后期出現(xiàn)的裂縫越小。而在加工步驟中,ARPC是操作人員篩選了其中不高于1mm 粒徑的材料,而對(duì)其余材料予以處理,只留下了細(xì)骨料,不僅使得水泥之間的顆粒度較為接近,還降低了骨料的粒徑,因提高了粒子之間的黏合度,縮小了水泥生產(chǎn)和加工步驟中裂縫出現(xiàn)的數(shù)量。
由于普通混凝土在加工和處理過(guò)程中比較粗放,與抑菌活性混凝土除了骨料與彈性方面優(yōu)于普通混凝土之外,還在使用壽命方面表現(xiàn)極佳。抑菌活性混凝土的彈性模量是一般混凝土的3 倍,還加入了較多的硅元素材料,硅灰含量較多,在混凝土制造過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)會(huì)出現(xiàn)高濃度的水化硅酸鈣凝膠,提升熱處理中石英粉與水化產(chǎn)物結(jié)合的穩(wěn)定性,不僅提高混凝土的強(qiáng)度,改善漿體的力學(xué)性能,還能使其抑菌效果得以提升,增加混凝土活性,減少結(jié)合處的裂縫數(shù)量。
操作人員在配置抑菌活性混凝土?xí)r采用最優(yōu)級(jí)配優(yōu)化顆粒比,仔細(xì)分析各種混凝土材料在不同條件下的使用數(shù)量,將顆?;旌虾螽a(chǎn)生的空隙問(wèn)題大大改善,使用功能全面的減水劑,保持混凝土結(jié)構(gòu)與活性組分有效融合,分析各種添加劑的特點(diǎn),保證用水量合理,確保各種原材料混合攪拌后密度得以提升,空隙變小,保持其最密實(shí)的狀態(tài),為了提高抑菌活性粉末混凝土的性能,不少操作員在材料與水的互相攪拌步驟中予以一定的壓力,通過(guò)施加的壓力將攪拌活動(dòng)中的水分?jǐn)D壓出去,也將氣泡通過(guò)外力作用予以排出,降低混凝土材料在后期使用過(guò)程中的裂縫問(wèn)題,也使得空隙出現(xiàn)的概率大大降低,消除一般混凝土在使用過(guò)程中因材料變化引發(fā)的裂縫,優(yōu)化其使用壽命,提高材料整體的抗壓水準(zhǔn)[2]。
ARPC 混凝土在成型之后還會(huì)注重?zé)崽幚憝h(huán)節(jié)。材料凝固后對(duì)其開(kāi)展科學(xué)合理的熱養(yǎng)護(hù),不僅降低混凝土材料由于溫度變化過(guò)快產(chǎn)生費(fèi)用的裂縫,還可提升水泥水化的速度,促進(jìn)水泥火山灰作用的凸顯,使得混凝土微觀結(jié)構(gòu)得以改良。與此同時(shí),操作人員也注重在熱處理過(guò)程中根據(jù)抑菌活性粉末混凝土強(qiáng)度的不同、抗壓極限強(qiáng)度的差異,施加針對(duì)性的熱養(yǎng)護(hù)溫度,例如,ARPC200 級(jí)在成型之后的熱養(yǎng)護(hù)溫度是100oC,這種溫度不算高,屬于常壓養(yǎng)護(hù)的范疇,而ARPC800 級(jí)在后期養(yǎng)護(hù)過(guò)程中,所施加的溫度可高達(dá)400oC,處理溫度明顯大于常溫,屬于高壓養(yǎng)護(hù)的范疇,抑菌活性粉末混凝土在后期養(yǎng)護(hù)時(shí)會(huì)生成凝膠類物質(zhì),促進(jìn)硬硅鈣石結(jié)晶,使得各種粒子之間的結(jié)合更加緊密,改善了混凝土的強(qiáng)度,水化產(chǎn)物的穩(wěn)定性更強(qiáng)。
分析一般的混凝土后不難發(fā)現(xiàn),許多普通混凝土在制作和加工時(shí)未摻鋼纖維,混凝土的抗拉強(qiáng)度較低、韌性也不強(qiáng),而且材料還具有較大的脆性,使用價(jià)值有限,應(yīng)用前景不佳。而為了改善混凝土的上述種種問(wèn)題,通過(guò)在ARPC 材料中有意識(shí)地增加新型物質(zhì),摻入粒徑約0.1mm 的鋼纖維,不僅能使混凝土的強(qiáng)度有所改變,還可提升混凝土材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的韌性,改善混凝土由于壓力太大導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破損問(wèn)題,保證基體在受到外界高壓力作用時(shí)依然能夠正常使用,大大規(guī)避材料因脆性過(guò)大導(dǎo)致的使用壽命較低的問(wèn)題。
為使拌和物具有較高的密實(shí)度,達(dá)到相關(guān)使用要求,混凝土公司一方面吸取國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的制作工藝,改善抑菌活性粉末混凝土的顆粒半徑,另一方面,在拌和物尚未成功凝固時(shí)以及拌和物凝固過(guò)程中,對(duì)其開(kāi)展加壓處理;為增強(qiáng)活性混凝土的均勻性,不少混凝土制造企業(yè)在制備之前,將原材料的粗骨料進(jìn)行篩選,在拌和物凝結(jié)成塊以后,設(shè)計(jì)和制定熱養(yǎng)護(hù)措施,保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)得以改善。在生產(chǎn)活性粉末混凝土過(guò)程中,選擇摻加鋼纖維的策略,最大程度地增強(qiáng)其抗壓水平。相較一般的混凝土制作過(guò)程而言,選擇前三條措施,可顯著優(yōu)化提高混凝土的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)和耐久性,但其韌性沒(méi)有經(jīng)過(guò)特殊操作得以改善,并未得到有效提高,而在制作過(guò)程中增加鋼纖維之后,除了能夠增強(qiáng)混凝土的柔韌度的同時(shí),使得混凝土具有良好的抗壓能力。相較一般的混凝土或其他高性能混凝土來(lái)說(shuō),抑菌活性粉末混凝土主要具有如下優(yōu)勢(shì):抑菌活性粉末混凝土在制作過(guò)程中加入了許多新型材料,不但具有非常好的塑性,在柔韌度和抗壓性方同樣可圈可點(diǎn),承載能力強(qiáng)。同時(shí),一般的混凝土與抑菌活性混凝土進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),若在兩者抗彎水平相同的條件下,抑菌活性混凝土的重量?jī)H為一般混凝土的1/3~1/2,這就彰顯出其優(yōu)越的抗壓性和施工便利性,活性粉末混凝土在施工工作中呈現(xiàn)出抗壓能力強(qiáng)的特點(diǎn),同時(shí)還可減少自重,這對(duì)混凝土質(zhì)量的提高和重量控制至關(guān)重要[3]。
ARPC 材料具有許多普通混凝土所不具備的優(yōu)點(diǎn),在道路橋梁工程中的具有極為明顯的應(yīng)用價(jià)值,對(duì)我國(guó)建筑事業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。
ARPC 混凝土由于所采用的材料密度不高,而且抗壓能力強(qiáng),所以同等性能下的重量是普通混凝土重量的30%~50%,因此,它的應(yīng)用不僅使橋梁和道路的使用性能大大優(yōu)化,還可有效降低橋梁自重,使得橋梁更加穩(wěn)固安全,減少了橋梁中過(guò)多使用鋼筋的矛盾沖突,不僅可以減少后期維修過(guò)程中的防銹處理問(wèn)題,還可減少鋼筋材料的使用,從而降低橋梁建筑成本,使得我國(guó)道路橋梁工程大大推進(jìn),還能提升橋梁的跨越幅度。
普通鋼筋混凝土具有密度大、抗壓能力有限的劣勢(shì),在后期使用過(guò)程中,很有可能導(dǎo)致橋梁因重量大而引發(fā)一系列坍塌、損毀等問(wèn)題,而APRC 由于在制作過(guò)程中選擇的材料比較先進(jìn),材料成分具有較大抗壓性能,根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明,同等條件下使用抑菌活性粉末混凝土建筑的橋梁的橫截面只有一般橋梁的1/3,有些超高性能的抑菌活性混凝土材料設(shè)計(jì)的橋梁甚至可單獨(dú)承重,它的應(yīng)用除了改善橋梁重量過(guò)大問(wèn)題,還可減少橋梁在設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中的承重鋼筋的使用量,降低橋梁由于承重鋼筋配置不合理導(dǎo)致的安全隱患,減輕設(shè)計(jì)截面厚度,使得橋梁看上去更加簡(jiǎn)約從而提高橋梁整體的美觀性,由于施工材料自身的輕密度特點(diǎn)可降低混凝土橋梁的重量,顯著提升道路橋梁的跨越能力。
由于ARPC 類型的混凝土在加工和制作過(guò)程所選擇的材料具有高抗壓水平、彈性高且抗彎能力強(qiáng),因此不僅在一般的建筑施工過(guò)程中得到大力倡導(dǎo),而且在道路橋梁領(lǐng)域得到了大規(guī)模的認(rèn)可和應(yīng)用。由于抑菌活性粉末混凝土在加工過(guò)程中會(huì)摻加細(xì)鋼纖維,且粒子之間的黏合性高,所以在橋梁建設(shè)時(shí)不需要加入非預(yù)應(yīng)力鋼筋,而且因抑菌活性粉末混凝土具有高彈性的特點(diǎn),可使橋梁在后期使用過(guò)程中的壓縮變形問(wèn)題得以大大緩解,也降低收縮變形的概率,ARPC類混凝土由于所選擇的材料具有高韌性,抗壓能力高,在超載情況下也能夠保證正常工作,所以用抑菌活性粉末混凝土建設(shè)的橋梁具有較高的可靠性,此外加入抑菌活性粉末混凝土生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件用料不多,可降低生產(chǎn)成本,不僅能夠大大優(yōu)化構(gòu)件的使用性能,還提高構(gòu)件使用壽命,而且由于重量的減輕提高了安裝的便捷度,為操作工人的工作予以方便,縮短施工時(shí)間,所以深受橋梁工程施工單位的認(rèn)可。
ARPC 材料由于在加工過(guò)程中添加了新型材料,所以具有較佳的抗凍融水平,而且耐腐蝕性較好,還具備相當(dāng)高的抗碳酸化性,可大幅度提高橋梁的耐久性,延長(zhǎng)橋梁的使用期限。抑菌活性粉末混凝土可承受超過(guò)30MPa 的拉力,所以柔韌性極高,使建筑施工組織設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)外形時(shí)可以著重考慮其它方面,為橋梁外觀的改善提供了更多的選擇空間。此外,抑菌活性粉末混凝土材料呈現(xiàn)出的耐久性使其能在較多的場(chǎng)景使用,提高了橋梁的環(huán)境適應(yīng)性,建成后的橋梁在各種惡劣條件下仍然不受影響,增強(qiáng)其長(zhǎng)期使用的能力,而且由于減少了鋼筋的使用,在橋梁維護(hù)成本方面的壓力也較低,所以采用抑菌活性粉末混凝土建造的橋梁使用周期會(huì)大大增加[4]。
一般來(lái)說(shuō),抑菌活性粉末混凝土設(shè)計(jì)和制作的橋梁,在后期維護(hù)時(shí)比較方便。與一般混凝土相比,抑菌活性粉末混凝土在加工和制作過(guò)程中所使用的水泥與骨料的不多,而且由于其具有比較好的抗壓能力和耐腐蝕性,所以減少鋼筋等一系列高成本材料的用量,不僅降低橋梁建設(shè)成本,還可大幅度降低后期出現(xiàn)的問(wèn)題,優(yōu)化人工維護(hù)成本,所以經(jīng)濟(jì)性較高。在提高橋梁施工進(jìn)度的同時(shí),減少了非必要材料的使用,降低橋梁對(duì)周?chē)h(huán)境的危害,大大增加橋梁建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益與使用價(jià)值。
以位于巴卡爾海峽的巴卡爾橋的實(shí)際建設(shè)情況為例,該橋在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中增加了抑菌活性粉末混凝土。在建設(shè)過(guò)程中主要考慮跨越巴卡爾海峽,為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),當(dāng)時(shí)負(fù)責(zé)施工的人員提出的方案是拱高70m,最后建成了跨度超過(guò)400m 的抑菌活性粉末混凝土拱橋,橋梁?jiǎn)温?lián)共22 跨。巴卡爾橋在建設(shè)過(guò)程中使用的鋼筋量不多,雖然該橋沒(méi)有縱向加勁助,但由于使用了韌性極高的抑菌活性粉末混凝土,從而使該橋結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化,連接更加簡(jiǎn)單。抑菌活性粉末混凝土應(yīng)用于巴卡爾橋中,不僅顯著改善了橋梁的使用壽命,而且使橋梁節(jié)段之間能夠以更加簡(jiǎn)潔的方式進(jìn)行連接,橋梁的截面性質(zhì)以及構(gòu)件的厚度等各方面參數(shù)大大改變,質(zhì)量得以改善,性能得以優(yōu)化,使用壽命和使用便捷度大大優(yōu)化。
由于抑菌活性粉末混凝土在加工過(guò)程中所采用的原材料、材料配比更加合理,使得ARPC 成為一種新型的道路橋梁材料,不僅能夠提高道路橋梁的耐久性和使用壽命,而且降低了橋梁的自重,所以在現(xiàn)代橋梁的設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中展現(xiàn)出了較高的應(yīng)用前景。抑菌活性粉末混凝土的推廣與普及,為道路橋梁質(zhì)量和性能的提升改善發(fā)揮出極大的作用,具有極高的經(jīng)濟(jì)效益與使用價(jià)值。