活性粉末混凝土(RPC)節(jié)段預(yù)制梁制造技術(shù)

劉秀元

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,北京 102600)

1 引言

活性粉末混凝土(Reactive Powder Contrete，RPC)是現(xiàn)代材料科學(xué)和混凝土技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上出現(xiàn)的一種高性能建筑工程材料，因為活性材料占有比例較大，稱為活性粉末混凝土[1]，以下簡稱RPC，該材料具有很高的抗壓強度和抗拉強度，還兼具有收縮徐變小，低脆性，耐久性好的優(yōu)點，其抗?jié)B性、抗凍性和耐腐蝕性指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通混凝土。RPC的原材料：水泥、粉煤灰、石英砂、硅灰、高效減水劑和鋼纖維。RPC的工作性能原理是：使用提高組分的細(xì)度和活性使材料內(nèi)部的缺陷(微裂縫與孔隙)減少到最小限度，獲得了特別高強度與更高的耐久性。RPC拌和物所采用的原料平均顆粒尺寸在0.lμm到1mm之間，盡量減小了混凝土中的孔隙率，使的拌和物更加密實。RPC是一種最新研制混凝土，經(jīng)過高溫高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)處理后，RPC獲得了200MPa到800MPa的超高抗壓強度，還具有30～60MPa的高抗折強度，非常好地克服了一般高性能混凝土的較低強度和高脆性[2]。

2 模型梁簡介

圖1 模型梁設(shè)計圖

模型梁為后張拉法預(yù)應(yīng)力，體內(nèi)束鋼絞線布置，梁腹板上設(shè)置兩排6×7-7φ5鋼絞線，梁底板上設(shè)置一排8×7-7φ5鋼絞線，用直徑φ60mm普通波紋管預(yù)埋成孔道，腹板的錨下后張拉應(yīng)力1294MPa，底板的錨下后張拉應(yīng)力1259MPa。張拉完畢，盡快采用真空壓漿法進(jìn)行孔道壓漿，水泥漿的強度為M50，水泥漿里需要摻入阻銹劑。模型梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計如圖2。

圖2 鋼絞線鋼束布置

箱梁腹板和頂?shù)装寰O(shè)活性粉末混凝土剪力鍵，采用卯榫設(shè)計，剪力鍵高4cm，剪力鍵頂部寬16cm，剪力鍵底部寬22cm，斜面為450坡度。剪力鍵如圖3。

圖3 接縫I處剪力鍵布置圖

模型梁用短線預(yù)制節(jié)段拼裝法制作，然后拼裝成整孔梁[3]。節(jié)段間梁縫用環(huán)氧樹脂膠密封膠結(jié)，接縫面施工時單面涂膠，厚度不得大于3mm。梁接縫孔道間端頭粘貼聚乙烯發(fā)泡墊圈，上面有單面不干膠，保證孔道不會進(jìn)膠。臨時預(yù)應(yīng)力采用φ25mm的預(yù)應(yīng)力用精軋螺紋鋼筋臨時拉緊拼接，單根精軋螺紋鋼筋張拉力設(shè)計值為180kN，接縫面預(yù)壓應(yīng)力不得小于0.4MPa，整個截面應(yīng)力必須均衡。臨時張拉錨塊布置如圖4。模型梁預(yù)制工藝流程如圖5所示。

圖4 臨時預(yù)應(yīng)力錨塊布置圖

圖5 模型梁預(yù)制工藝流程圖

3 RPC混凝土攪拌與運輸

3.1 拌和機(jī)選型

RPC拌和物流動性較差、黏度較大，須采用變頻高速攪拌機(jī)或RPC混凝土專用攪拌機(jī)。攪拌設(shè)備應(yīng)為強制式高速攪拌機(jī)[4]，葉片軸速度不低于45轉(zhuǎn)/分。本次試驗采用工廠內(nèi)的HZS750型拌和站進(jìn)行拌和RPC。拌和站需要配置專門清洗RPC混凝土的設(shè)備，因RPC拌和物黏度較大，攪拌完畢后及時清洗攪拌機(jī)。

3.2 RPC混凝土配合比

試驗立方體抗壓強度試驗小結(jié)：曲線變化36h之前速率較快。可推斷蒸養(yǎng)前期對立方體試塊影響較大。36h后曲線平緩上升。5天強度即可達(dá)到最終設(shè)計強度120MPa以上[5]。

試驗軸心抗壓強度試驗小結(jié)：和立方體抗壓強度曲線相仿，軸心抗壓曲線變化自36h之前速率較快。36h后曲線平緩上升。5天強度即可達(dá)到最終設(shè)計強度120MPa以上。試驗彈性模量強度試驗小結(jié)：彈模曲線自36h后平穩(wěn)上升，基本在第4天即可達(dá)到設(shè)計彈模強度48GPa。最終配合比見表1。

表1 RPC配合比(kg/m3)

3.3 RPC混凝土攪拌

攪拌前必須檢測拌和站的計量器。RPC材料拌和物配制時，水泥、硅灰和專用摻和料原材料，必須是干燥狀態(tài)的用量，且均以質(zhì)量計[6]，每次計量時對計量稱校零，計量設(shè)備至少準(zhǔn)確到±1%。骨料稱量須準(zhǔn)確到±2%；水、外加劑的用量按重量計，稱量須準(zhǔn)確到±1%。

攪拌時的投料順序為骨料、鋼纖維、水泥、硅灰、礦物摻合料先投入，預(yù)攪拌4min；然后加水和外加劑后再攪拌4min以上，總攪拌時間不得少于8min。混凝土攪拌機(jī)的下料口上面應(yīng)有專門裝置，防止鋼纖維結(jié)成團(tuán)狀。

RPC拌和物的水膠比一般要小于0.2，坍落度180mm～220mm。拌制好的RPC混凝土應(yīng)在20min內(nèi)灌注完畢，最長間隔時間不應(yīng)超過半小時，RPC混凝土模型梁節(jié)段須連續(xù)灌注成型。

3.4 混凝土運輸

混凝土攪拌運輸車應(yīng)符合GB/T 26408的規(guī)定。由于RPC拌和物黏度很大，流動性很差，不能采用普通混凝土罐車運輸[7]，混凝土用裝載機(jī)運輸，運距50m。運輸后及時清洗運輸設(shè)備。

4 RPC混凝土澆筑

4.1 分料斗設(shè)計

頂板分料器主要為三角形設(shè)計，使拌和物從一處分成四處流入模板內(nèi)部，有利于使腹板拌和物澆筑高度對稱[8]，可以避免拌和物成堆導(dǎo)致波紋管擠壓變形，或一次澆筑厚度較厚拌和物內(nèi)氣泡排不出去等情況。

4.2 混凝土澆筑

(1)RPC拌和物澆筑施工前，應(yīng)做好充分準(zhǔn)備，配備足夠的施工人員、設(shè)備機(jī)具，為了避免漏振和欠振，振搗工人分段負(fù)責(zé)，分工明確。

(2)澆筑前應(yīng)進(jìn)行坍落度、含氣量和溫度測試。如果RPC拌合物發(fā)生離析、坍落度過小達(dá)不到灌注要求現(xiàn)象時，須對RPC拌合物進(jìn)行二次攪拌，嚴(yán)禁加水。澆筑RPC拌合物時，模板溫度宜在5℃～35℃范圍內(nèi)，拌合物入模溫度宜在5℃～30℃范圍內(nèi)。

(3)澆筑順序：底板-腹板-頂板

(4)澆筑底板，內(nèi)模統(tǒng)一安裝完畢，在將內(nèi)模下平模移出，裝載機(jī)一次將底板的混凝土全部運送來，將拌合物倒至斜溜槽內(nèi)，人工大致攤平，再開啟底板上8個振動器，四人開始收面，從中間向兩端，初收即可，將多余混凝土清理，移到外面。收面后立即安裝上內(nèi)模，準(zhǔn)備澆筑腹板。

(5)澆筑腹板，對稱逐層澆筑，每層高不超過250mm，使用分料器，裝載機(jī)分料的均勻性，并注意澆筑速度，并用附著式振動器振動，以排氣混凝土中和分層間澆筑時封閉的氣體，并使混凝土逐層密實振動時間控制在1～2min。

(6)澆筑模型梁底板和腹板，不能正對預(yù)應(yīng)力波紋管布料，散落在模板上的拌合物殘渣必須及時清理，避免模型梁表面形成麻面、干灰、夾渣等不良現(xiàn)象。

(7)澆筑模型梁腹板，要保持兩側(cè)基本同步等高，防止兩側(cè)混凝土面高差較大，造成內(nèi)模偏移現(xiàn)象，由于腹板高度較高，澆筑時盡量使料斗高度放低，以免造成拌和物離析。

(8)澆筑模型梁頂板：拆除分料器，用裝載機(jī)直接在頂板布料，攤平后，同時開啟內(nèi)模振動器、腹板上部振動器、端模上部振動器、內(nèi)模角部振動器，對頂板拌和物振動，振搗后人工收面，將多余拌和物清理出去。然后用塑料薄膜覆蓋保持水分不散發(fā)。

(9)攪拌完畢的RPC材料拌和物應(yīng)在30min內(nèi)灌注完畢。采用分層法澆筑，即澆筑采用“分段定點，循序推進(jìn)、一個坡度、一次到頂”的方法，能較好地適應(yīng)RPC拌和物澆筑，使兩層混凝土不超過初凝時間，能很好凝結(jié)在一體，一次性連續(xù)澆筑完畢。在澆筑至頂面過程中，插入預(yù)埋的測溫線至模型梁節(jié)段芯部，每個模型梁節(jié)段預(yù)埋3個測溫線，橫剖面中心及兩側(cè)50cm處各預(yù)埋一個[9]。

(10)RPC拌和物應(yīng)連續(xù)澆筑，如有特殊情況，應(yīng)盡量縮短其間歇時間，必須在上一層RPC拌和物凝固以前將后一層RPC拌合物澆筑完畢。最大間隔時間不應(yīng)超過30min。

(11)在灌注活性粉末模型梁節(jié)段過程中，隨機(jī)制作活性粉末材料立方體抗壓強度、彈性模量、軸心抗壓強度試件，同條件養(yǎng)護(hù)。

4.3 振搗收面

(1)振搗：活性粉末混凝土材料采用振動臺與吸附式振搗相結(jié)合的振搗方式，振動臺的振動頻率不得低于2860次/min，振幅在0.3～1.0mm圍內(nèi)范。梁底部混凝土依靠8個振動臺振搗，側(cè)部混凝土各12個用附著式振搗器振搗。附著式振動器，鋼模板與附著式振動器須連接牢固，防止振搗過程中移位。盡量避免適用插入式振搗棒振搗，以免影響纖維分布。

(2)RPC模型梁節(jié)段必須保證足夠的振動時間，因為活性粉末混凝土(RPC)不同于普通混凝土，黏性較大，流動性較差，必須通過振動才能將氣泡排出，從而保證成品的表面質(zhì)量?？刂普駝訒r間，不能過振和振不實，不能重復(fù)振搗，振搗時間不小于1min，每處應(yīng)以2min為限。在腹板下部和上部應(yīng)適當(dāng)延長振動時間，以2.5min為宜。不得漏振和過振。

(3)腹板澆筑時，可以用振動棒輔助振搗，每澆筑一層后，立即進(jìn)行均勻振搗，保證RPC拌和物的密實性。采用趕漿法振搗，確保上下兩層接茬部位結(jié)合良好，防止漏振，也不能過振。移動振動器的間距，應(yīng)能保證振動器的有效半徑平板覆蓋范圍，全面振動混凝土各部位。振搗上一層RPC拌和物時應(yīng)插入下層約50mm，使兩層之間的接槎消除。

(4)混凝土澆筑過程如用振動棒時：a.控制振動棒插入的深度，以避免損傷波紋管；b.振動棒不能接觸模板面板，以避免損傷模板漆膜，影響梁體表面光潔度；c.棒體快插慢拔，盡量減少鋼纖維組織分布不均勻而形成預(yù)制缺陷；d.慢速拔出不產(chǎn)生空洞和氣泡[10]。

(5)一邊振搗一邊用抹子壓實RPC混凝土表面，人工快速抹平收光，防止RPC拌合物表面水分散發(fā)，保證模型梁外觀質(zhì)量良好。振搗過程中，要把鋼纖維團(tuán)和雜物檢出，并將鋼模頂面四周砼清理干凈，防止模型梁出現(xiàn)飛邊現(xiàn)象。

(6)在頂板振搗器停止前，梁表面用整平板整平，振搗器停止后，用抹子將泥漿壓平收光。由于活性粉末混凝土膠凝材料較多，一般澆筑時間不宜超過2h，及時養(yǎng)護(hù)覆蓋塑料膜。避免表面失水過快而出現(xiàn)早期收縮裂縫。

4.4 高溫恒溫養(yǎng)護(hù)(終養(yǎng))

脫模后的模型梁節(jié)段進(jìn)行高溫恒溫養(yǎng)護(hù)，分為升溫、恒溫、降溫三個階段，升溫速度不應(yīng)大于10℃/h，降溫速度不應(yīng)大于10℃/h。養(yǎng)護(hù)棚內(nèi)溫度應(yīng)在70±5℃進(jìn)行恒溫養(yǎng)護(hù)，相對濕度應(yīng)在95%以上。恒溫養(yǎng)護(hù)時間不應(yīng)小于48h。降溫完畢后，模型梁表面溫度與外界環(huán)境溫差不超過15℃時，可撤除保溫設(shè)施。養(yǎng)護(hù)溫度曲線見圖6。

圖6 養(yǎng)護(hù)溫度曲線圖

在養(yǎng)護(hù)池中，蒸汽不能直接噴在模型梁表面，蒸汽應(yīng)向下方噴；在模型梁上方都要覆蓋塑料薄膜，防止養(yǎng)護(hù)棚頂上的冷凝水直接滴于模型梁表面，影響制品外觀。

4.5 自然養(yǎng)護(hù)

模型梁節(jié)段終養(yǎng)結(jié)束后，用移梁車移到車間外，在存梁區(qū)自然養(yǎng)護(hù)，最少養(yǎng)護(hù)14天。自然養(yǎng)護(hù)時，梁體用土工布包裹，上面灑水，保持土工布一直濕潤。節(jié)段梁高溫蒸養(yǎng)結(jié)束后，噴涂預(yù)制單位名稱、編號、規(guī)格、生產(chǎn)時間等標(biāo)志， 25t吊車用10t吊帶將節(jié)段吊起用貨車轉(zhuǎn)移至存放地，存放放場地應(yīng)堅實平坦。梁體存放時單層放置，下墊15cm*15cm方木。

5 結(jié)束語

利用新型 RPC 材料代替普通混凝土，解決普通混凝土自重大、強度低的問題，通過開展大跨度活性粉末混凝土鐵路簡支梁的研究和實踐，將簡支梁跨度加大到 48m，采用節(jié)段拼裝法施工，接縫采用膠結(jié)，以后跨度加大到 72m乃至 80m，擴(kuò)大鐵路簡支梁的適用范圍，進(jìn)而推動RPC新型材料在鐵路工程中的廣泛應(yīng)用，使中國高速鐵路在該領(lǐng)域的理論研究和工程實踐達(dá)到世界領(lǐng)先水平。