人行道蓋板生態(tài)纖維增強(qiáng)混凝土技術(shù)研究

陳惠蘇，孫 偉，趙國堂，謝大鵬，谷永磊

(1.東南大學(xué)，南京 210000;2.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100038;3.中鐵三局集團(tuán)，太原 030000;4.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

為克服普通混凝土蓋板存在的問題，鐵路部門提出采用活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，簡稱RPC)生產(chǎn)蓋板的要求。采用RPC蓋板，蓋板厚度可由原來 C40混凝土的60 mm減小到25 mm，橋上494 mm×744 mm和494 mm×444 mm兩種蓋板的質(zhì)量可由原來的55 kg和33 kg，減少到23 kg和14 kg，方便運(yùn)輸、安裝和維修;而且一孔常用的32 m簡支箱梁可減少二期恒載75 kN。RPC蓋板抗折強(qiáng)度高達(dá)18 MPa以上，抗壓強(qiáng)度高達(dá)130 MPa以上，不易折斷和磕碰后掉角掉塊。

RPC是超細(xì)粒聚密材料與纖維增強(qiáng)材料經(jīng)高溫?zé)岷系忍囟üに囍苽涞某咝阅芑炷?Ultra-high Performance Conctrete)，其組分包括水泥、石英砂、鋼纖維、特殊摻合料和外加劑。其材料特點(diǎn)是不用粗骨料(碎石)，提高了混凝土的均勻性;摻入活性粉體材料，優(yōu)化粒徑分布，提高了密實(shí)度;摻入鋼纖維，提高抗折性能，增強(qiáng)韌性和阻裂能力;高溫養(yǎng)護(hù)，改善混凝土內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)，從而能顯著提高混凝土強(qiáng)度和使用壽命。

RPC一般分為 RPC200、RPC400和 RPC800三個(gè)級(jí)別。鐵路用蓋板要求的強(qiáng)度等級(jí)不到RPC200級(jí)，采用高溫養(yǎng)護(hù)和纖維增強(qiáng)能夠達(dá)到其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的要求;而其配方中的特殊摻合料目前存在配方保密及對(duì)混凝土工作性能有不利影響的問題，導(dǎo)致RPC蓋板成本較高，質(zhì)量控制難度較大。因此，研究采用普通河砂或尾砂替代石英砂、普通的粉煤灰和硅灰替代特殊摻合料，開發(fā)低成本的生態(tài)型超高性能纖維增強(qiáng)混凝土(ECO-UHPFRC)人行道蓋板具有重要的意義。本文介紹了ECO-UHPFRC(下稱EU)蓋板配合比設(shè)計(jì)、試驗(yàn)研究及工程應(yīng)用情況。

1 EU材料配合比設(shè)計(jì)

1.1 EU材料配制要求

依據(jù)鐵道部對(duì)人行道蓋板的特殊要求，配制的EU材料必須滿足如下要求:

1)基本的力學(xué)性能和耐久性要求［1］

蓋板力學(xué)性能和耐久性要求見表1。

表1 EU材料性能要求

2)工作性要求

由于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)條件的限制，要求EU的坍落度必須滿足(240±20)mm。

3)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性方面的要求

需充分科學(xué)和高效地利用工業(yè)固體廢棄物，以達(dá)到節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境和提高性價(jià)比的目的。

1.2 EU材料配制思路及方案

1.2.1 技術(shù)路線

從單方材料成本來看，價(jià)格最高的是纖維，因此在保證材料性能滿足要求的前提下需要降低纖維的用量。其次是特殊摻合料，雖然配方保密，據(jù)分析，石英粉和硅灰是其主要組分，用普通的粉煤灰替代石英粉，根據(jù)高性能混凝土配制經(jīng)驗(yàn)，適當(dāng)降低硅灰用量，是降低蓋板成本的重要途徑。根據(jù)以往文獻(xiàn)中RPC的配方［2-6］來看，磨細(xì)石英砂是導(dǎo)致 RPC材料成本增加的重要因素之一，因而本研究尋求選擇面廣、量大的天然河砂取代石英砂的可能性;此外，各種采礦業(yè)排除的“廢棄物”尾礦砂壩不僅帶來安全隱患，同時(shí)也給生態(tài)環(huán)境帶來很大的污染負(fù)擔(dān)，如果能夠?qū)⑽采跋眨瑒t不僅解決了安全隱患，而且改善環(huán)境［7］。因此，本研究同時(shí)還尋求采用尾砂制備超高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的可能性。

1.2.2 具體思路及方案

首先，在前期其它相關(guān)超高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域研究成果的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整膠凝材料組分以及選擇合適的原材料，對(duì)配合比做出調(diào)整與改進(jìn)，做出滿足要求的配方。

接著對(duì)滿足要求的配合比進(jìn)行優(yōu)化，具體采取的措施為嘗試其他養(yǎng)護(hù)工藝，調(diào)整硅灰和鋼纖維用量，并同時(shí)研究細(xì)集料對(duì)材料力學(xué)性能的影響，得出了性價(jià)比更高的合理的配合比。

最后，研究了配合比的通用性問題，對(duì)比了不同品種的水泥、硅灰、外加劑以及鋼纖維對(duì)材料力學(xué)性能的影響。

簡單而言，整個(gè)思路和方案如圖1所示。

圖1 配合比設(shè)計(jì)思路

1.3 EU材料配合比試驗(yàn)研究

1.3.1 原材料

水泥:江蘇鎮(zhèn)江聯(lián)合水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5水泥。

粉煤灰:鎮(zhèn)江諫壁電廠生產(chǎn)的I級(jí)粉煤灰，密度為2.53 g/cm3。

硅灰:埃肯公司生產(chǎn)的微硅粉，比表面積22 000 m2/kg，SiO2含量 94.5% 。

集料:江西贛江天然河砂，級(jí)配良好，實(shí)測(cè)表觀密度為2 630 kg/m3，細(xì)度模數(shù) 2.7，含泥量 ＜1%。試驗(yàn)時(shí)按過篩和非過篩兩種方式進(jìn)行使用，過篩砂是將普通河砂用4.75 mm方孔篩過篩，去除篩余;石英砂，粗、細(xì)兩種，粗石英砂最大粒徑1.2 mm，細(xì)度模數(shù)為2.8，細(xì)石英砂最大粒徑 0.6 mm，細(xì)度模數(shù)為 1.8，試驗(yàn)時(shí)石英砂搭配起來使用，比例為60%粗石英砂+40%細(xì)石英砂;尾砂，實(shí)測(cè)表觀密度為2 620 kg/m3。

外加劑:瑞士西卡建筑材料有限公司的 VC3301型高效減水劑，減水率均不低于30%，固含量28%。

鋼纖維:江西贛州大業(yè)金屬有限公司生產(chǎn)的表面鍍銅微細(xì)鋼纖維，直徑0.2 mm，長度13 mm，長徑比為65，抗拉強(qiáng)度3 000 MPa。

1.3.2 河砂配合比的確定

根據(jù)對(duì)EU材料力學(xué)性能的要求，在前期大量試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)選原材料及調(diào)整膠凝材料組分，得到了力學(xué)性能能夠滿足要求的EU配合比U1，水泥、粉煤灰、硅灰、細(xì)集料、外加劑分別為 70%、15% 、15% 、120% 和 3.5% ，水膠比為 0.15，鋼纖維摻量為90 kg/m3，力學(xué)性能見表2。其使用的集料為過篩后的普通河砂，養(yǎng)護(hù)方式為成型后靜停1 d，85℃高溫養(yǎng)護(hù)2 d。

表2 U1配比材料力學(xué)性能

為了實(shí)際生產(chǎn)的便利性及進(jìn)一步降低成本，對(duì)配比U1進(jìn)行了優(yōu)化。主要途徑是優(yōu)化養(yǎng)護(hù)制度，調(diào)整硅灰和鋼纖維摻量，并考察集料種類及制備工藝對(duì)材料力學(xué)性能的影響。同樣，通過一系列試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)、水養(yǎng)的EU材料后期力學(xué)性能均不如蒸汽養(yǎng)護(hù)，因此養(yǎng)護(hù)制度仍以蒸汽養(yǎng)護(hù)為宜。并且在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)纖維摻量為80 kg/m3時(shí)，EU材料的力學(xué)性能仍能滿足要求。表3列出了將U1配比中纖維摻量降至80 kg/m3時(shí)，用不同集料配制的EU材料的力學(xué)性能。

表3 EU材料力學(xué)性能

由表3結(jié)果可知，總體而言，以未篩的普通河砂為集料時(shí)，EU材料的性價(jià)比最高，且力學(xué)性能也很優(yōu)異，均能滿足要求。

因此，按照對(duì)材料力學(xué)性能的要求，最終得到最優(yōu)的EU材料配合比U2，水泥、粉煤灰、硅灰、細(xì)集料、外加劑分別為70%、15%、15%、120%和3.5%，水膠比為0.15，鋼纖維摻量為80 kg/m3，其中使用的集料為未過篩的普通河砂。

配合比U2制備的材料的耐久性測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 U2配比材料耐久性

由此可見，U2配比下EU材料的耐久性符合要求。因此，配合比U2即為符合各項(xiàng)要求的最優(yōu)配比，于是初步?jīng)Q定將這一配合比應(yīng)用于工程實(shí)踐。

1.3.3 尾砂配合比試驗(yàn)

除天然河砂之外，本文還探索了利用尾砂制備EU材料的可能性。用尾砂全部取代河砂，發(fā)現(xiàn)材料流動(dòng)性大幅下降，水膠比需調(diào)高至0.20，最終材料的力學(xué)性能未能達(dá)標(biāo)。U3具體配比:水泥、粉煤灰、硅灰、細(xì)集料、外加劑分別為70%、15%、15%、120%和3.5%，水膠比為0.2，鋼纖維摻量為90 kg/m3，其力學(xué)性能見表5。

表5 U3配比材料力學(xué)性能

在用尾砂全部取代河砂試驗(yàn)結(jié)果不理想的情況下，用尾砂取代部分河砂(30%)。試驗(yàn)采用的配比調(diào)整為U4:水泥、粉煤灰、硅灰、細(xì)集料、外加劑分別為70% 、15% 、15% 、120% 和 3.5% ，水膠比為 0.17，鋼纖維摻量為90 kg/m3，蒸汽養(yǎng)護(hù)后所測(cè)得的力學(xué)性能見表6。

表6 U4配比材料力學(xué)性能

由表6獲知，用尾砂取代部分河砂(30%)后，EU材料的力學(xué)性能能夠滿足要求。但是當(dāng)對(duì)其進(jìn)行耐久性測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，材料的抗氯離子滲透能力相對(duì)而言較低，氯離子滲透量達(dá)到了65.7 C，大大超過規(guī)定的40 C。因此，對(duì)于尾砂在EU材料中的應(yīng)用還需進(jìn)一步探索。

1.3.4 配合比通用性研究

由于在實(shí)際生產(chǎn)過程中，原材料的來源往往并不固定，更換原材料進(jìn)行生產(chǎn)是不可避免的?；诖耍芯苛伺浜媳萓2的通用性問題。分別選取了實(shí)際生產(chǎn)中可能用到的三種水泥，四種硅灰，三種鋼纖維，兩種外加劑進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，采用的配比均為U2。試驗(yàn)結(jié)果見表7～表10。

表7 水泥種類對(duì)EU材料力學(xué)性能的影響

表8 硅灰種類對(duì)EU材料力學(xué)性能的影響

表9 纖維種類對(duì)EU材料力學(xué)性能的影響

表10 外加劑種類對(duì)EU材料力學(xué)性能的影響

從以上結(jié)果可以看出:水泥品種對(duì)材料的力學(xué)性能有較大影響，因此在正式生產(chǎn)前，需要對(duì)水泥的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求后才能使用;硅灰和纖維在給定性能指標(biāo)滿足要求的前提下對(duì)材料的力學(xué)性能影響較小;兩種外加劑的性能均能滿足生產(chǎn)需要。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在原材料性能符合要求的情況下，配合比U2具有一定的通用性。但是為了確保生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，不同的原材料在使用前需要先進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果各項(xiàng)性能達(dá)標(biāo)后方能進(jìn)行大批量生產(chǎn)。

2 工程應(yīng)用

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，調(diào)整了配合比，并確定了EU蓋板的生產(chǎn)工藝，最終生產(chǎn)出了各項(xiàng)性能均能達(dá)標(biāo)的產(chǎn)品。

2.1 生產(chǎn)配合比調(diào)整

由于一些在普通情況下不太敏感的因素，在低水灰比的情況下可能會(huì)變得相當(dāng)敏感，因此，這就要求在整個(gè)生產(chǎn)過程中必須注意各種條件、因素的變化，并且要根據(jù)這些變化調(diào)整配合比和各種工藝參數(shù)。

在實(shí)驗(yàn)室得到符合要求的EU配合比(U2)后，采用該配比在蓋板預(yù)制場(chǎng)進(jìn)行試生產(chǎn)。但是由于實(shí)際生產(chǎn)過程中原材料質(zhì)量波動(dòng)以及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)條件和實(shí)驗(yàn)室條件的差異性，導(dǎo)致了生產(chǎn)過程中材料工作性較差，部分產(chǎn)品性能不達(dá)標(biāo)，因此對(duì)配合比進(jìn)行了調(diào)整(水膠比及粉煤灰摻量)。調(diào)整后的配比 U5為:水泥、粉煤灰、硅灰、細(xì)集料、外加劑分別為 80%、5%、15%、120%和3.5%，水膠比為 0.17，而鋼纖維摻量為100 kg/m3，其采用的原材料為:聯(lián)合 P.II42.5水泥，諫壁粉煤灰，霖源硅灰，贛江中砂，沈陽德維隆纖維，瑞士西卡外加劑。生產(chǎn)的產(chǎn)品性能見表11。

表11 U5配比材料性能

按U5配合比進(jìn)行生產(chǎn)后，材料的工作性及最終的力學(xué)性能均能滿足要求，并對(duì)其耐久性也進(jìn)行了測(cè)試，包括抗氯離子滲透性和抗凍性，同樣也均能滿足要求。

2.2 生產(chǎn)工藝確定

在選定配比后，確定并優(yōu)化生產(chǎn)工藝。

1)攪拌工藝

為了確保鋼纖維充分分散，先將砂和鋼纖維進(jìn)行干拌1 min，加入粉體材料以后，再干拌2 min，而后加入水和外加劑濕拌，濕拌5～6 min，流動(dòng)性即達(dá)到要求，可順利進(jìn)行生產(chǎn)。初定濕拌時(shí)間為5～6 min，具體拌合時(shí)間可視具體情況而定。

2)成型工藝

EU材料的流動(dòng)性好，坍落度可達(dá)到240 mm，拌合物可直接從出料口流出。模具放置在出料口下方，接到料后，模具經(jīng)傳送帶傳送至稱重處稱重，以確保每個(gè)模具內(nèi)裝的混凝土量相同且合適。而后模具又經(jīng)傳送帶傳送至振動(dòng)臺(tái)處振動(dòng)成型。由于拌合物流動(dòng)性很好，振動(dòng)2～3 min即可順利成型(振動(dòng)時(shí)間不宜過長，以防集料沉降)。振動(dòng)過程中操作人員可以用抹刀輔助。抹平后，操作人員將蓋板連同模具一起搬下振動(dòng)臺(tái)，并保證混凝土成型面水平，以防蓋板厚薄不均。成型面上需蓋上竹膠板，以免蓋板干縮開裂。

3)養(yǎng)護(hù)工藝

成型后的蓋板需要經(jīng)過合理的養(yǎng)護(hù)后才能獲得優(yōu)異的性能。研究發(fā)現(xiàn)，初養(yǎng)溫度對(duì)材料的最終強(qiáng)度有一定影響。初養(yǎng)溫度過低，則材料早期強(qiáng)度過低，難以脫模，如初養(yǎng)溫度過高，則早期強(qiáng)度高，雖然可以早些脫模，但這對(duì)材料的后期強(qiáng)度發(fā)展不利，因此確定一個(gè)合適的初養(yǎng)溫度很重要。經(jīng)過多次試驗(yàn)研究確定15℃ ～35℃為最佳初養(yǎng)溫度，養(yǎng)護(hù)20～24 h后可順利拆模，表面光潔如鏡。工作人員脫模時(shí)，需小心謹(jǐn)慎，避免對(duì)蓋板表面造成損傷。高溫養(yǎng)護(hù)溫度按實(shí)驗(yàn)室所用溫度85℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間48 h，生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量均能符合性能要求。

2.3 產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)

1)外觀質(zhì)量檢測(cè)

從圖1可以看出，生產(chǎn)的蓋板在外觀上幾乎不存在缺陷，上表面光滑如鏡，且尺寸偏差極小，均能符合相關(guān)要求。

2)承載力測(cè)試

測(cè)試的蓋板包括兩種型號(hào)(目前現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn))，它們的尺寸大小見表12所示。

圖1 蓋板外觀

表12 兩種蓋板的規(guī)格尺寸

圖2 蓋板加載示意圖

蓋板的靜力加載測(cè)試采用三種加載方式:①四點(diǎn)彎曲試驗(yàn);②三點(diǎn)彎曲試驗(yàn);③集中荷載彎曲試驗(yàn)。加載示意圖和實(shí)物圖見圖2。四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)過程類似于混凝土的抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)，三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)過程類似于水泥膠砂試件的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，集中荷載彎曲試驗(yàn)是在蓋板中心位置施加一個(gè)集中荷載，圓柱體底面直徑為155 mm(底面面積189 cm2，近似于成人單腳掌面積)。

蓋板在橋面進(jìn)行鋪裝時(shí)，邊長494 mm的邊為順橋方向，另外一個(gè)長度邊在鋪裝時(shí)要求兩端各預(yù)留50 mm的安裝尺寸，因此蓋板C1和D1的實(shí)際跨距分別為lC1=744 mm-2×50 mm≈644 mm和 lD1=444 mm-2×50 mm≈344 mm(考慮到幾個(gè)毫米的鋪裝間隙)，試驗(yàn)時(shí)即采用這兩個(gè)跨距進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)采用的加載速率為0.1 MPa/s。蓋板承載力測(cè)試結(jié)果如表13所示。

表13 蓋板承載力測(cè)試結(jié)果

從表13可以看出，兩種蓋板在三點(diǎn)彎曲加載條件下能承受的荷載值均最小。C1型蓋板在四點(diǎn)彎曲時(shí)承受的荷載值最大，而D1型蓋板在集中荷載彎曲時(shí)承受的荷載值最大，這可能與集中荷載加載時(shí)圓柱體底面直徑的相對(duì)大小有關(guān)。由表13可以看出蓋板豎向靜荷載承載能力，已經(jīng)超過《鐵路工程建設(shè)通用參考圖:客運(yùn)專線鐵路常用跨度橋梁附屬設(shè)施》中對(duì)電纜槽蓋板“設(shè)計(jì)豎向靜活荷載”5 kN/m的要求，也超過了《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范(TB10002.1—2005)》中的豎向集中荷載1.5 kN的要求。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

RPC材料一般配合比中，石英粉摻量為200 kg，石英砂摻量為1 300 kg。按U5配合比，粉煤灰替代石英粉，石英砂用河砂替代，按粉煤灰300元/t、200目石英粉800元/t、石英砂300元/t、河砂95元/t計(jì)，生產(chǎn) EU材料單方成本減少366元。新建鐵路全線蓋板按25 mm厚度計(jì)，需混凝土材料7.28萬 m3左右，采用 EU材料，可節(jié)省2 600多萬元。并且EU材料的工作性能極佳，生產(chǎn)過程極其方便，無形中又降低了人工、機(jī)械、電能的消耗。因此，與RPC相比，用EU材料制備人行道蓋板具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論及建議

本文選擇以河砂或尾砂替代石英砂、粉煤灰替代石英粉配制鐵路人行道和電纜槽蓋板的技術(shù)路線，通過試驗(yàn)提出了滿足高速鐵路人行道和電纜槽蓋板技術(shù)條件要求的配合比，并對(duì)原材料選擇提出了建議。通過試生產(chǎn)，證明采用EU材料制備蓋板是可行的，拌合物工作性能好，蓋板技術(shù)性能滿足要求，外觀漂亮。與RPC蓋板相比，可節(jié)省成本。因此，EU材料具有推廣應(yīng)用前景。

為提高材料的環(huán)境效益，以尾砂替代石英砂配制的EU材料的力學(xué)性能均能滿足要求，但抗氯離子滲透性較差，需要進(jìn)一步深化研究。

蓋板作為附屬構(gòu)件，輕量化的方向是正確的。隨著鐵路大規(guī)模建設(shè)，深化強(qiáng)本簡末的建設(shè)理念十分必要。建議在蓋板生產(chǎn)中采取科學(xué)實(shí)用的技術(shù)路線，以滿足技術(shù)指標(biāo)為前提，以節(jié)省投資為目標(biāo)，深化材料和施工研究。根據(jù)本文研究成果，建議推廣應(yīng)用EU材料生產(chǎn)高速鐵路人行道和電纜槽蓋板。

［1］中華人民共和國鐵道部.科技基［2006］129 客運(yùn)專線活性粉末混凝土(RPC)材料人行道擋板、蓋板暫行技術(shù)［S］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［2］RICHARD P，CHEYREZY M.Composition of Reactive Powder Concrete［J］.Cement and Concrete Research，1995，25(7):1501-1511.

［3］GUERRINI G L.Applications of High-Performance Fiber-Reinforced Cement-Based Composites［J］.Applied Composite Materials，2005，7(2/3):195-207.

［4］JI，W Y，AN M Z，YAN，G P，et al.Study on Reactive Powder Concrete Used in the Sidewalk System of the Qinhai-Tibet Railway Bridge［C］∥ Proceedingsofthe InternationalWorkshop on Sustainable Development and Concrete Technology.Iowa:Iowa State University，2004:333-338.

［5］TANAKA Y，MUSYA H，OOTAKE A.Design and Construction of Sakata-Mirai Footbridge Using Reactive Powder Concrete［C］//Proceedings of the 1st FIB Congress.Osaka，Japan:2002:417-424.

［6］FEHLING E，SCHMIDT M，STüRWARD S.Proceedings of the Second InternationalSymposium on Ultra High Performance Concrete［C］//Kassel:Kassel University Press，2008.

［7］李志義，李化建，謝永江，等.尾砂 CFG樁在京滬高速鐵路中的應(yīng)用研究［J］.鐵道建筑，2009(7):106-108.