我國第三代混凝土進入產(chǎn)業(yè)化新階段

  歷時15年，從理論基礎到工程實踐，投資近1億元，湖南大學和湖南明湘科技發(fā)展有限公司（下稱“明湘科技”）終于實現(xiàn)超高性能混凝土的產(chǎn)業(yè)化應用。

  1月8日，世界首座全預制拼裝超高性能混凝土橋梁（該橋位于長沙市開福區(qū)橫四路，以下簡稱“橫四路橋”）正式建成通車。

  “這座橋的竣工，在我國超高性能混凝土工程應用領域是一個飛躍。”中國工程院院士陳政清如此評價。

  從上世紀90年代國外將這種高性能材料首次應用于核電站工程，到如今在中國漸漸走入民用市場，超高性能混凝土正一步步摘下神秘面紗，或將迎來產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的引爆點。這一“橫空出世”的新材料具備哪些新潛質？其產(chǎn)業(yè)發(fā)展又面臨什么瓶頸？

  抗壓強度媲美航空母艦甲板

  1月8日，在濕冷的湘江之濱，中國工程院院士聶建國、陳政清，中國混凝土和水泥制品協(xié)會秘書長曾慶東等我國結構工程與建筑材料領域的專家，在寒風中見證第三代混凝土投入應用。

  這貌似普通的混凝土為何贏得諸多“大佬”的關注？

  “從性能來講，混凝土的發(fā)展可以說經(jīng)過了普通混凝土、高性能混凝土和超高性能混凝土這三個階段?！焙洗髮W土木工程學院教授方志介紹，超高性能混凝土有諸多獨一無二的特性，通俗來說，這是全球最結實、最強韌的一種混凝土。

  “湖南大學從2000年開始研究超高性能混凝土，是國內研究最早的團隊之一。橫四路橋是第一次工程示范項目。”方志告訴《中國經(jīng)濟周刊》。

  《中國經(jīng)濟周刊》記者在現(xiàn)場了解，全長74米的橫四路橋原設計的普通混凝土橋梁方案有7個橋墩，主跨為16米、高跨比為1/12；采用超高性能混凝土后，橋墩減少到了兩個，主跨增加到36.8米，路面沒有橋墩。

  同時，因橋梁上部結構重量減輕了近三分之一，“小蠻腰”造型的橋墩最纖細處僅僅60厘米，贏得聶建國院士點贊：“這是我國材料研究與工程結構研究相結合的一個典范。”

  抗壓強度高是超高性能混凝土最突出的一個特點?！拔覀円呀?jīng)研發(fā)出抗壓強度達400兆帕的超高性能混凝土材料。400兆帕是什么概念呢？一般房屋墻體的混凝土強度在30兆帕左右，高層建筑所用混凝土的強度大約是50～60兆帕，航空母艦甲板用的鋼板抗壓強度也只有300～350兆帕?！背咝阅芑炷羶身棁野l(fā)明專利獲得者——明湘科技董事長吳羅明介紹。

  據(jù)了解，在超高性能混凝土中，石頭和河砂已銷聲匿跡，其骨料最大粒徑不超過1毫米。高密實度，也保證了其極強的防滲漏性能，保證了其耐久性。吳羅明說，超高性能混凝土的氯離子滲透性是高強混凝土的1/25。這也就意味著，在強腐蝕性氯離子橫行霸道的海水中，如果使用超高性能混凝土作為船舶、艦艇的船體材料，相當于穿上防腐鎧甲。

  事實上，因其防滲漏性能強，超高性能混凝土于20世紀90年代在法國問世之初就是用于制作核反應堆廢料存儲容器。

  價格高、標準缺失——大規(guī)模推廣仍需打破瓶頸

  有別于普通混凝土，因其材料的特殊性，超高性能混凝土不能在現(xiàn)場澆筑，而是采用工廠預制的方式。聶建國院士指出，其應用屬于建筑工業(yè)化的一個分支。

  吳羅明對《中國經(jīng)濟周刊》記者稱，橫四路橋從主梁到橋墩，整座橋全部在工廠預制完成，現(xiàn)場安裝就像搭積木一樣簡單，“整個拼裝過程只花了10個小時，沒有粉塵，噪音也不大”。

  建筑工業(yè)化正是湖南省著力培育的新興經(jīng)濟增長點。據(jù)新華社報道，湖南省住建廳要求，凡是政府投資建設的項目必須采取工業(yè)化建造，市場投資的項目則通過稅收、財政補貼等獎勵政策進行引導。

  1月8日，湖南省住建廳副廳長姚英杰在參加橫四路橋通車儀式時亦表示，希望超高性能混凝土快速發(fā)展，成為湖南建筑工業(yè)化的一支新力量。

  聶建國院士指出，超高性能混凝土的適應面很寬，將來可拓展到防護工程、地下工程，“尤其是下水井蓋、地下管網(wǎng)，用鑄鋼材料容易被盜，混凝土材料就沒這種問題?！?

  盡管如此，聶建國院士指出，大規(guī)模推廣超高性能混凝土仍然面臨不少障礙。

  “任何一種全新的材料從研究到應用都有一段很長的路要走。從2000年開始，我們從基礎理論開始，研究材料，研究工程結構，每個環(huán)節(jié)都需要大量的試驗數(shù)據(jù)做支撐，是一個系統(tǒng)工程?！焙洗髮W土木工程學院教授黃政宇表示。

  在方志看來，標準的缺失是制約超高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化的最大瓶頸。目前，在超高性能混凝土領域，相關的設計規(guī)范規(guī)程、檢驗評定標準等都是一片空白?！皼]有標準，怎么評定，怎么驗收？”

  在此背景下，橫四路橋采用超高性能混凝土，得益于其納入了湖南省住建廳省級市政公用科技示范工程創(chuàng)建計劃項目?！斑@個計劃就是支持產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，鼓勵先行先試?！焙鲜∽〗◤d科技處處長朱浩表示。

  法國最早于1993年研發(fā)出超高性能混凝土，1997年在加拿大魁北克省第一次使用該材料建成一座橋梁，但也遲至2011年方才推出相關規(guī)范文件。陳政清院士認為，我國必須加快相關行業(yè)規(guī)范與標準的起草與制定，以促進超高性能混凝土材料的推廣應用。

  此外，超高性能混凝土造價高也是制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。方志表示，超高性能混凝土對原材料的要求很高，比如說用于增強韌性的鋼纖維，采購的是輪胎用的鋼纖維，售價曾經(jīng)高達5萬元每噸，如今仍需7000元每噸。吳羅明則告訴《中國經(jīng)濟周刊》，國內現(xiàn)在已經(jīng)完全可以滿足超高性能混凝土的原料需求，也降低了成本。目前，雖然施工造價仍比普通混凝土貴，但已接近預應力混凝土的價格水平。

  聶建國院士指出，有效的技術都是簡單的，規(guī)?；a(chǎn)之后，超高性能混凝土的工程造價更低，結構設計更簡單，“如果農(nóng)民工也能用超高性能混凝土做出很好的結構，就能很快獲得推廣。”

  超高性能混凝土

  給建筑材料業(yè)帶來革命性變化

湖南明湘科技發(fā)展有限公司董事長 吳羅明

  在建筑材料領域，近十幾年都沒有誕生一項重大的新材料，超高性能混凝土可能帶來革命性的變化。

  超高性能混凝土結合了超細粒致密材料設計理論與纖維增強技術，是由超細活性粉末、水泥、優(yōu)質細骨料、高強度纖維等組分，通過最優(yōu)化級配設計，經(jīng)高溫熱合等特定工藝制備而成的復合材料，具有超高強度、高韌性、高耐久性和高體積穩(wěn)定性等特點。

  明湘科技與湖南大學合作研發(fā)后，迅速從材料研究推進到工程實踐。目前，公司生產(chǎn)的超高性能混凝土構件已經(jīng)用于長沙地鐵工程、矮寨大橋與市政工程。從實際數(shù)據(jù)來看，各項性能大幅超過原有混凝土，尤其是考慮其高耐久性，在整個產(chǎn)品使用壽命周期內幾乎沒有維修費用，使用成本和維護工作量大幅度降低，預計超高性能混凝土構件的使用總成本將遠遠低于普通混凝土構件，顯示出優(yōu)異的性價比。

  在國家大力建設生態(tài)文明，削減水泥、鋼鐵等落后產(chǎn)能的趨勢下，如果大范圍推廣超高性能混凝土，可直接減少材料消耗，這對于保護資源、降低污染有著重要實際意義。

  近年來，隨著我們對材料特性的認識不斷深入，超高性能混凝土逐步量產(chǎn)，其工程造價還在逐步降低，應用領域已拓寬至大型橋梁、高層建筑、地下綜合管廊、國防設施等多個領域。我們相信，2016年將是超高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的元年，將吸引更多的資本進入，在未來三至五年內，有望逐漸建立一條完整的超高性能混凝土研發(fā)、生產(chǎn)、應用的全產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)爆發(fā)式增長。

  專家點評

  中國工程院院士聶建國：超高性能混凝土具有廣闊的應用前景

  目前，超高性能混凝土已成為國際工程材料領域一個新的研究熱點，主要集中在歐洲、北美和亞洲的日本、韓國和中國。國內的相關研究雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，與國際先進水平間的差距并不明顯，但工程應用差距較大。

  作為一類新型混凝土，超高性能混凝土不僅可獲得超高抗壓強度，而且具有30～60兆帕的抗折強度，有效克服了普通混凝土的高脆性，其優(yōu)異的性能能夠滿足土木、石油、海洋等工程及軍事設施對強度、耐久性、穩(wěn)定性的高要求，具有廣闊的應用前景。

  橫四路橋的規(guī)模不大，但技術含量很高，新材料研究與結構設計相結合，對城市橋梁建設起到了很好的示范作用。今后，應該賦予超高性能混凝土新的內涵，包括新的性能的進一步提高，為我國高強度混凝土領域帶來更大的進步。