纖維增強水泥基復(fù)合材料鐵路防護柵欄片研制

李茂國++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)場拼裝組合埋設(shè)使用的綜合性價比優(yōu)于鋼筋混凝土柵欄片的高速鐵路用纖維增強水泥基復(fù)合材料鐵路防護柵欄片研制。

防護柵欄是高速鐵路與高速公路重要的安全防護設(shè)施之一，其中柵欄片是防護柵欄的關(guān)鍵部件。在鐵路提速后為確保鐵路線路運行安全，鐵道部作出了“關(guān)于認(rèn)真做好線路防護柵欄及防災(zāi)安全監(jiān)控等實施工作的通知”，并發(fā)布了新建鐵路工程和既有鐵路改造工程用《鐵路線路防護柵欄》工程建設(shè)通用參考圖。按列車的運行時速不同，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，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)量達標(biāo)。防護柵欄由立柱、上檻、下檻、欄片和柱帽五種構(gòu)件組成，實行運至現(xiàn)場拼裝組合埋設(shè)。其中，柵欄片尺寸為1885（1495）㎜×1405㎜×90㎜，是防護柵欄各構(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，在長期復(fù)雜多變的環(huán)境條件下使用易產(chǎn)生銹蝕，勢必導(dǎo)致柵欄片開裂，會直接影響其安全使用年限，很不利于鐵路線路運行安全。因此，鋼筋混凝土柵欄片作為長期使用的鐵路線路安全防護設(shè)施尚存有笨重、不便于運輸安裝、綜合成本高、安全隱患大等明顯的不足之處，亟需改進。

1.水泥基復(fù)合材料柵欄片總體設(shè)計

鐵路防護柵欄片的技術(shù)要求為：其設(shè)計載荷抗人為破壞力≥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、比強度高、比剛度大、抗老化、無銹蝕、長期使用安全可靠等性能，綜合性價比優(yōu)于鋼筋混凝土柵欄片，且適于大批量鋼模工廠化生產(chǎn)，便于運輸、安裝、施工的纖維增強水泥基復(fù)合材料鐵路防護柵欄片。

為達上述目的特將該柵欄片設(shè)計為5層對稱復(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、強度層2、主體結(jié)構(gòu)層3和強度層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)性能分別簡介如下；

⑴功能表面層1 為短切合成纖維和超細針狀硅灰石纖維共同增強聚合物改性水泥細砂漿，并在外側(cè)粘貼合成纖維無紡布共同構(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、高強硫鋁酸鹽水泥、高強鐵鋁酸鹽水泥中的一種，并以其作為計量基準(zhǔn)（w）與其它組分材料配合。上述兩纖維增強聚合物改性水泥細砂漿復(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∶細集料∶功能填料∶聚合物∶增強纖維∶水=30∶35∶10∶2∶5∶15。其細集料為粒徑≤0.3㎜的石英粉、石粉、輕砂等無機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），無紡布用量為1-2層，不以其質(zhì)量計；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，其用量按其使用說明而定。其功能表面層是用上述纖維增強聚合物改性水泥細砂漿復(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纖維混雜增強、抗裂、降收縮，聚合物細砂漿結(jié)構(gòu)致密、抗?jié)B、防腐蝕、耐磨，合成纖維無紡布層密封、抗沖擊、耐腐蝕和功能填料的諸多技術(shù)性能等四大優(yōu)勢于一體，能同時發(fā)揮抗老化層、密封層、耐蝕層、防水層、保護層多種功能，是保證柵欄片長期安全可靠工作的重要屏障。

⑵增強層2為數(shù)層連續(xù)纖維網(wǎng)與短纖維共同增強聚合物改性水泥砂漿復(fù)合材料強度層。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、抗折強度和網(wǎng)纖維的拉伸斷裂強度計算確定，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∶細集料∶功能填料∶聚合物∶增強纖維∶水=30∶36∶10∶2∶6∶20。其細集料為粒徑≤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)對其進行預(yù)濕處理。該連續(xù)纖維增強層是用上述連續(xù)纖維、短纖維共同增強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)計算得出。

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

⑶本體結(jié)構(gòu)層3為短纖維增強輕集料混凝土主體結(jié)構(gòu)。其短纖維為長度≤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層⑵相同。因輕集料的吸水率較大，配料前需對其進行預(yù)濕處理。水泥外加劑采用既減水又早強、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輕集料混凝土，控制其坍落度≤50㎜，表觀密度1500～1800㎏/m?，抗壓強度不小于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度，增強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)省運輸、安裝成本，提高柵欄片的性價比。

2.水泥基復(fù)合材料柵欄片成型工藝

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

3.水泥基復(fù)合材料柵欄片性能檢測

濟南鐵路物資總公司科技開發(fā)中心、濟南鐵路科技開發(fā)中心委托山東省建材工業(yè)新型材料檢測中心對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)件分別進行抗彎力學(xué)性能檢測，結(jié)果如表1所示。兩種材料構(gòu)件的長度相等，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

纖維增強水泥基復(fù)合材料（FRC）及其制品是當(dāng)今世界工程材料界競相研發(fā)的熱點，新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。工程實踐表明，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，鐵路防護柵欄和高速公路護欄就十分適于用FRC制造，其單位面積重量可比鋼筋混凝土制品降低30%以上。而彎曲強度提高20%以上，使用年限可提高50%以上，并有效降低維護費用，綜合性價比明顯提高，在防護柵欄應(yīng)用推廣方面具有廣闊的前景，其社會效益、經(jīng)濟效益顯著。