抑菌活性粉末混凝土在道路桥梁工程中的应用性能研究

马静月、张琴、李晓英

（1.广安职业技术学院，四川广安638000；2.西南科技大学材料与化学学院，四川绵阳621010）

0 引言

随着我国经济发展水平的持续提升，各个地区的基础设施建设不断推进。道路桥梁作为我国基础设施建设中的重要组成部分，其质量不仅决定了桥梁的使用寿命，也会对行人以及交通工具的行驶安全带来不小的影响。

因此，道路桥梁施工的合理性以及施工后桥梁的质量检测和反馈，逐渐受到众多社会人士的关注。抑菌活性粉末混凝土不仅具有极高的韧性与抗压能力，而且黏合性好，在道路桥梁施工工作中被大规模使用，有益于我国道路施工质量的整体提升。

1 抑菌活性粉末混凝土简介

1.1 抑菌活性粉末混凝土产生的背景

随着工业化水平的持续提高，城镇化建设活动的加速，使得城市人口规模不断扩大，对道路和桥梁的需求不断提升。与此同时，我国部分省份面临城市废水和污水排放问题。随着各个地区对于排水设备的需求持续增加，我国城市排水管道长度也在慢慢变长，逐渐呈直线式上升，已由最初的26.1 万km 增长至如今的80 万km。由此，水污染处理问题及城市排水系统建设已成为城市持续发展以及改良居民居住体验的研究热点。

根据相关数据显示，常用的城市排水管道有塑料管道、钢铁管道、金属排水系统和混凝土管道。其中，塑料管道可依据相关标准又分为PVC-U 管、PE 管等，用这种材料制作的排水系统产生的缝隙少，其密封性较好，但材质脆弱，因此使用寿命较短。而另外一种管道——金属管道包括奥氏球体铁管、钢筋管道等，这类管道具有高密度等优势，其抗压能力强，但由于管道之间衔接问题，导致噪声大，且使用前必须开展系统全面的防锈处理，否则会对使用寿命产生严重的影响。相比塑料管道和金属管道，第三种管道，钢筋混凝土管道在制造和使用前景方面极具优势，具有成本低、黏合度好、生产快捷、承载水平高、抗压能力强等优点，不仅使用寿命长，而且能够在复杂环境中得到广泛应用。所以，各种混凝土管网被冠以城市的“地下生命线”美名，能够有效化解城市污水处理问题，对城市良好发展起到决定性的作用。不能否认的是，我国部分地区现有的混凝土管道在选材上比较粗放，不注重提升混凝土的品质，多用普通混凝土，这类材料密度大，使得管道自重大、承载水平不足、耐腐蚀性差。

为了改良混凝土管道的质量，已有学者针对高性能混凝土（HPC）进行了探索，也有许多学者对于超高性能混凝土（UHPC）进行了分析，并对现有制备混凝土污水管道的质量和使用寿命进行了研究并提出改进策略，使得混凝土所制作成的城市排水管道质量得以改善，管道承载能力也大大增加，整体使用效果有较大幅度的提升。此外，除了研究现有的混凝土材料，学者们还努力地通过改良混凝土的配方，以期生产出更高质量的新型混凝土，而抑菌活性粉末混凝土，不仅能显著提升管道的使用寿命、增强其抗压能力，还能抑制各种有害病菌的快速繁衍。

1.2 抑菌活性粉末混凝土的种类

ARPC 材料的研究发端于20世纪90年代，最开始是由法国Bouy.ques 实验室研究的，由于加工工艺和材料有所改良，生产出的是一种新型的高密度、高反应性建筑材料，被建筑行业称为活性粉末混凝土。从构成上来说，ARPC 是由复合材料所构成，其中包含很多高抗压能力的物质，包括分级石英和石英粉，还包括水泥、硅粉等，另有一些厂家在生产时会增加高抗压效减水剂和钢纤维，这使得生产出的混凝土黏合度较高，再通过加压、加热等多个步骤，促进混凝土凝结硬化，生产出高性能和高质量的混凝土，是一种可在工程中被大规模利用的材料。参考一定的标准对抑菌活性粉末混凝土进行归类，可分为不同抗压强度，如RPC 200 级和600 级等，由于一些混凝土生产商在加工过程中会使用低密度材料，可减少结构的恒载，再加上所选择的材料具有不同抗压强度，制备工艺有所改良，因此抑菌活性粉末混凝土具有极高的普适性和应用空间。

1.3 抑菌活性粉末混凝土的使用现状

由于自身使用条件的限制，道路桥梁的建设不同于一般的建筑施工过程。与其他道路项目建设存在明显差异的是，道路桥梁的建设需要使用密度小，且高强度的物质，这样就能有效解决道路和桥梁抗压能力不足的问题，而且可促进桥梁整体重量的减轻，为了实现这个目标，许多研究学者从各个方面展开研究，一般可使用在主跨中间区段改善建设材料，使用钢箱梁、轻质、高抗压能力的材料来使得道路桥梁的结构自重减轻，还能实现增大跨径的目的。但在实际的施工过程中，钢混结构耐久性有限，而且由于使用的材料比较多样，再加上结构复杂，轻质混凝土弹性在体积上不大、模量较小，受温度影响大、耐久性低，这对道路桥梁工程的推进产生了巨大的阻碍。而抑菌粉末混凝土材料（Reactive Powder Concrete，简称RPC）是对传统混凝土的改良，它具有强度高、抗腐蚀性强、高韧性好、使用时间长等优势，并且黏合度高，能够降低后期使用过程中产生的空隙，可减轻桥梁自重，提高其抗压性，增大桥梁的跨越幅度，可广泛应用在我国各个地区的施工工作中，在桥梁道路的建设中也极具应用价值[1]。

2 抑菌活性粉末混凝土的基本设计原理

ARPC 的原理是：在加工和设计步骤中通过增加材料的细度和活性，提升其黏合度，减少了诸如空隙、裂缝等问题，并且提升了材料在使用后的抗压水平和耐久性。与一般混凝土不同的是，活性粉末混凝土（RPC）制作过程更加严格，所运用的材料的空隙和微裂缝等一些问题也就迎刃而解，也不存在对环境污染性高等缺陷，后期使用过程中出现的问题非常少，这些优势决定了其具有广阔的应用前景，而且活性粉末混凝土表现出比较高的耐久性，所以使用年限较长，而且抗压能力很强，具有巨大的承载力。正因如此，抑菌活性粉末混凝土能最大限度地规避后期施工完成之后存在的裂缝问题，使混凝土中的孔隙间距更加合理，确保拌和物能够达到相关的使用标准，而且密实度高，构成活性粉末混凝土的各种原料都经过精心检测，原材料的颗粒平均尺寸都被严格地规定和核查，被控制在11μm～1mm 之间，而且许多混凝土浇筑公司为了进一步增强其性能，在制备活性粉末混凝土时，还仔细分析现有的浇筑技术从而制定了以下四项措施，以期增强其质量。

2.1 消除材料加工过程的缺陷，增强材料的均质性

在制作混凝土材料的过程中，水泥水化最初的反应会使泥浆与水泥界面之间出现微小裂缝，裂缝会对后期的使用产生不小的影响，该裂缝收到负荷后，会随着时间的流逝慢慢变大，会引起结构破坏，影响使用的安全性，而且裂缝的长度还会受到材料的影响，取决于骨料的粒度半径，所选择的原材料颗粒越细小，后期出现的裂缝越小。而在加工步骤中，ARPC是操作人员筛选了其中不高于1mm 粒径的材料，而对其余材料予以处理，只留下了细骨料，不仅使得水泥之间的颗粒度较为接近，还降低了骨料的粒径，因提高了粒子之间的黏合度，缩小了水泥生产和加工步骤中裂缝出现的数量。

由于普通混凝土在加工和处理过程中比较粗放，与抑菌活性混凝土除了骨料与弹性方面优于普通混凝土之外，还在使用寿命方面表现极佳。抑菌活性混凝土的弹性模量是一般混凝土的3 倍，还加入了较多的硅元素材料，硅灰含量较多，在混凝土制造过程中的化学反应会出现高浓度的水化硅酸钙凝胶，提升热处理中石英粉与水化产物结合的稳定性，不仅提高混凝土的强度，改善浆体的力学性能，还能使其抑菌效果得以提升，增加混凝土活性，减少结合处的裂缝数量。

2.2 优选级配，提高材料密实度

操作人员在配置抑菌活性混凝土时采用最优级配优化颗粒比，仔细分析各种混凝土材料在不同条件下的使用数量，将颗粒混合后产生的空隙问题大大改善，使用功能全面的减水剂，保持混凝土结构与活性组分有效融合，分析各种添加剂的特点，保证用水量合理，确保各种原材料混合搅拌后密度得以提升，空隙变小，保持其最密实的状态，为了提高抑菌活性粉末混凝土的性能，不少操作员在材料与水的互相搅拌步骤中予以一定的压力，通过施加的压力将搅拌活动中的水分挤压出去，也将气泡通过外力作用予以排出，降低混凝土材料在后期使用过程中的裂缝问题，也使得空隙出现的概率大大降低，消除一般混凝土在使用过程中因材料变化引发的裂缝，优化其使用寿命，提高材料整体的抗压水准[2]。

2.3 成型后加强热养护，改良微观结构

ARPC 混凝土在成型之后还会注重热处理环节。材料凝固后对其开展科学合理的热养护，不仅降低混凝土材料由于温度变化过快产生费用的裂缝，还可提升水泥水化的速度，促进水泥火山灰作用的凸显，使得混凝土微观结构得以改良。与此同时，操作人员也注重在热处理过程中根据抑菌活性粉末混凝土强度的不同、抗压极限强度的差异，施加针对性的热养护温度，例如，ARPC200 级在成型之后的热养护温度是100oC，这种温度不算高，属于常压养护的范畴，而ARPC800 级在后期养护过程中，所施加的温度可高达400oC，处理温度明显大于常温，属于高压养护的范畴，抑菌活性粉末混凝土在后期养护时会生成凝胶类物质，促进硬硅钙石结晶，使得各种粒子之间的结合更加紧密，改善了混凝土的强度，水化产物的稳定性更强。

2.4 使用钢纤维，改良混凝土韧性

分析一般的混凝土后不难发现，许多普通混凝土在制作和加工时未掺钢纤维，混凝土的抗拉强度较低、韧性也不强，而且材料还具有较大的脆性，使用价值有限，应用前景不佳。而为了改善混凝土的上述种种问题，通过在ARPC 材料中有意识地增加新型物质，掺入粒径约0.1mm 的钢纤维，不仅能使混凝土的强度有所改变，还可提升混凝土材料内部结构的韧性，改善混凝土由于压力太大导致的结构破损问题，保证基体在受到外界高压力作用时依然能够正常使用，大大规避材料因脆性过大导致的使用寿命较低的问题。

3 抑菌活性粉末混凝土的优势

为使拌和物具有较高的密实度，达到相关使用要求，混凝土公司一方面吸取国内外先进的制作工艺，改善抑菌活性粉末混凝土的颗粒半径，另一方面，在拌和物尚未成功凝固时以及拌和物凝固过程中，对其开展加压处理；为增强活性混凝土的均匀性，不少混凝土制造企业在制备之前，将原材料的粗骨料进行筛选，在拌和物凝结成块以后，设计和制定热养护措施，保证内部结构得以改善。在生产活性粉末混凝土过程中，选择掺加钢纤维的策略，最大程度地增强其抗压水平。相较一般的混凝土制作过程而言，选择前三条措施，可显著优化提高混凝土的内部微结构和耐久性，但其韧性没有经过特殊操作得以改善，并未得到有效提高，而在制作过程中增加钢纤维之后，除了能够增强混凝土的柔韧度的同时，使得混凝土具有良好的抗压能力。相较一般的混凝土或其他高性能混凝土来说，抑菌活性粉末混凝土主要具有如下优势：抑菌活性粉末混凝土在制作过程中加入了许多新型材料，不但具有非常好的塑性，在柔韧度和抗压性方同样可圈可点，承载能力强。同时，一般的混凝土与抑菌活性混凝土进行对比发现，若在两者抗弯水平相同的条件下，抑菌活性混凝土的重量仅为一般混凝土的1/3～1/2，这就彰显出其优越的抗压性和施工便利性，活性粉末混凝土在施工工作中呈现出抗压能力强的特点，同时还可减少自重，这对混凝土质量的提高和重量控制至关重要[3]。

4 ARPC 混凝土在道路桥梁工程中的应用性能研究

4.1 承载力强，节约成本

ARPC 材料具有许多普通混凝土所不具备的优点，在道路桥梁工程中的具有极为明显的应用价值，对我国建筑事业的发展有着重要的意义。

ARPC 混凝土由于所采用的材料密度不高，而且抗压能力强，所以同等性能下的重量是普通混凝土重量的30%～50%，因此，它的应用不仅使桥梁和道路的使用性能大大优化，还可有效降低桥梁自重，使得桥梁更加稳固安全，减少了桥梁中过多使用钢筋的矛盾冲突，不仅可以减少后期维修过程中的防锈处理问题，还可减少钢筋材料的使用，从而降低桥梁建筑成本，使得我国道路桥梁工程大大推进，还能提升桥梁的跨越幅度。

普通钢筋混凝土具有密度大、抗压能力有限的劣势，在后期使用过程中，很有可能导致桥梁因重量大而引发一系列坍塌、损毁等问题，而APRC 由于在制作过程中选择的材料比较先进，材料成分具有较大抗压性能，根据相关数据表明，同等条件下使用抑菌活性粉末混凝土建筑的桥梁的横截面只有一般桥梁的1/3，有些超高性能的抑菌活性混凝土材料设计的桥梁甚至可单独承重，它的应用除了改善桥梁重量过大问题，还可减少桥梁在设计和制作过程中的承重钢筋的使用量，降低桥梁由于承重钢筋配置不合理导致的安全隐患，减轻设计截面厚度，使得桥梁看上去更加简约从而提高桥梁整体的美观性，由于施工材料自身的轻密度特点可降低混凝土桥梁的重量，显著提升道路桥梁的跨越能力。

4.2 抗压能力强，可靠性高

由于ARPC 类型的混凝土在加工和制作过程所选择的材料具有高抗压水平、弹性高且抗弯能力强，因此不仅在一般的建筑施工过程中得到大力倡导，而且在道路桥梁领域得到了大规模的认可和应用。由于抑菌活性粉末混凝土在加工过程中会掺加细钢纤维，且粒子之间的黏合性高，所以在桥梁建设时不需要加入非预应力钢筋，而且因抑菌活性粉末混凝土具有高弹性的特点，可使桥梁在后期使用过程中的压缩变形问题得以大大缓解，也降低收缩变形的概率，ARPC类混凝土由于所选择的材料具有高韧性，抗压能力高，在超载情况下也能够保证正常工作，所以用抑菌活性粉末混凝土建设的桥梁具有较高的可靠性，此外加入抑菌活性粉末混凝土生产的预制构件用料不多，可降低生产成本，不仅能够大大优化构件的使用性能，还提高构件使用寿命，而且由于重量的减轻提高了安装的便捷度，为操作工人的工作予以方便，缩短施工时间，所以深受桥梁工程施工单位的认可。

4.3 耐久性强，可延长道路桥梁的使用周期

ARPC 材料由于在加工过程中添加了新型材料，所以具有较佳的抗冻融水平，而且耐腐蚀性较好，还具备相当高的抗碳酸化性，可大幅度提高桥梁的耐久性，延长桥梁的使用期限。抑菌活性粉末混凝土可承受超过30MPa 的拉力，所以柔韧性极高，使建筑施工组织设计人员在设计桥梁结构外形时可以着重考虑其它方面，为桥梁外观的改善提供了更多的选择空间。此外，抑菌活性粉末混凝土材料呈现出的耐久性使其能在较多的场景使用，提高了桥梁的环境适应性，建成后的桥梁在各种恶劣条件下仍然不受影响，增强其长期使用的能力，而且由于减少了钢筋的使用，在桥梁维护成本方面的压力也较低，所以采用抑菌活性粉末混凝土建造的桥梁使用周期会大大增加[4]。

4.4 减少钢筋用量，便于后期维护

一般来说，抑菌活性粉末混凝土设计和制作的桥梁，在后期维护时比较方便。与一般混凝土相比，抑菌活性粉末混凝土在加工和制作过程中所使用的水泥与骨料的不多，而且由于其具有比较好的抗压能力和耐腐蚀性，所以减少钢筋等一系列高成本材料的用量，不仅降低桥梁建设成本，还可大幅度降低后期出现的问题，优化人工维护成本，所以经济性较高。在提高桥梁施工进度的同时，减少了非必要材料的使用，降低桥梁对周围环境的危害，大大增加桥梁建设的经济效益与使用价值。

以位于巴卡尔海峡的巴卡尔桥的实际建设情况为例，该桥在设计和施工过程中增加了抑菌活性粉末混凝土。在建设过程中主要考虑跨越巴卡尔海峡，为了实现这个目标，当时负责施工的人员提出的方案是拱高70m，最后建成了跨度超过400m 的抑菌活性粉末混凝土拱桥，桥梁单联共22 跨。巴卡尔桥在建设过程中使用的钢筋量不多，虽然该桥没有纵向加劲助，但由于使用了韧性极高的抑菌活性粉末混凝土，从而使该桥结构得以简化，连接更加简单。抑菌活性粉末混凝土应用于巴卡尔桥中，不仅显著改善了桥梁的使用寿命，而且使桥梁节段之间能够以更加简洁的方式进行连接，桥梁的截面性质以及构件的厚度等各方面参数大大改变，质量得以改善，性能得以优化，使用寿命和使用便捷度大大优化。

5 结语

由于抑菌活性粉末混凝土在加工过程中所采用的原材料、材料配比更加合理，使得ARPC 成为一种新型的道路桥梁材料，不仅能够提高道路桥梁的耐久性和使用寿命，而且降低了桥梁的自重，所以在现代桥梁的设计和建造过程中展现出了较高的应用前景。抑菌活性粉末混凝土的推广与普及，为道路桥梁质量和性能的提升改善发挥出极大的作用，具有极高的经济效益与使用价值。