撫通高速公路玳珉關隧道無機粉末復合纖維蓋板的試驗研究

張曉東

(遼寧新發展公路科技養護有限公司 沈陽市 110005)

1 概述

遼寧省高速公路通車運維隧道221座，通車里程200km，隧道電纜溝總長度80萬米，人行道蓋板約160萬塊，全是混凝土澆筑材質蓋板(780×500×100mm)，并在板內布置鋼筋網，存在自重大(約80kg/塊)，邊角掉塊嚴重等問題，每年的電纜溝都要進行日常清潔(一級隧道1次/季度、二級隧道1次/半年)[1]、檢查維修需要頻繁打開蓋板，易失穩破損，對維修巡查工人安全作業也是一個極大的安全隱患,為了克服這些問題，鐵路部門開始使用添加鋼纖維的活性粉末混凝土制作蓋板。

RPC蓋板相比于C40混凝土蓋板從多個方面有了長足的進步，但是在使用過程中仍然發現一些問題，比如：

(1)鋼纖維扎手，對施工人員造成傷害。

(2)鋼纖維出現生繡的現象。

(3)鋼纖維容易搭接成環，形成回路，導致蓋板導電，對隧道電路造成影響。

(4)蓋板抗壓強度超過130MPa，并且采用100℃高溫蒸汽養護工芝，使得材料本身脆性很大，容易出現脆性斷裂、掉塊的現象。

基于無機粉末復合纖維材料(UCFC)高韌性特點，探索制作高速公路隧道電纜溝蓋板(尺寸780×500×25mm)，自重約25kg，在同等承載力條件下，構件體積是原來的1/4，很大幅度減輕構件自重，具有輕質美觀、承載力高、剛度大、耐反復沖擊性好、耐久性好、使用壽命高、產品尺寸精確、更換檢修方便等優點。

2 無機粉末復合纖維材料

無機粉末復合纖維(UCFC)材料，以有機纖維復合組成無機材料框架體，以無機膠凝固化材料類顆粒為凝結主體，以級配細集料、超細粉末、納米級無機粉末為連續等不同大小顆粒級配為連續填充體，外加超高性能添加劑，經過水化等工藝反應形成新型無機材料，是繼高性能混凝土之后，采用常規的水泥等材料開發出的高強度、高耐久性、高耐疲勞性、高韌性和體積穩定性良好的水泥基復合材料。

3 配合比設計

無機粉末復合纖維材料采用最緊密堆積理論，形成結構抗壓強度：細顆粒填充在粗顆粒之間的空隙，更細顆粒填充在細顆粒之間的空隙，逐級向下，達到最大密度[2]。

表1 配合比

表2 抗壓、抗折強度、耐久性

4 主要原材料

4.1 水泥

水泥選用摻入一定比例的硫鋁酸鹽水泥，以此達到適合的早期性能，比例為沈陽冀東水泥有限公司強度等級為52.5級普通硅酸鹽水泥占比為90%，唐山北極熊建材有限公司的抗裂快硬快凝高貝利特硫鋁酸鹽水泥占比為10%。

硫鋁酸鹽水泥是含有一定的石灰石、鋁釩土、石膏等適當配比后經過煅燒形成水泥。其主要化學成分為30%～70%的無水硫鋁酸鈣和硅酸二鈣。其主要水化產物為鈣礬石(AFt)和氫氧化鋁(AH3)同時還含有單硫型硫鋁酸鈣(AFm)。

當存在的石膏足夠多時，硫鋁酸鹽水泥水化生產鈣礬石和氫氧化鋁。

普通硅酸鹽水泥中摻加硫鋁酸鹽水泥是因為以下幾點:

(1)相比普通硅酸鹽水泥，硫鋁酸鹽水泥對鈣類需求量比較低，所以在生產中消耗鈣類原料少，更利于節能減排。

(2)早期強度高，凝結時間較普通硅酸鹽水泥更短，生成的硫鋁酸鈣可以提高成品的早期強度，據統計，硫鋁酸鹽水泥3～7d的強度就可以達到普通硅酸鹽水泥28d強度的指標。

(3)硫鋁酸鹽水泥的水化產物具有微膨脹作用，可以抵消一部分水泥的自我收縮，改善出現的裂紋等問題，當然這也可以增加水泥的抗滲性，在實際工程中具有節省維修費用，增加建筑使用壽命的作用。

(4)水化放熱量大，適用于溫度寒冷地區，可做為冬季施工的水泥基材料使用。

(5)硫鋁酸鹽水泥早期強度高，但后期強度沒有普通硅酸鹽水泥高，所以二者相互摻加，既提高了早期強度，對成品的后期強度也起到了保障作用。

4.2 微硅粉

微硅粉是由石英冶煉硅鐵或者是金屬硅的同時，由管道中的廢氣中收集到的廢棄料，主要成分為非晶態SiO2、CaO、SO3、AL2O3，為無定型球狀顆粒，平均顆粒尺寸較小，粒度為1200目，且質量非常輕，SiO2含量高，有很高的火山灰活性。極細的顆粒形態使其可填充不同粒徑顆粒間的孔隙(填充效應)，又能起到很好的潤滑作用，同時還可以與水泥水化產生的Ca(OH)2發生二次水化反應，生成水化硅酸鈣使結構變得更密實。制作采用微硅粉的摻加方法為外摻，水泥用量不變，摻加微硅粉可顯著提高強度和其它性能。采用鞍山意通硅業新材料有限公司微硅粉。

4.3 粒化高爐礦渣

采用鞍鋼S95級粒化高爐礦渣，實測活性指數為95.7%，比表面積400.4m2/kg，密度2.91g/cm3。

4.4 石英砂

石英砂主要礦物成分是SiO2(SiO2含量大于99.5%)，顏色為淡黃色，硬度為7，顆粒經特殊磨圓處理渾圓。石英砂的最緊密堆積試驗參照JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》[3]進行，經多級分篩處理，并進行粒度配比，由試驗可知，當料徑分布如圖1時堆積最緊密。

圖1 石英砂粒徑分布

4.5 外加劑

外加劑采用蘇州弗克新型建材有限公司粉體聚羧酸高性能減水劑，實測減水率為27%。

4.6 耐堿合成纖維

有關資料顯示，金屬纖維具有自身無法回避的劣勢，即耐腐蝕性差。當附著在金屬表面的堿性混凝土隨著時間的推移出現外層碳化時，金屬會失去抗腐蝕能力，造成混凝土剝落，降低結構的整體耐久性，形成質量隱患。為降低金屬纖維腐蝕造成的隱患，使用耐堿合成纖維取代金屬纖維。耐堿合成纖維采用親水改性技術對其進行表面處理，具有極佳的分散性，而且與水泥基材料有良好的粘結性能，可有效減少UCFC塑性收縮、干燥收縮、溫度變化引起的微裂縫，顯著提高UCFC抗裂性能及增韌、抗沖擊與耐火防爆能力。作為無機類水泥增強材料，具有其他纖維無法比擬的優勢：

(1)耐堿合成纖維抗拉強度1700MPa，除不銹鋼纖維外，遠遠大于其他增強纖維。

(2)彈性模量72GPa，是水泥的3倍。

(3)拉伸應變2%，與不銹鋼接近，能夠適應水泥的拉伸應變。

特殊處理的耐堿玄武巖纖維網格布是100%的無機纖維，表面無有機物涂層，纖維可直接與水泥基體緊密結合，握裹力強。

5 模具設計

制品模具采用塑模為100%全新聚丙烯PP注塑成型，具有一定的強度、剛度、穩定性，耐用抗摔打，具體尺寸780mm×500mm。

6 生產工藝流程

(1)原料配料及攪拌

根據配合比，將各項物料按質量稱重配料，送至攪拌機，充分混合。投料順序應為石英砂、耐堿復合纖維、水泥、微硅粉、粒化高爐礦渣、外加劑，干料先預攪拌5min，加水再攪拌4min。

(2)上料系統

上料機負責把攪拌好的物料提升到布料機，布料機完成向成型模具定量布料。

(3)成型系統

主要設備有成型主機、振搗平臺等。工作流程是將模具內原料振搗攤平、排除氣泡，保證各個位置振搗均勻，布料采用一次性布料，振動時間不少于2min或直至表面出現水泥漿。

(4)養護系統

成型構件靜停2～4h后，然后送至初養室采用40℃蒸汽養護24h，然后取出脫去模盒后再送至終養室進行終養，恒溫控制在80℃±5℃，養護時間不應少于48h。養護過程分為升溫、恒溫、降溫三個階段，升溫速度不應大于12℃/h，降溫速度不應大于15℃/h。撤除保溫設施時，構件表面溫度與環境溫度之差不應超過20℃。構件蒸汽養護結束后需自然養護，環境溫度不應低于20℃，并對構件進行灑水養護，時間不應少于7d。

7 力學性能

7.1 測試結果

在制作材料的過程中，留有一定量的混和料，按照要求制作小樣進行測試，現階段測試結果如表3。

表3 測試結果

7.2 整體抗裂性及承載能力試驗方法

7.2.1試驗設備及儀器

(1)千斤頂:最大壓力30t，控制加載速度1～3kN/s,壓力控制平穩。

(2)墊塊：Φ100×20mm 1件。

(3)壓力傳感器配套顯示儀，顯示精度0.1kN 1套。

(4)墊塊：500mm×200mm×40mm鋼制墊塊1件。

(5)試驗用支座反力架。

7.2.2承載能力試驗方法

采用電力行業測試方法，參照中國南方電網《電纜溝蓋板標準技術標書(混凝土蓋板)》，人行電纜溝蓋板承載能力等級的分裂縫荷載≥10kN，破壞荷載≥20kN。裂縫荷載是指加載時井蓋表面裂縫寬度達0.2mm時的試驗荷載值；破壞荷載是指加載時井蓋發生破壞時的試驗荷載值。

7.2.3試驗步驟

(1)裂縫荷載檢驗

以1～3kN/s的速度加載，按裂縫荷載值分級加荷，每級加荷量為裂縫荷載的20%，恒壓1min，逐級加荷至裂縫出現或表中規定的裂縫荷載，然后以裂縫荷載的5%的級差繼續加載，同時用塞尺或讀數顯微鏡測量裂縫寬度，當裂縫寬度達到0.2mm時，讀取的荷載值即為裂縫荷載值。

(2)破壞荷載檢驗

讀取裂縫荷載值后繼續按規定的破壞荷載分級加荷，每級加荷量為破壞荷載的20%，恒壓1min，逐級加荷至規定的破壞荷載值，再繼續按破壞荷載值的5%的級差加載至破壞，讀取試件的破壞荷載值。

表4 檢驗中蓋板裂縫荷載、破壞荷載及破壞特征

8 結語

無機粉末復合纖維材料，水膠比低，具有較低的孔隙率，制作的隧道蓋板具有高強輕質、高韌性、良好的耐久性等特點，相對于傳統隧道電纜溝蓋板在技術和經濟上的優勢明顯，在以后的制作發展中將有廣闊的應用前景。于2019年8月份在遼寧省S10撫通高速公路(撫順至通化)玳珉關隧道K26+664(吉林方向)行車道側安裝100m，到現在為止，經過一個冬季，表面未出現破損、銹蝕等病害，整體效果反應良好。