纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料鐵路防護(hù)柵欄片研制

李茂國(guó)++張洪震

摘 要：介紹一種使用年限30年，采用鋼模工廠化預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)拼裝組合埋設(shè)使用的綜合性價(jià)比優(yōu)于鋼筋混凝土柵欄片的高速鐵路用纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料鐵路防護(hù)柵欄片研制。

防護(hù)柵欄是高速鐵路與高速公路重要的安全防護(hù)設(shè)施之一，其中柵欄片是防護(hù)柵欄的關(guān)鍵部件。在鐵路提速后為確保鐵路線路運(yùn)行安全，鐵道部作出了“關(guān)于認(rèn)真做好線路防護(hù)柵欄及防災(zāi)安全監(jiān)控等實(shí)施工作的通知”，并發(fā)布了新建鐵路工程和既有鐵路改造工程用《鐵路線路防護(hù)柵欄》工程建設(shè)通用參考圖。按列車(chē)的運(yùn)行時(shí)速不同，其鐵路防柵欄高度分別為2.7m、2.2 m和1.8m并要求鋼筋混凝土構(gòu)件的使用年限按30年設(shè)計(jì)，采用鋼模工廠化預(yù)制，在滿足力學(xué)性能的前提下保證其外觀質(zhì)量達(dá)標(biāo)。防護(hù)柵欄由立柱、上檻、下檻、欄片和柱帽五種構(gòu)件組成，實(shí)行運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)拼裝組合埋設(shè)。其中，柵欄片尺寸為1885（1495）㎜×1405㎜×90㎜，是防護(hù)柵欄各構(gòu)件中需用量最大，技術(shù)要求最高，制造難度最大的關(guān)鍵構(gòu)件。由于鋼筋混凝土柵欄片中鋼筋用量較大，捆扎用工時(shí)多，成本較高，更重要的是其鋼筋在混凝土內(nèi)埋設(shè)深度較淺，在長(zhǎng)期復(fù)雜多變的環(huán)境條件下使用易產(chǎn)生銹蝕，勢(shì)必導(dǎo)致柵欄片開(kāi)裂，會(huì)直接影響其安全使用年限，很不利于鐵路線路運(yùn)行安全。因此，鋼筋混凝土柵欄片作為長(zhǎng)期使用的鐵路線路安全防護(hù)設(shè)施尚存有笨重、不便于運(yùn)輸安裝、綜合成本高、安全隱患大等明顯的不足之處，亟需改進(jìn)。

1.水泥基復(fù)合材料柵欄片總體設(shè)計(jì)

鐵路防護(hù)柵欄片的技術(shù)要求為：其設(shè)計(jì)載荷抗人為破壞力≥1.0kN/m（集中載荷不大于1.0kN），抗風(fēng)壓荷載0.6kPa，最大抗地震烈度為8度。綜合要求為：提供一種兼具自重輕、比強(qiáng)度高、比剛度大、抗老化、無(wú)銹蝕、長(zhǎng)期使用安全可靠等性能，綜合性價(jià)比優(yōu)于鋼筋混凝土柵欄片，且適于大批量鋼模工廠化生產(chǎn)，便于運(yùn)輸、安裝、施工的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料鐵路防護(hù)柵欄片。

為達(dá)上述目的特將該柵欄片設(shè)計(jì)為5層對(duì)稱(chēng)復(fù)合結(jié)構(gòu)，沿主平面垂直方向由外向內(nèi)依次為：功能表面層1、強(qiáng)度層2、主體結(jié)構(gòu)層3和強(qiáng)度層2、功能表面層1，且相同層的材料配方相同。層復(fù)合結(jié)構(gòu)是依據(jù)各層分別承擔(dān)的技術(shù)功能不同而采用相應(yīng)的復(fù)合材料配方和成型工藝，經(jīng)復(fù)合而制成的。

各層復(fù)合結(jié)構(gòu)的組分材料配比和主要技術(shù)性能分別簡(jiǎn)介如下；

⑴功能表面層1 為短切合成纖維和超細(xì)針狀硅灰石纖維共同增強(qiáng)聚合物改性水泥細(xì)砂漿，并在外側(cè)粘貼合成纖維無(wú)紡布共同構(gòu)成復(fù)合材料表面層。其基體粘合劑為硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、高強(qiáng)硫鋁酸鹽水泥、高強(qiáng)鐵鋁酸鹽水泥中的一種，并以其作為計(jì)量基準(zhǔn)（w）與其它組分材料配合。上述兩纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥細(xì)砂漿復(fù)合材料層的基體組分為聚合物改性水泥砂漿，其組成配合比一般為水泥∶細(xì)集料∶功能填料∶聚合物∶增強(qiáng)纖維∶水=30∶35∶10∶2∶5∶15。其細(xì)集料為粒徑≤0.3㎜的石英粉、石粉、輕砂等無(wú)機(jī)粉料中一種或混合使用；其功能填料為活化粉煤灰和硅粉（灰）中的一種或混合使用；其聚合物為聚醋酸乙烯乳液、聚丙烯酸脂乳液等中的一種，控制其干態(tài)用量為3%～8%（w）和水灰比45%～60%；其增強(qiáng)纖維為硅灰石短纖維，用量為10%～15%（w），短切合成纖維為1%（w），無(wú)紡布用量為1-2層，不以其質(zhì)量計(jì)；其水用量應(yīng)綜合考慮水灰比、水膠比而定。為了不加大用水量而提高其工藝性，聚合物改性水泥細(xì)砂漿中可添加適量的減水劑、緩凝劑等助劑，其用量按其使用說(shuō)明而定。為改善欄片的防水、耐水性，應(yīng)加入防水劑，其用量按其使用說(shuō)明而定。其功能表面層是用上述纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥細(xì)砂漿復(fù)合材料采用噴涂工藝與鋪覆工藝制成，其厚度一般≤3㎜。

性能：本層集短切合成纖維與硅灰石超細(xì)纖維混雜增強(qiáng)、抗裂、降收縮，聚合物細(xì)砂漿結(jié)構(gòu)致密、抗?jié)B、防腐蝕、耐磨，合成纖維無(wú)紡布層密封、抗沖擊、耐腐蝕和功能填料的諸多技術(shù)性能等四大優(yōu)勢(shì)于一體，能同時(shí)發(fā)揮抗老化層、密封層、耐蝕層、防水層、保護(hù)層多種功能，是保證柵欄片長(zhǎng)期安全可靠工作的重要屏障。

⑵增強(qiáng)層2為數(shù)層連續(xù)纖維網(wǎng)與短纖維共同增強(qiáng)聚合物改性水泥砂漿復(fù)合材料強(qiáng)度層。其連續(xù)纖維網(wǎng)為網(wǎng)孔尺寸5㎜×5㎜-10㎜×10㎜的耐堿玻璃纖維網(wǎng)或相同網(wǎng)孔尺寸的聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺塑料纖維網(wǎng)中的一種。該網(wǎng)格布的層數(shù)根據(jù)柵欄片所要求的抗沖、抗折強(qiáng)度和網(wǎng)纖維的拉伸斷裂強(qiáng)度計(jì)算確定，一般≥3層。其短纖維為硅灰石纖維，用量為15%～20%（w）和長(zhǎng)度為≤5㎜短切合成纖維為1%（w），其基體粘合劑為硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥中的一種，并以其作為計(jì)量基準(zhǔn)（w），其聚合物改性劑為聚丙烯酸脂乳液、聚醋酸乙烯乳液等水包油乳液中的一種，控制其干態(tài)用量為3%～8%（w）和水灰比45%～55%。其組成配合比一般為水泥∶細(xì)集料∶功能填料∶聚合物∶增強(qiáng)纖維∶水=30∶36∶10∶2∶6∶20。其細(xì)集料為粒徑≤2㎜的石英砂、碎石粒和功能填料粒徑≤0.3㎜的粉煤灰、硅灰等。輕集料為粒徑≤2㎜的閉孔珍珠巖、浮石顆粒等，各種粒料均按級(jí)配合。其聚合物為聚醋酸乙烯乳液、聚丙烯酸乳液等中的一種，控制其干態(tài)用量為3%～8%（w）和水灰比55%～70%。其用水量和外加劑的使用原則與功能表面層一致，輕集料的吸水率較大配置前應(yīng)對(duì)其進(jìn)行預(yù)濕處理。該連續(xù)纖維增強(qiáng)層是用上述連續(xù)纖維、短纖維共同增強(qiáng)聚合物改性水泥砂漿復(fù)合材料，采用噴涂工藝、注模工藝或鋪覆工藝制成，其纖維網(wǎng)層數(shù)可根據(jù)柵欄片所受拉應(yīng)力由纖維網(wǎng)承擔(dān)計(jì)算得出。

性能：本層為柵欄片的主強(qiáng)度層，可單獨(dú)承受由外載荷所產(chǎn)生的全部拉應(yīng)力，并通過(guò)連續(xù)纖維與短纖維協(xié)效，增大其抗撓曲能力，在減少開(kāi)裂，保證密封、抗?jié)B、防腐蝕的同時(shí)可有效提高柵欄片抗沖擊、抗彎曲強(qiáng)度，以保障其使用安全。

⑶本體結(jié)構(gòu)層3為短纖維增強(qiáng)輕集料混凝土主體結(jié)構(gòu)。其短纖維為長(zhǎng)度≤15㎜的聚丙烯纖維，用量為1%（w）左右。該輕集料混凝土的組成配合比一般為水泥∶輕集料∶聚合物∶短纖維∶水=30∶50∶2∶0.35∶20。其輕集料為粒徑≤3㎜的輕細(xì)集料如漂珠、輕砂、閉口珍珠巖等和粒徑5～15㎜輕粗集料如球狀陶粒、碎石狀浮石等，二者配合使用，一般輕細(xì)集料體積率占35%～50%。其水泥、聚合物、水的使用原則與纖維增強(qiáng)層⑵相同。因輕集料的吸水率較大，配料前需對(duì)其進(jìn)行預(yù)濕處理。水泥外加劑采用既減水又早強(qiáng)、消泡的減水劑，如AN-2硫酸鈉A型減水劑等。

本體結(jié)構(gòu)層3是由上述組分材料配置而成的短纖維增強(qiáng)輕集料混凝土，控制其坍落度≤50㎜，表觀密度1500～1800㎏/m?，抗壓強(qiáng)度不小于20MPa，采用注模工藝或鋪覆工藝制成。

性能：以本層為主提供柵欄片所需剛度和抗壓強(qiáng)度，增強(qiáng)短纖維可改善其抗撓曲韌性，并在滿足其力學(xué)性能的前提下有效減輕自重，節(jié)省運(yùn)輸、安裝成本，提高柵欄片的性價(jià)比。

2.水泥基復(fù)合材料柵欄片成型工藝

實(shí)施工藝過(guò)程是在模具內(nèi)按功能表面層—強(qiáng)度層—主體結(jié)構(gòu)層—強(qiáng)度層—表面層順序分層制備，由五層復(fù)合而制成整體欄片。工藝流程見(jiàn)圖1

3.水泥基復(fù)合材料柵欄片性能檢測(cè)

濟(jì)南鐵路物資總公司科技開(kāi)發(fā)中心、濟(jì)南鐵路科技開(kāi)發(fā)中心委托山東省建材工業(yè)新型材料檢測(cè)中心對(duì)FRC水泥基復(fù)合材料鐵路柵欄構(gòu)件和C30鋼筋混凝土鐵路柵欄構(gòu)件分別進(jìn)行抗彎力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。兩種材料構(gòu)件的長(zhǎng)度相等，截面積相等，而成本相當(dāng)，經(jīng)比較FRC構(gòu)件比C30構(gòu)件的重量降低30%以上，而抗彎強(qiáng)度提高30.7%，使用安全系數(shù)≥8，性能更加安全可靠。

4.結(jié)語(yǔ)

纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（FRC）及其制品是當(dāng)今世界工程材料界競(jìng)相研發(fā)的熱點(diǎn)，新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。工程實(shí)踐表明，F(xiàn)RC比鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土更適于制造承受彎曲、沖擊或應(yīng)力方向不明，形狀比較復(fù)雜的制品，鐵路防護(hù)柵欄和高速公路護(hù)欄就十分適于用FRC制造，其單位面積重量可比鋼筋混凝土制品降低30%以上。而彎曲強(qiáng)度提高20%以上，使用年限可提高50%以上，并有效降低維護(hù)費(fèi)用，綜合性價(jià)比明顯提高，在防護(hù)柵欄應(yīng)用推廣方面具有廣闊的前景，其社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益顯著。