人行道蓋板生態纖維增強混凝土技術研究

陳惠蘇，孫 偉，趙國堂，謝大鵬，谷永磊

(1.東南大學，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，太原 030000;4.北京交通大學 土木建筑工程學院，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兩種蓋板的質量可由原來的55 kg和33 kg，減少到23 kg和14 kg，方便運輸、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蓋板抗折強度高達18 MPa以上，抗壓強度高達130 MPa以上，不易折斷和磕碰后掉角掉塊。

RPC是超細粒聚密材料與纖維增強材料經高溫熱合等特定工藝制備的超高性能混凝土(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，優化粒徑分布，提高了密實度;摻入鋼纖維，提高抗折性能，增強韌性和阻裂能力;高溫養護，改善混凝土內部晶體結構，從而能顯著提高混凝土強度和使用壽命。

RPC一般分為 RPC200、RPC400和 RPC800三個級別。鐵路用蓋板要求的強度等級不到RPC200級，采用高溫養護和纖維增強能夠達到其抗壓強度和抗折強度的要求;而其配方中的特殊摻合料目前存在配方保密及對混凝土工作性能有不利影響的問題，導致RPC蓋板成本較高，質量控制難度較大。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，開發低成本的生態型超高性能纖維增強混凝土(ECO-UHPFRC)人行道蓋板具有重要的意義。本文介紹了ECO-UHPFRC(下稱EU)蓋板配合比設計、試驗研究及工程應用情況。

1 EU材料配合比設計

1.1 EU材料配制要求

依據鐵道部對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)基本的力學性能和耐久性要求［1］

蓋板力學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

由于現場生產條件的限制，要求EU的坍落度必須滿足(240±20)mm。

3)環境和經濟性方面的要求

需充分科學和高效地利用工業固體廢棄物，以達到節能減排、保護環境和提高性價比的目的。

1.2 EU材料配制思路及方案

1.2.1 技術路線

從單方材料成本來看，價格最高的是纖維，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，根據高性能混凝土配制經驗，適當降低硅灰用量，是降低蓋板成本的重要途徑。根據以往文獻中RPC的配方［2-6］來看，磨細石英砂是導致 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，各種采礦業排除的“廢棄物”尾礦砂壩不僅帶來安全隱患，同時也給生態環境帶來很大的污染負擔，如果能夠將尾砂消化吸收，則不僅解決了安全隱患，而且改善環境［7］。因此，本研究同時還尋求采用尾砂制備超高性能纖維增強水泥基復合材料的可能性。

1.2.2 具體思路及方案

首先，在前期其它相關超高性能纖維增強水泥基復合材料應用領域研究成果的基礎上，通過調整膠凝材料組分以及選擇合適的原材料，對配合比做出調整與改進，做出滿足要求的配方。

接著對滿足要求的配合比進行優化，具體采取的措施為嘗試其他養護工藝，調整硅灰和鋼纖維用量，并同時研究細集料對材料力學性能的影響，得出了性價比更高的合理的配合比。

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

簡單而言，整個思路和方案如圖1所示。

圖1 配合比設計思路

1.3 EU材料配合比試驗研究

1.3.1 原材料

水泥:江蘇鎮江聯合水泥有限公司生產的P.O42.5水泥。

粉煤灰:鎮江諫壁電廠生產的I級粉煤灰，密度為2.53 g/cm3。

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

集料:江西贛江天然河砂，級配良好，實測表觀密度為2 630 kg/m3，細度模數 2.7，含泥量 ＜1%。試驗時按過篩和非過篩兩種方式進行使用，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、細兩種，粗石英砂最大粒徑1.2 mm，細度模數為2.8，細石英砂最大粒徑 0.6 mm，細度模數為 1.8，試驗時石英砂搭配起來使用，比例為60%粗石英砂+40%細石英砂;尾砂，實測表觀密度為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:江西贛州大業金屬有限公司生產的表面鍍銅微細鋼纖維，直徑0.2 mm，長度13 mm，長徑比為65，抗拉強度3 000 MPa。

1.3.2 河砂配合比的確定

根據對EU材料力學性能的要求，在前期大量試驗結果的基礎上，通過優選原材料及調整膠凝材料組分，得到了力學性能能夠滿足要求的EU配合比U1，水泥、粉煤灰、硅灰、細集料、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，力學性能見表2。其使用的集料為過篩后的普通河砂，養護方式為成型后靜停1 d，85℃高溫養護2 d。

表2 U1配比材料力學性能

為了實際生產的便利性及進一步降低成本，對配比U1進行了優化。主要途徑是優化養護制度，調整硅灰和鋼纖維摻量，并考察集料種類及制備工藝對材料力學性能的影響。同樣，通過一系列試驗后發現，標準養護、自然養護、水養的EU材料后期力學性能均不如蒸汽養護，因此養護制度仍以蒸汽養護為宜。并且在試驗中發現，當纖維摻量為80 kg/m3時，EU材料的力學性能仍能滿足要求。表3列出了將U1配比中纖維摻量降至80 kg/m3時，用不同集料配制的EU材料的力學性能。

表3 EU材料力學性能

由表3結果可知，總體而言，以未篩的普通河砂為集料時，EU材料的性價比最高，且力學性能也很優異，均能滿足要求。

因此，按照對材料力學性能的要求，最終得到最優的EU材料配合比U2，水泥、粉煤灰、硅灰、細集料、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試結果見表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即為符合各項要求的最優配比，于是初步決定將這一配合比應用于工程實踐。

1.3.3 尾砂配合比試驗

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，發現材料流動性大幅下降，水膠比需調高至0.20，最終材料的力學性能未能達標。U3具體配比:水泥、粉煤灰、硅灰、細集料、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，其力學性能見表5。

表5 U3配比材料力學性能

在用尾砂全部取代河砂試驗結果不理想的情況下，用尾砂取代部分河砂(30%)。試驗采用的配比調整為U4:水泥、粉煤灰、硅灰、細集料、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，蒸汽養護后所測得的力學性能見表6。

表6 U4配比材料力學性能

由表6獲知，用尾砂取代部分河砂(30%)后，EU材料的力學性能能夠滿足要求。但是當對其進行耐久性測試時發現，材料的抗氯離子滲透能力相對而言較低，氯離子滲透量達到了65.7 C，大大超過規定的40 C。因此，對于尾砂在EU材料中的應用還需進一步探索。

1.3.4 配合比通用性研究

由于在實際生產過程中，原材料的來源往往并不固定，更換原材料進行生產是不可避免的。基于此，研究了配合比U2的通用性問題。分別選取了實際生產中可能用到的三種水泥，四種硅灰，三種鋼纖維，兩種外加劑進行對比試驗，采用的配比均為U2。試驗結果見表7～表10。

表7 水泥種類對EU材料力學性能的影響

表8 硅灰種類對EU材料力學性能的影響

表9 纖維種類對EU材料力學性能的影響

表10 外加劑種類對EU材料力學性能的影響

從以上結果可以看出:水泥品種對材料的力學性能有較大影響，因此在正式生產前，需要對水泥的各項指標進行嚴格檢測，測試結果符合相關標準要求后才能使用;硅灰和纖維在給定性能指標滿足要求的前提下對材料的力學性能影響較小;兩種外加劑的性能均能滿足生產需要。

從試驗結果可以看出，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。但是為了確保生產出合格的產品，不同的原材料在使用前需要先進行試驗，試驗結果各項性能達標后方能進行大批量生產。

2 工程應用

根據實際生產情況，調整了配合比，并確定了EU蓋板的生產工藝，最終生產出了各項性能均能達標的產品。

2.1 生產配合比調整

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變得相當敏感，因此，這就要求在整個生產過程中必須注意各種條件、因素的變化，并且要根據這些變化調整配合比和各種工藝參數。

在實驗室得到符合要求的EU配合比(U2)后，采用該配比在蓋板預制場進行試生產。但是由于實際生產過程中原材料質量波動以及現場生產條件和實驗室條件的差異性，導致了生產過程中材料工作性較差，部分產品性能不達標，因此對配合比進行了調整(水膠比及粉煤灰摻量)。調整后的配比 U5為:水泥、粉煤灰、硅灰、細集料、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。生產的產品性能見表11。

表11 U5配比材料性能

按U5配合比進行生產后，材料的工作性及最終的力學性能均能滿足要求，并對其耐久性也進行了測試，包括抗氯離子滲透性和抗凍性，同樣也均能滿足要求。

2.2 生產工藝確定

在選定配比后，確定并優化生產工藝。

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，流動性即達到要求，可順利進行生產。初定濕拌時間為5～6 min，具體拌合時間可視具體情況而定。

2)成型工藝

EU材料的流動性好，坍落度可達到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，模具經傳送帶傳送至稱重處稱重，以確保每個模具內裝的混凝土量相同且合適。而后模具又經傳送帶傳送至振動臺處振動成型。由于拌合物流動性很好，振動2～3 min即可順利成型(振動時間不宜過長，以防集料沉降)。振動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臺，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)養護工藝

成型后的蓋板需要經過合理的養護后才能獲得優異的性能。研究發現，初養溫度對材料的最終強度有一定影響。初養溫度過低，則材料早期強度過低，難以脫模，如初養溫度過高，則早期強度高，雖然可以早些脫模，但這對材料的后期強度發展不利，因此確定一個合適的初養溫度很重要。經過多次試驗研究確定15℃ ～35℃為最佳初養溫度，養護20～24 h后可順利拆模，表面光潔如鏡。工作人員脫模時，需小心謹慎，避免對蓋板表面造成損傷。高溫養護溫度按實驗室所用溫度85℃，養護時間48 h，生產的產品質量均能符合性能要求。

2.3 產品質量檢測

1)外觀質量檢測

從圖1可以看出，生產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，均能符合相關要求。

2)承載力測試

測試的蓋板包括兩種型號(目前現場生產)，它們的尺寸大小見表12所示。

圖1 蓋板外觀

表12 兩種蓋板的規格尺寸

圖2 蓋板加載示意圖

蓋板的靜力加載測試采用三種加載方式:①四點彎曲試驗;②三點彎曲試驗;③集中荷載彎曲試驗。加載示意圖和實物圖見圖2。四點彎曲試驗的試驗裝置和試驗過程類似于混凝土的抗彎強度試驗，三點彎曲試驗的試驗裝置和試驗過程類似于水泥膠砂試件的抗折強度試驗，集中荷載彎曲試驗是在蓋板中心位置施加一個集中荷載，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)。

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

表13 蓋板承載力測試結果

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

3 經濟效益分析

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，生產 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，需混凝土材料7.28萬 m3左右，采用 EU材料，可節省2 600多萬元。并且EU材料的工作性能極佳，生產過程極其方便，無形中又降低了人工、機械、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濟效益。

4 結論及建議

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路線，通過試驗提出了滿足高速鐵路人行道和電纜槽蓋板技術條件要求的配合比，并對原材料選擇提出了建議。通過試生產，證明采用EU材料制備蓋板是可行的，拌合物工作性能好，蓋板技術性能滿足要求，外觀漂亮。與RPC蓋板相比，可節省成本。因此，EU材料具有推廣應用前景。

為提高材料的環境效益，以尾砂替代石英砂配制的EU材料的力學性能均能滿足要求，但抗氯離子滲透性較差，需要進一步深化研究。

蓋板作為附屬構件，輕量化的方向是正確的。隨著鐵路大規模建設，深化強本簡末的建設理念十分必要。建議在蓋板生產中采取科學實用的技術路線，以滿足技術指標為前提，以節省投資為目標，深化材料和施工研究。根據本文研究成果，建議推廣應用EU材料生產高速鐵路人行道和電纜槽蓋板。

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