玄武巖纖維在鐵路橋梁RPC蓋板中的應(yīng)用研究

尹 京，葛 凱，李林香，杜香剛

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081）

鐵路橋梁電纜槽蓋板兼作人行道步行板，一般采用預(yù)制C40 鋼筋混凝土或活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）蓋板。目前使用的RPC 蓋板主要采用添加短切鋼纖維的方式提高結(jié)構(gòu)抗折強度，其厚度小于C40鋼筋混凝土蓋板的1/2，可以有效減少橋梁結(jié)構(gòu)二期恒載，安裝施工便捷，但其原材料和施工養(yǎng)護工藝要求較高，預(yù)制質(zhì)量不好時會降低結(jié)構(gòu)抗折強度，增加脆斷風(fēng)險。

玄武巖纖維是一種抗拉強度高、耐腐蝕、耐高溫的纖維材料［1-3］。本文主要從2 個方面展開：①在RPC蓋板中將鋼纖維替換為玄武巖纖維，研究對RPC 構(gòu)件抗折性能的改善效果；②在RPC 蓋板中加入玄武巖纖維網(wǎng)片，以改善蓋板脆斷問題。

玄武巖纖維復(fù)合型材作為電纜槽蓋板另一種輕質(zhì)化方案，應(yīng)從結(jié)構(gòu)承載能力和耐久性2 方面深入研究。由于玄武巖纖維復(fù)合型材自身結(jié)構(gòu)較輕，在高速鐵路列車風(fēng)或臺風(fēng)等荷載作用下，無法僅靠結(jié)構(gòu)物自重抵抗風(fēng)力，風(fēng)力較大時可能發(fā)生掀翻或吹飛情況，給行車安全帶來影響，需要對復(fù)合型材蓋板采取嚴(yán)格的防松動限位措施。因此從安全角度考慮，應(yīng)通過設(shè)置可靠限位措施，在充分確保蓋板安全的情況下，方可考慮玄武巖纖維復(fù)合型材方案，本文對此不做展開探討。

1 玄武巖纖維網(wǎng)對RPC蓋板承載力的影響

高速鐵路RPC 蓋板厚度為25 mm，內(nèi)部加入短切鋼纖維，不設(shè)置縱橫向鋼筋，當(dāng)RPC 蓋板存在內(nèi)部缺陷時，在較大的集中荷載作用下可能發(fā)生脆斷，給檢修人員造成安全影響。通過在RPC 蓋板中增加成本相當(dāng)?shù)男鋷r纖維網(wǎng)［4-5］、普通玻纖三維網(wǎng)和E5 鋼筋網(wǎng)進行對比試驗，驗證本文提出的加強方法的效果，以改善RPC蓋板脆性斷裂問題。

RPC蓋板試件尺寸及其數(shù)量見表1。

表1 蓋板試件尺寸和數(shù)量

RPC蓋板試件采用R130級活性粉末混凝土，抗壓強度大于130 MPa，抗折強度大于16 MPa，蓋板試件的配合比見表2。

分別采用內(nèi)置玻纖三維網(wǎng)、玄武巖纖維網(wǎng)、E5 鋼筋網(wǎng)3 種不同加筋增強措施，3 種試驗網(wǎng)片見圖1。測試RPC 蓋板抗裂及極限承載力，研究不同蓋板在集中荷載作用下的力學(xué)行為，記錄其開裂荷載與破壞荷載，并與普通RPC蓋板進行對比。

試驗依據(jù)Q/CR 2.1—2014《鐵路電纜槽蓋板和人行道步板第 1 部分：活性粉末混凝土型》附錄 E［6］采用集中力的加載方法，在蓋板中心進行加載，設(shè)計荷載取1.5 kN。蓋板試驗加載示意如圖2。

表2 RPC蓋板試件的配合比

圖1 3種試驗網(wǎng)片

圖2 蓋板試驗加載示意

不同加筋增強措施的蓋板加載撓度結(jié)果見表3—表6。不同加筋增強措施的蓋板開裂和破壞荷載見表7。

表3 玄武巖纖維網(wǎng)蓋板加載撓度

表4 玻纖三維網(wǎng)蓋板加載撓度

表5 E5鋼筋網(wǎng)蓋板加載撓度

表6 普通RPC蓋板（未加筋）加載撓度

表7 蓋板開裂和破壞荷載比較

根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》［7］中關(guān)于電纜槽蓋板的設(shè)計要求，豎向靜活載須滿足5 kN/m2的均布荷載。依據(jù)Q/CR 2.1—2014集中荷載按1 500 N加載，由于實際蓋板寬度小于0.5 m，集中加載工況較設(shè)計規(guī)范要求的均布加載方式更為不利。

不同加筋措施的蓋板撓度和荷載曲線比較見圖3?？梢姡?/p>

1）采用本研究提出的不同加強纖維網(wǎng)均能滿足設(shè)計荷載要求，可以不同程度地提高蓋板承載能力，增大開裂與破壞之間的荷載差值，改善蓋板脆斷問題，但降低了開裂荷載，其中E5 鋼筋網(wǎng)措施由于網(wǎng)格直徑相對蓋板厚度較大，明顯降低了蓋板的開裂荷載。

2）RPC 蓋板增加玄武巖纖維網(wǎng)片后，開裂荷載較普通RPC 蓋板略微降低4.8%，最終承載力提高7.0%，可有效改善脆斷問題。試驗中采用的網(wǎng)片厚度為1 mm，單列寬度為5 mm。若需要繼續(xù)提高承載力，增加纖維網(wǎng)片的厚度或?qū)訑?shù)，即可提高蓋板單位截面積中的纖維網(wǎng)面積，但這將直接影響制造成本。應(yīng)綜合考慮性價比，根據(jù)實際情況的需要確定玄武巖纖維網(wǎng)參數(shù)。

圖3 不同加筋措施的蓋板撓度和荷載曲線比較

2 玄武巖短切纖維對RPC試件抗折強度的影響

分別選取3 種玄武巖短切纖維［8-9］開展標(biāo)準(zhǔn)抗折試驗，短切纖維長度分別為6，12，18 mm，3 種纖維體積摻量分別為0.5%，1.5%，2.5%，組合為8組試件，并與添加鋼纖維（纖維體積摻量1.5%）、未添加纖維RPC 試件進行對比。RPC 試件配合比與表1相同，試件尺寸為400 mm×100 mm×100 mm。

試驗依據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》［10］，在試件中心進行加載，如圖4所示。

圖4 抗折強度試驗加載示意（單位：mm）

通過測試試件破壞荷載，計算試件抗折強度。計算式為

式中：ff為試件抗折強度，MPa；F為試件破壞荷載，N；b為試件截面寬度，mm；h為試件截面高度，mm。

不同玄武巖短切纖維試件抗折試驗結(jié)果比較見表8。不同玄武巖短切纖維摻量對RPC 抗折強度影響規(guī)律見圖5。

表8 不同玄武巖短切纖維試件抗折試驗結(jié)果比較

圖5 不同纖維摻量對RPC抗折強度的影響規(guī)律

由表8和圖5可見：

1）添加玄武巖短切纖維，可適當(dāng)提高RPC 蓋板的抗折強度，與未添加纖維的試件相比，纖維長12 mm、體積摻量2.5%的試件抗折強度最大提高6.8%，纖維長18 mm、體積摻量2.5%的試件抗折強度最大提高9.8%。

2）在試驗參數(shù)范圍內(nèi)，添加玄武巖短切纖維，試件抗折強度隨著纖維長度的增大而提高，隨纖維體積摻量的增大而提高。

3）添加玄武巖短切纖維對RPC 試件抗折強度提高效果遠小于添加鋼纖維。

3 結(jié)論

通過在相同尺寸RPC 蓋板試件中分別加入玄武巖纖維網(wǎng)和玄武巖短切纖維，研究了其對鐵路橋梁RPC蓋板抗折性能的改善效果。主要結(jié)論如下：

1）RPC 蓋板增加玄武巖纖維網(wǎng)片后，開裂荷載較普通RPC 蓋板略微降低4.8%，最終承載力提高7.0%，可有效改善脆斷問題。增加纖維網(wǎng)片的厚度或?qū)訑?shù)，可繼續(xù)提高蓋板承載能力，但加工成本也將隨之提高，實際工程中應(yīng)綜合考慮性價比。

2）添加玄武巖短切纖維，可適當(dāng)提高RPC 蓋板的抗折強度，與未添加纖維的試件相比，纖維長12 mm、體積摻量2.5%的試件抗折強度最大提高6.8%，纖維長18 mm、體積摻量2.5%的試件抗折強度最大提高9.8%。在試驗參數(shù)范圍內(nèi)，添加玄武巖短切纖維后試件抗折強度隨著纖維長度的增大而提高，隨纖維體積摻量的增大而提高。