鐵路32 m跨度RPC簡支T梁預制工藝探討

張劭明,李小和

(1.中鐵豐橋橋梁有限公司,北京 100070；2.中鐵六局集團有限公司,北京 100036)

1 概述

我國鐵路T梁一直采用定型設計產品,每個跨度的梁外形尺寸是確定的。為適應特殊線路工況并滿足橋下凈空要求,20世紀90年代初曾設計使用過低高度簡支T梁,但由于當時過分關注產品的經濟性,對結構剛度儲備考慮欠足,在應用中有過波折,后因多種原因在20世紀90年代末不用了。

經過多年的設計經驗和工程實踐的積累,根據我國鐵路列車行車速度的進一步提高的要求,目前正在使用的標準圖有《時速160 km客貨共線鐵路預制后張法簡支T梁》(通橋(2005)2101)和《時速200 km客貨共線鐵路T形梁》(通橋(2005)2201),跨度有32、24、20、16、12 m 5種,梁體混凝土強度等級為C55。

近年來,隨著我國國民經濟的快速發展,鐵路、公路和城市道路、房屋建筑等基礎設施建設迅速,特別是在新一輪鐵路建設高潮中,各種建筑物的交叉越來越多,相互影響和制約的矛盾逐漸突出,對鐵路橋梁梁下凈空及線路高程的限制越來越苛刻。如果能在特殊情況下適當降低梁體的結構高度,非常有利于解決既有建筑物對新建鐵路制約的難題,同時,在保證橋下凈空的前提下降低線路高程,能大量減少橋梁兩側的工程數量,降低工程造價。因此,低高度預應力混凝土簡支梁有工程需求。

RPC(活性粉末混凝土)具有超高強度、高彈模、高耐久性、高延性等特點,可以從材料上解決低高度橋梁的應用問題。2008年,中鐵六局承擔了薊港鐵路北塘西至東大沽擴能改造工程,該工程設計采用RPC單線簡支T梁計19孔,其中32 m梁14孔,24 m梁5孔。此前,國內僅有過少量預制跨度20 m RPC簡支T梁的工程實例,大跨度的32 m、24 m梁生產制造尚無先例。

2 國內外RPC混凝土的發展簡介

RPC(Reactive Powder Concrete)是活性粉末混凝土的簡稱,是繼高強、高性能混凝土之后,在20世紀90年代中期通過采用常規的水泥等材料開發出的超高強度、高耐久性、高韌性和體積穩定性良好的水泥基復合材料。它的基本配制原理是：通過提高組分的細度與活性,使材料內部的缺陷(孔隙與微裂縫)減小到最少,獲得超高強度與耐久性。原材料中活性組分由水泥、礦粉、細石英砂等構成。該材料已成為國際建筑工程領域的研究熱點。

1993年,法國的BOUYGUES公司成功研制出了RPC,并與美國陸軍工程師團合作生產出RPC制品,后來加拿大、韓國、美國和澳大利亞等國家在橋梁工程上均有應用。RPC的抗壓強度可超過200 MPa、抗折強度達50 MPa、斷裂能可達40 kJ/m2、彈性模量大于4.6×104MPa。

我國有關RPC研究主要在幾所高校,在橋梁附屬和主體結構中均有應用。如青藏鐵路的部分人行道板、客運專線的管溝蓋板。在橋梁主體結構方面,遷曹鐵路試用了跨度20 m的活性粉末混凝土(RPC)預應力簡支T梁。

3 RPC簡支T梁的特點和制造難點

3.1 RPC與普通混凝土組分有較大的差異

本工程RPC梁采用的原材料如下。

(1)骨料。骨料采用三級配特制石英砂。

(2)專用混合料。目前RPC梁尚處于研制階段,專用混合料由RPC梁的科研單位配制。

(3)高強度鋼絲纖維。直徑0.18～0.25 mm,長度12～14 mm,長徑比不得小于40,抗拉強度不得低于2 860 MPa,彈性模量不得低于1.9 GPa,其余性能應滿足《鋼纖維混凝土》(JG/3064—1999)要求。鋼纖維攪拌均勻有很大的難度,如何使拌和物均勻,鋼纖維不結團是混凝土拌和需要解決的難點。

由于原材料組分的變化,對混凝土原材料質量控制、配合比試配,以及RPC拌和、澆筑、養護等,都提出新的高要求,存在新的難度。專用摻和料為袋裝且比重小,高強度鋼纖維比重大,造成攪拌站上料困難,對攪拌站如何進行改造,保證上料并稱量準確,也是本課題重點解決的問題之一。

3.2 力學性能與普通混凝土相比差異較大

RPC梁設計抗壓、抗拉強度都遠高于普通混凝土,彈性模量相差不大,主要性能指標如下：極限抗壓強度≥120 MPa；極限抗拉強度≥14 MPa；彈性模量≥43.8 GPa。

通過試驗研究,制定合理的工藝控制措施,既能使RPC梁滿足力學性能要求,又能使RPC梁具有良好的工作性能,保證預制質量,是我們應該達到的目標。

3.3 截面特征有差異

針對薊港鐵路專門設計的道砟橋面預應力RPC簡支T梁,與該線普遍采用的通用簡支T梁相比,梁高減小700 mm,下翼緣(底板)加寬180 mm,梁重略有減輕。詳見表1和圖1、圖2。

表1 RPC簡支T梁與通橋簡支T梁、主要技術參數

圖1 32 m RPC簡支T梁截面(單位：mm)

圖2 32 m 2101簡支T梁截面(單位：mm)

由于32 m跨度RPC梁首次試制,采用的原材料與普通混凝土有很大的差異,無論從原材料、工裝設備、拌制、澆筑、養護都是全新的課題,需要認真研究。另外,為方便抹面以及保護橋面防水層,RPC梁頂面20 mm厚設計采用細石混凝土,澆筑時橋面的厚度控制也有一定難度。如何保證上層混凝土厚度均勻、界面平整、混凝土數量精準以及兩層混凝土的有效銜接,也是需要解決的問題之一。

4 RPC簡支T梁預制工藝要點

4.1 配合比的選定

本梁體RPC設計抗壓強度為120 MPa,彈性模量設計值43.8 GPa。根據設計要求和研究單位的成果,結合澆筑工藝要求的(160±20)mm坍落度,原材料選擇如下。

(1)水泥采用品質穩定、強度等級42.5級、符合國家標準的低堿普通硅酸鹽水泥。

(2)骨料為半透明、白色的高品質石英砂,SiO2含量大于98%,泥土含量不應大于0.5%,骨料采用三級配,其余技術指標符合《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》(JGJ52—2006)要求。

(3)外加劑選用RPC增強劑,并與所用水泥及復合摻和料具有良好的適應性能。

(4)高強度鋼纖維直徑0.18～0.22 mm,長度12～14 mm,強度大于2 860 MPa,其他性能指標滿足《鋼纖維混凝土》(JG/T3064)的要求。

(5)科研單位針對RPC專門配置的專用摻和料,這種摻和料的SiO2含量大于85%,流動度比90%以上。

材料選定后,根據科研單位提供的建議配合比,在試驗室進行試配攪拌,對各齡期強度、彈性模量等力學性能和耐久性指標進行了試驗,后又進行了模擬梁體的工藝試驗,確定了拌和工藝及施工配合比。

4.2 工藝裝備的配置

RPC的強度及彈性模量高,梁體高度又低(24 m跨RPC梁高僅1.3 m),需要重新配置鋼模,其設計制造既要能保證梁體各部尺寸,又要方便安裝與拆卸。

4.3 拌和設備改造

由于計量精度比預制T梁要求高,拌和時間長,現有拌和站不能滿足摻和料和鋼纖維上料的要求,需對拌和站進行改造,以保證稱量準確、上料連續、攪拌均勻。

(1)針對石英砂干燥、容易從縫隙中漏出的問題,對原來的儲料倉倉門進行了密封處理,更換了閘板閥,保證了石英砂計量的準確性。

(2)針對專用混合料的懸浮狀,設置了專門的上料和計量平臺,將傳送帶出料口和中途缸進行密封處理,減少其沿程損失,并有效避免揚塵。

(3)針對鋼纖維進料和計量困難,設置了專門的進料平臺和振動裝置,在保證鋼纖維進料順暢的同時,可使其由交織狀變為分散狀,減少鋼纖維在攪拌過程中的結團現象。

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生產廠家無法提供散裝摻和料,由于摻和料密度小、質量輕,為減少摻和料在輸送、傾倒過程中質量損失,對平皮帶、斜皮帶以及平臺出料口進行了封閉處理。

(4)針對單方配比中減水劑用量大,增大了劑秤容量,盡量減少攪拌過程中二次配料或多次配料的不利影響。

(5)攪拌機采用強制式臥軸攪拌機,原材料計量采用電子計量系統,總攪拌時間不得短于7 min。

4.4 RPC梁段模擬工藝試驗

鑒于RPC的特殊性及可供參考的工程實例極少,為檢驗RPC的工作性能及工藝裝備的改造是否能滿足生產需要,保證RPC梁預制質量,進行了3次拌和、澆筑模擬工藝試驗。

第一次試驗利用現有工裝和混凝土拌和設備,模板采用高度相近的通橋(2005)2101跨度20 m簡支T梁的模板,配筋也參照通橋(2005)2101跨度20 m梁,模擬RPC梁中間4 m梁段尺寸進行試驗。

第二次試驗使用專門制作的RPC 32 m梁模板,鋼筋也按照RPC 32 m梁設置,安裝了管道橡膠抽拔管,選擇中間4 m梁段腹板以下進行試驗。針對第一次試驗顯現的問題,調整了配合比、工裝和施工工藝。試驗結果顯示整體狀況有所改善,外觀明顯好于第一次試驗,試件強度和彈性模量有所提高。

4.5 RPC的澆筑

由于RPC混凝土中含有鋼纖維,使得澆筑困難加大,如何控制下料位置、速度及厚度,是保證梁體澆筑質量的關鍵工藝。

采用連續、一次成型的澆筑工藝,下料要均勻,每層澆筑厚度不得超過20 cm。由于RPC混凝土所需攪拌時間長,表面硬化快,所以要嚴格控制澆筑時間和運輸距離。

混凝土振搗以附著式振搗器為主、插入式振搗器為輔,由于RPC比普通的高性能混凝土黏稠,應增設附著式振動器數量,加強振搗。

4.6 養護

RPC梁的養護比較特殊,主要有以下2點。

(1)采用2次蒸養法。即靜停,第一次升溫、恒溫、降溫養護,拆模；第2次升溫、恒溫、降溫養護的養護方式。

(2)要求養護棚內溫度升溫至70℃以上,這與普通梁的養護有較大的差異,因此要研究制定RPC梁的養護制度。

經過1年多的試驗、試生產及正式生產,已形成一套比較成熟的RPC梁生產工藝,為今后大批量的生產RPC梁打下了堅實的基礎。

5 結語

(1)通過鐵路32 m跨度RPC簡支T梁預制的試驗,選定了施工配合比和拌和、澆筑工藝,掌握了養護技術,積累了大跨度RPC簡支T梁的預制經驗,可供類似工程借鑒。

(2)鐵路特別是客運專線對橋梁的剛度要求很高,RPC梁雖然比普通混凝土梁成本高,工藝尚欠成熟,但相對于鋼結構,其豎向剛度有一定優勢,深入開展RPC及其在橋梁結構中的應用研究,具有現實意義。

(3)作為特種水泥基材料,要推廣用于大體積結構,如何降低成本提高其經濟性是應考慮的問題。

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