活性粉末混凝土在高速鐵路聲屏障肋柱中的應(yīng)用

徐永力

【摘 要】使用預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土制作高速鐵路聲屏障肋柱，以代替現(xiàn)有的鋼肋柱；并結(jié)合大西客運(yùn)專線聲屏障肋柱設(shè)計(jì)的要求，進(jìn)行活性粉末混凝土配合比優(yōu)化；完善了聲屏障肋柱用的活性粉末混凝土制備、攪拌、澆筑和養(yǎng)護(hù)等施工工藝。在配合比和工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的預(yù)制件進(jìn)行了強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果表明活性粉末混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度和彈性模量均符合設(shè)計(jì)要求，活性粉末混凝土能夠應(yīng)用于大西線高速鐵路聲屏障工程。

【關(guān)鍵詞】活性粉末混凝土；客運(yùn)專線聲屏障；配合比優(yōu)化；施工工藝

Application of reactive powder concrete in sound barrier ribs of high speed rail

Xu Yong-li

（China Railway Third Bureau Construction and Installation Engineering Co.， Ltd Taiyuan Shanxi 030000）

【Abstract】Combining with the characteristics design requirements of Datong-Xian passenger line sound barrier ribs， Mix proportion is optimized. The construction technology of preparation， mixing， placing and curing of reactive powder concrete （RPC） used in sound barrier structure ribs， and the application of RPC passenger special line sound barrier ribs in engineering were introduced in detail.

【Key words】Reactive powder concrete；Passenger line sound barrier；Mix proportion optimization；Construction technology

1. 緒論

（1）活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡(jiǎn)稱RPC）是由法國(guó)Richard等人在1993年率先研制成功的一種超高強(qiáng)、低脆性、高耐久性的水泥基復(fù)合材料[1～2]。RPC材料還具有減輕結(jié)構(gòu)自重、減少結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋量等優(yōu)越性，因而能在提高綜合性能的前提下降低工程造價(jià)。由于RPC具有強(qiáng)度高、韌性好、耐久性優(yōu)異的特點(diǎn)，雖然問世時(shí)間不長(zhǎng)，但就已經(jīng)在國(guó)外的工程建設(shè)中獲得大量應(yīng)用[3～6]。現(xiàn)有的高鐵人形橫道擋板和蓋板普遍使用活性粉末混凝土[7]，滿足蓋板強(qiáng)度、韌性、美觀和耐久性的同時(shí)，解決了混凝土蓋板反復(fù)翻蓋時(shí)的掉角問題，取得了較好的效果。

（2）聲屏障是位于聲源與受聲點(diǎn)之間的具有足夠面密度的聲遮擋結(jié)構(gòu)。聲屏障的作用是阻擋直達(dá)聲的傳播，隔離透射聲，使繞射聲有足夠的衰減。目前鐵路客運(yùn)專線聲屏障肋柱通常采用H型鋼肋柱或H型鋼盤混凝土立柱。 鋼材在潮濕環(huán)境中易于腐蝕和導(dǎo)電，特別是處于有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中容易銹蝕，必須刷涂料或鍍鋅，而且在使用期間還應(yīng)定期維護(hù) ，使用成本因此也會(huì)隨之增加。本研究針對(duì)大西客運(yùn)專線聲屏障工程，嘗試預(yù)制活性粉末混凝土聲屏障肋柱代替鋼肋柱，研究了活性粉末混凝土聲屏障肋柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、配合比優(yōu)化、施工與養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵技術(shù)，并在實(shí)際工程中成功應(yīng)用。

2. 活性粉末混凝土聲屏障肋柱配合比設(shè)計(jì)

2.1 聲屏障肋柱設(shè)計(jì)的材料要求。

為了滿足客專和高速鐵路聲屏障工程的使用需求，根據(jù)結(jié)構(gòu)和受力情況，并兼顧經(jīng)濟(jì)型考慮，需要設(shè)計(jì)兩個(gè)強(qiáng)度的RPC材料以滿足不同路段活性粉末混凝土聲屏障肋柱的材料需求：（1）RPC1強(qiáng)度要求稍低，抗壓強(qiáng)度≥120MPa，抗折強(qiáng)度≥15MPa，彈性模量≥40GPa，混凝土拆模時(shí)的強(qiáng)度要求大于40MPa。（2）RPC2強(qiáng)度要求較高，抗壓強(qiáng)度≥150MPa，抗折強(qiáng)度≥20MPa，彈性模量≥50GPa，拆模時(shí)的強(qiáng)度要求大于40MPa。兩種RPC材料同時(shí)需滿足抗氯離子滲透性和抗凍性，以保證結(jié)構(gòu)的耐久性。根據(jù)RPC混凝土耐久性能指標(biāo)要求：抗凍等級(jí)大于F500級(jí)，電通量小于40C；混凝土中氯離子含量要求不大于0.06%；以此3項(xiàng)指標(biāo)為基準(zhǔn)，兼顧經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)行活性粉末混凝土的配合比設(shè)計(jì)。

2.2 原材料。

結(jié)合TB10424-2010《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》要求。經(jīng)過試驗(yàn)篩選，確定了配制RPC材料用原材料如下：水泥選用太原市廣廈水泥有限公司生產(chǎn)的P.0 42.5普通硅酸鹽水泥，實(shí)測(cè)28天抗壓強(qiáng)度為51.4MPa。細(xì)骨料（石英砂）選用山西省忻州市金鑫建材公司生產(chǎn)的石英砂，分粗粒徑石英砂（1.0～0.63mm）、中粒徑石英砂（0.63～0.315mm）、細(xì)粒徑石英砂（0.315～0.16mm）及超細(xì)粒徑石英砂（0.16mm以下）四個(gè)粒級(jí)。復(fù)合摻合料選用RPC專用復(fù)合摻合料，SiO2含量大于85%，活性指數(shù)高于120%。外加劑選用RPC專用化學(xué)增強(qiáng)劑，減水率不得低于29%，堿含量不得大于3.5%，含氣量小于2%，符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土外加劑》（GB 8076-2008）、《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB 50119-2013）、《聚羧酸系高性能減水劑》（JG/T 223-2007）的規(guī)定；活性粉末混凝土材料用化學(xué)增強(qiáng)劑，并應(yīng)與所用水泥及復(fù)合摻合料的適應(yīng)性能良好。鋼纖維選用RPC專用鋼纖維，實(shí)測(cè)檢驗(yàn)抗拉強(qiáng)度為3220MPa，直徑為0.21mm，長(zhǎng)度為13.20mm。拌合水為飲用水。

2.3 養(yǎng)護(hù)制度與強(qiáng)度試驗(yàn)方法。

依據(jù)探索試驗(yàn)的研究結(jié)果選取養(yǎng)護(hù)制度，采取自動(dòng)蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)程序：靜停6小時(shí)后緩慢升溫至80℃，恒溫時(shí)間72小時(shí)后緩慢降至室溫。肋柱脫模后灑水養(yǎng)護(hù)3天，保持產(chǎn)品表面的濕潤(rùn)狀態(tài)?；炷亮W(xué)性能試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)試驗(yàn)方法進(jìn)行。根據(jù)14d強(qiáng)度及彈模，優(yōu)選出RPC材料的配合比。

2.4 配合比的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

（1）針對(duì)RPC130的力學(xué)性能和耐久性能要求，共設(shè)計(jì)了11個(gè)配合比，如表1所示。

（2）以混凝土拌合物性能、力學(xué)性能和耐久性能作為確定RPC130配合比的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并考慮到經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行活性粉末混凝土的配合比篩選。根據(jù)混凝土拌合物性能要求，要求拌制出來的RPC混凝土拌合料塌落度不大于180mm，要求拌合物的密度介于2400Kg/m3～2500Kg/m3之間；根據(jù)混凝土力學(xué)性能的要求，對(duì)表1中RPC配合比進(jìn)行綜合的分析和評(píng)價(jià)，選取RPC7作為RPC130最終配合比。針對(duì)這一配合比進(jìn)行力學(xué)性能和耐久性能試驗(yàn)，實(shí)測(cè)RPC130抗壓強(qiáng)度：138.3MPa ，抗折強(qiáng)度：18.1MPa彈性模量：48.7GPa，混凝土30h拆模時(shí)抗壓強(qiáng)度為81.8MPa，抗凍等級(jí)>F500，電通量試驗(yàn)結(jié)果為0C，均滿足力學(xué)性能和耐久性能的相關(guān)要求。

（3）針對(duì)RPC160的力學(xué)性能和耐久性能要求，共設(shè)計(jì)了10個(gè)配合比，如表2所示。

（4）同樣以混凝土拌合物性能、力學(xué)性能和耐久性能作為確定RPC160配合比的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并考慮到經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行活性粉末混凝土的配合比篩選。根據(jù)混凝土拌合物性能要求，要求拌制出來的RPC混凝土拌合料塌落度不大于180mm，要求拌合物的密度介于2400Kg/m3～2500Kg/m3之間；根據(jù)混凝土力學(xué)性能的要求，RPC混凝土抗壓強(qiáng)度不小于160MPa ，RPC抗折強(qiáng)度不小于22MPa，RPC彈性模量不小于50GPa，RPC6、RPC7、RPC9和RPC10四組符合要求。綜合考慮經(jīng)濟(jì)型因素，選取鋼纖維摻量較低的RPC6作為最終配合比。針對(duì)這一配合比進(jìn)行力學(xué)性能和耐久性能試驗(yàn)，實(shí)測(cè)RPC160抗壓強(qiáng)度：178MPa ，抗折強(qiáng)度：23.2MPa彈性模量：51.4GPa，混凝土30h拆模時(shí)抗壓強(qiáng)度為152.8MPa，并且抗凍等級(jí)：>F600，電通量為0C，均滿足相關(guān)的要求。

3. 聲屏障肋柱施工工藝

3.1 攪拌工藝。

現(xiàn)場(chǎng)RPC攪拌工藝：先將石英砂+水泥+摻合料+鋼纖維（包括砂的含水量）投入攪拌機(jī)攪拌干拌240秒鐘后，再將水+減水劑投入攪拌機(jī)攪拌240秒鐘后出罐。肋柱試制時(shí)混凝土每罐測(cè)定混凝土坍落度，坍落度控制在180～200mm范圍內(nèi)。

3.2 張拉工藝。

3.2.1 預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土聲屏障肋柱施工工藝與張拉工藝流程如圖1、圖2所示。

3.2.2 單根鋼筋張拉：采用千斤頂單根張拉到每根鋼絲設(shè)計(jì)張拉力的20% 所對(duì)應(yīng)的油表讀數(shù)或20% 后，再對(duì)逐根張拉到100% 設(shè)計(jì)張拉力，利用錨具錨固鋼絲，采用順序拉＼對(duì)角線拉鋼絲的張拉采取“控制張拉應(yīng)力”和“控制張拉伸長(zhǎng)值”的“雙控”措施。張拉伸長(zhǎng)值測(cè)量起點(diǎn)為初始張拉。

3.2.3 預(yù)應(yīng)力鋼絲采用兩次張拉和工具錨錨固的工藝，張拉程序如下：3.2.3.1 第一次張拉（單根張拉）：（1）0MPa→（2）預(yù)應(yīng)力鋼絲預(yù)緊（0.5MPa，在鋼絲上劃線作為測(cè)量伸長(zhǎng)值的基點(diǎn)）→（3）控制應(yīng)力（單根張拉力的20% ，測(cè)伸長(zhǎng)值）→（4）靜停1分鐘，錨固回油。

3.2.3.2 第二次張拉（單根張拉）：（1）張拉至張拉力的20% （測(cè)量初始伸長(zhǎng)值）→（2）再?gòu)埨?00%張拉力（48.2KN）→（3）靜停1分鐘（測(cè)伸長(zhǎng)值）→（4）錨固回油。

圖1 預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土聲屏障肋柱制作工藝流程圖

圖2 預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土聲屏障肋柱張拉工藝流程圖

3.2.4 第一次單根鋼絲張拉至20% 所對(duì)應(yīng)的油表讀數(shù)后或20% ，靜停1分鐘后，將千斤頂完全回縮，再進(jìn)行第二根鋼絲的張拉，待所有鋼絲都張拉完后，再按相同順序進(jìn)行第二次張拉。

3.2.5 單根鋼絲張拉到0.5MPa或1.3KN后，在鋼絲上劃線作為測(cè)量單根伸長(zhǎng)值的基點(diǎn)，待鋼絲張拉至9.64KN所對(duì)應(yīng)的油表讀數(shù)或9.64KN后，測(cè)量單根張拉端的伸長(zhǎng)值，待測(cè)完所有鋼絲的伸長(zhǎng)值后求的單根張拉的平均伸長(zhǎng)值d；在二次張拉時(shí)測(cè)量初始伸長(zhǎng)值a，待終張拉完成后再測(cè)量二次張拉伸長(zhǎng)值b，用二次張拉伸長(zhǎng)值b減去初始伸長(zhǎng)值a為二次張拉實(shí)際伸長(zhǎng)值并求得平均值c；用一次張拉的伸長(zhǎng)值d加上二次張拉實(shí)際伸長(zhǎng)值c即為張拉總伸長(zhǎng)值。

3.3 澆筑工藝。

采用側(cè)振進(jìn)行混凝土灌筑，沿模具用灰斗進(jìn)行布料，邊布料邊振動(dòng)，振動(dòng)3 min后停止，進(jìn)行邊角補(bǔ)料，再開啟振動(dòng)器振動(dòng)2 min，最后再振動(dòng)30s。最后一次振動(dòng)時(shí)間為30s至120s，以混凝土表面不再冒氣泡、表面泛漿為準(zhǔn)。具體程序是布料+振動(dòng)3min 邊角補(bǔ)料 振動(dòng)2min 振動(dòng)30s至2min。灌注前檢查預(yù)埋角鋼、預(yù)埋螺母是否全部安放準(zhǔn)確和牢固，同時(shí)檢查插銷、定位筋安裝是否正確。下灰時(shí)控制灰斗的移動(dòng)速度以確?；炷恋木鶆虻墓嘧⒌嚼咧＞邇?nèi)。混凝土灌注時(shí)，混凝土灰斗自由灌注高度不得大于2 m，振動(dòng)后混凝土平齊鋼模頂面為準(zhǔn)。

3.4 養(yǎng)護(hù)工藝。

養(yǎng)護(hù)采取自動(dòng)蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，按照既定的養(yǎng)護(hù)程序：靜停6小時(shí)，升溫速度不大于12℃/h，升溫至80℃，恒溫時(shí)間72小時(shí)，降溫速度不大于15℃/h。其中降溫時(shí)間可根據(jù)當(dāng)天廠房氣溫進(jìn)行設(shè)定，如當(dāng)天廠房氣溫20℃，按照產(chǎn)品表面溫度與環(huán)境溫度之差不超過20℃的要求，則降溫時(shí)間至少需要 ，則將自動(dòng)養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的降溫時(shí)間設(shè)置為160min即可。肋柱脫模后灑水養(yǎng)護(hù)3天，保持產(chǎn)品表面的濕潤(rùn)狀態(tài)。

4. 工程應(yīng)用情況

（1）選取大西客專北白跨北同蒲鐵路特大橋作為試驗(yàn)段，布置活性粉末混凝土聲屏障肋柱。該橋橋梁全長(zhǎng)3159.09m，中心里程為DK229+183.55，左右側(cè)39#墩～51#墩（DK228+878.82～DK229+271.46）布置聲屏障。兩側(cè)布置長(zhǎng)度均為392.64m，曲線半徑左線8000m、右線8005m，聲屏障長(zhǎng)度滿足8節(jié)動(dòng)車編組要求，試驗(yàn)速度也滿足350公里/小時(shí)要求。

（2）試驗(yàn)段采用對(duì)比試驗(yàn)的方法，一側(cè)安裝活性粉末混凝土聲屏障肋柱，另一側(cè)安裝原設(shè)計(jì)的插板式金屬聲屏障。

（3）本試驗(yàn)段選用160MPa活性粉末混凝土，養(yǎng)護(hù)4d后放張同時(shí)測(cè)量強(qiáng)度，并在14d時(shí)刻測(cè)量彈性模量和抗壓抗折強(qiáng)度，現(xiàn)場(chǎng)共成型了34批試件，每一批都留了樣品測(cè)試強(qiáng)度和彈性模量，統(tǒng)計(jì)力學(xué)性能最終結(jié)果如表3所示。

（4）可以看到，現(xiàn)場(chǎng)成型的活性粉末混凝土強(qiáng)度和彈性模量均滿足設(shè)計(jì)要求，14d強(qiáng)度平均達(dá)到168.4MPa，彈性模量達(dá)到52GPa，抗折強(qiáng)度23.7MPa，滿足高速鐵路聲屏障肋柱的使用要求。

5. 結(jié)論

（1）針對(duì)高速鐵路聲屏障肋柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了活性粉末混凝土配合比設(shè)計(jì)。通過RPC130和RPC160兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的活性粉末混凝土配合比優(yōu)化，給出了滿足高速鐵路聲屏障肋柱的活性粉末混凝土配合比，其力學(xué)性能和耐久性能均能夠滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

（2）完善了聲屏障肋柱用的活性粉末混凝土制備、攪拌、澆筑和養(yǎng)護(hù)等施工工藝。針對(duì)高速鐵路聲屏障肋柱結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力施工，完善了活性粉末混凝土的攪拌、預(yù)應(yīng)力筋張拉、澆筑和養(yǎng)護(hù)等關(guān)鍵工藝。

（3）選取大西客專北白跨北同蒲鐵路特大橋作為試驗(yàn)段，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的34批試件進(jìn)行了強(qiáng)度測(cè)試。結(jié)果表明，活性粉末混凝土的4d放張強(qiáng)度、14d抗壓抗折強(qiáng)度和和彈性模量均符合設(shè)計(jì)要求?；钚苑勰┗炷脸晒?yīng)用于大西線高速鐵路聲屏障工程。

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