活性粉末混凝土在高速鐵路聲屏障肋柱中的應用

徐永力

【摘 要】使用預應力活性粉末混凝土制作高速鐵路聲屏障肋柱，以代替現有的鋼肋柱；并結合大西客運專線聲屏障肋柱設計的要求，進行活性粉末混凝土配合比優化；完善了聲屏障肋柱用的活性粉末混凝土制備、攪拌、澆筑和養護等施工工藝。在配合比和工藝優化的基礎上，對現場生產的預制件進行了強度測試，結果表明活性粉末混凝土的抗壓、抗折強度和彈性模量均符合設計要求，活性粉末混凝土能夠應用于大西線高速鐵路聲屏障工程。

【關鍵詞】活性粉末混凝土；客運專線聲屏障；配合比優化；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，簡稱RPC）是由法國Richard等人在1993年率先研制成功的一種超高強、低脆性、高耐久性的水泥基復合材料[1～2]。RPC材料還具有減輕結構自重、減少結構構件配筋量等優越性，因而能在提高綜合性能的前提下降低工程造價。由于RPC具有強度高、韌性好、耐久性優異的特點，雖然問世時間不長，但就已經在國外的工程建設中獲得大量應用[3～6]。現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]，滿足蓋板強度、韌性、美觀和耐久性的同時，解決了混凝土蓋板反復翻蓋時的掉角問題，取得了較好的效果。

（2）聲屏障是位于聲源與受聲點之間的具有足夠面密度的聲遮擋結構。聲屏障的作用是阻擋直達聲的傳播，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。 鋼材在潮濕環境中易于腐蝕和導電，特別是處于有腐蝕介質的環境中容易銹蝕，必須刷涂料或鍍鋅，而且在使用期間還應定期維護 ，使用成本因此也會隨之增加。本研究針對大西客運專線聲屏障工程，嘗試預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構設計、配合比優化、施工與養護關鍵技術，并在實際工程中成功應用。

2. 活性粉末混凝土聲屏障肋柱配合比設計

2.1 聲屏障肋柱設計的材料要求。

為了滿足客專和高速鐵路聲屏障工程的使用需求，根據結構和受力情況，并兼顧經濟型考慮，需要設計兩個強度的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強度要求稍低，抗壓強度≥120MPa，抗折強度≥15MPa，彈性模量≥40GPa，混凝土拆模時的強度要求大于40MPa。（2）RPC2強度要求較高，抗壓強度≥150MPa，抗折強度≥20MPa，彈性模量≥50GPa，拆模時的強度要求大于40MPa。兩種RPC材料同時需滿足抗氯離子滲透性和抗凍性，以保證結構的耐久性。根據RPC混凝土耐久性能指標要求：抗凍等級大于F500級，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項指標為基準，兼顧經濟性，進行活性粉末混凝土的配合比設計。

2.2 原材料。

結合TB10424-2010《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》要求。經過試驗篩選，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的P.0 42.5普通硅酸鹽水泥，實測28天抗壓強度為51.4MPa。細骨料（石英砂）選用山西省忻州市金鑫建材公司生產的石英砂，分粗粒徑石英砂（1.0～0.63mm）、中粒徑石英砂（0.63～0.315mm）、細粒徑石英砂（0.315～0.16mm）及超細粒徑石英砂（0.16mm以下）四個粒級。復合摻合料選用RPC專用復合摻合料，SiO2含量大于85%，活性指數高于120%。外加劑選用RPC專用化學增強劑，減水率不得低于29%，堿含量不得大于3.5%，含氣量小于2%，符合現行國家標準《混凝土外加劑》（GB 8076-2008）、《混凝土外加劑應用技術規范》（GB 50119-2013）、《聚羧酸系高性能減水劑》（JG/T 223-2007）的規定；活性粉末混凝土材料用化學增強劑，并應與所用水泥及復合摻合料的適應性能良好。鋼纖維選用RPC專用鋼纖維，實測檢驗抗拉強度為3220MPa，直徑為0.21mm，長度為13.20mm。拌合水為飲用水。

2.3 養護制度與強度試驗方法。

依據探索試驗的研究結果選取養護制度，采取自動蒸汽養護系統進行養護，養護程序：靜停6小時后緩慢升溫至80℃，恒溫時間72小時后緩慢降至室溫。肋柱脫模后灑水養護3天，保持產品表面的濕潤狀態。混凝土力學性能試驗依據GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》相關試驗方法進行。根據14d強度及彈模，優選出RPC材料的配合比。

2.4 配合比的設計與優化。

（1）針對RPC130的力學性能和耐久性能要求，共設計了11個配合比，如表1所示。

（2）以混凝土拌合物性能、力學性能和耐久性能作為確定RPC130配合比的評價指標，并考慮到經濟性進行活性粉末混凝土的配合比篩選。根據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；根據混凝土力學性能的要求，對表1中RPC配合比進行綜合的分析和評價，選取RPC7作為RPC130最終配合比。針對這一配合比進行力學性能和耐久性能試驗，實測RPC130抗壓強度：138.3MPa ，抗折強度：18.1MPa彈性模量：48.7GPa，混凝土30h拆模時抗壓強度為81.8MPa，抗凍等級>F500，電通量試驗結果為0C，均滿足力學性能和耐久性能的相關要求。

（3）針對RPC160的力學性能和耐久性能要求，共設計了10個配合比，如表2所示。

（4）同樣以混凝土拌合物性能、力學性能和耐久性能作為確定RPC160配合比的評價指標，并考慮到經濟性進行活性粉末混凝土的配合比篩選。根據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；根據混凝土力學性能的要求，RPC混凝土抗壓強度不小于160MPa ，RPC抗折強度不小于22MPa，RPC彈性模量不小于50GPa，RPC6、RPC7、RPC9和RPC10四組符合要求。綜合考慮經濟型因素，選取鋼纖維摻量較低的RPC6作為最終配合比。針對這一配合比進行力學性能和耐久性能試驗，實測RPC160抗壓強度：178MPa ，抗折強度：23.2MPa彈性模量：51.4GPa，混凝土30h拆模時抗壓強度為152.8MPa，并且抗凍等級：>F600，電通量為0C，均滿足相關的要求。

3. 聲屏障肋柱施工工藝

3.1 攪拌工藝。

現場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）投入攪拌機攪拌干拌240秒鐘后，再將水+減水劑投入攪拌機攪拌240秒鐘后出罐。肋柱試制時混凝土每罐測定混凝土坍落度，坍落度控制在180～200mm范圍內。

3.2 張拉工藝。

3.2.1 預應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計張拉力的20% 所對應的油表讀數或20% 后，再對逐根張拉到100% 設計張拉力，利用錨具錨固鋼絲，采用順序拉＼對角線拉鋼絲的張拉采取“控制張拉應力”和“控制張拉伸長值”的“雙控”措施。張拉伸長值測量起點為初始張拉。

3.2.3 預應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）預應力鋼絲預緊（0.5MPa，在鋼絲上劃線作為測量伸長值的基點）→（3）控制應力（單根張拉力的20% ，測伸長值）→（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% （測量初始伸長值）→（2）再張拉至100%張拉力（48.2KN）→（3）靜停1分鐘（測伸長值）→（4）錨固回油。

圖1 預應力超高強混凝土聲屏障肋柱制作工藝流程圖

圖2 預應力超高強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% 所對應的油表讀數后或20% ，靜停1分鐘后，將千斤頂完全回縮，再進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量單根伸長值的基點，待鋼絲張拉至9.64KN所對應的油表讀數或9.64KN后，測量單根張拉端的伸長值，待測完所有鋼絲的伸長值后求的單根張拉的平均伸長值d；在二次張拉時測量初始伸長值a，待終張拉完成后再測量二次張拉伸長值b，用二次張拉伸長值b減去初始伸長值a為二次張拉實際伸長值并求得平均值c；用一次張拉的伸長值d加上二次張拉實際伸長值c即為張拉總伸長值。

3.3 澆筑工藝。

采用側振進行混凝土灌筑，沿模具用灰斗進行布料，邊布料邊振動，振動3 min后停止，進行邊角補料，再開啟振動器振動2 min，最后再振動30s。最后一次振動時間為30s至120s，以混凝土表面不再冒氣泡、表面泛漿為準。具體程序是布料+振動3min 邊角補料 振動2min 振動30s至2min。灌注前檢查預埋角鋼、預埋螺母是否全部安放準確和牢固，同時檢查插銷、定位筋安裝是否正確。下灰時控制灰斗的移動速度以確保混凝土的均勻的灌注到肋柱模具內。混凝土灌注時，混凝土灰斗自由灌注高度不得大于2 m，振動后混凝土平齊鋼模頂面為準。

3.4 養護工藝。

養護采取自動蒸汽養護系統進行養護，按照既定的養護程序：靜停6小時，升溫速度不大于12℃/h，升溫至80℃，恒溫時間72小時，降溫速度不大于15℃/h。其中降溫時間可根據當天廠房氣溫進行設定，如當天廠房氣溫20℃，按照產品表面溫度與環境溫度之差不超過20℃的要求，則降溫時間至少需要 ，則將自動養護系統的降溫時間設置為160min即可。肋柱脫模后灑水養護3天，保持產品表面的濕潤狀態。

4. 工程應用情況

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

（2）試驗段采用對比試驗的方法，一側安裝活性粉末混凝土聲屏障肋柱，另一側安裝原設計的插板式金屬聲屏障。

（3）本試驗段選用160MPa活性粉末混凝土，養護4d后放張同時測量強度，并在14d時刻測量彈性模量和抗壓抗折強度，現場共成型了34批試件，每一批都留了樣品測試強度和彈性模量，統計力學性能最終結果如表3所示。

（4）可以看到，現場成型的活性粉末混凝土強度和彈性模量均滿足設計要求，14d強度平均達到168.4MPa，彈性模量達到52GPa，抗折強度23.7MPa，滿足高速鐵路聲屏障肋柱的使用要求。

5. 結論

（1）針對高速鐵路聲屏障肋柱結構進行了活性粉末混凝土配合比設計。通過RPC130和RPC160兩個強度等級的活性粉末混凝土配合比優化，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，其力學性能和耐久性能均能夠滿足結構設計要求。

（2）完善了聲屏障肋柱用的活性粉末混凝土制備、攪拌、澆筑和養護等施工工藝。針對高速鐵路聲屏障肋柱結構的預應力施工，完善了活性粉末混凝土的攪拌、預應力筋張拉、澆筑和養護等關鍵工藝。

（3）選取大西客專北白跨北同蒲鐵路特大橋作為試驗段，對現場生產的34批試件進行了強度測試。結果表明，活性粉末混凝土的4d放張強度、14d抗壓抗折強度和和彈性模量均符合設計要求?；钚苑勰┗炷脸晒糜诖笪骶€高速鐵路聲屏障工程。

參考文獻

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