客運專線橋梁人行道蓋板擋板RPC研究

■ 牛麗坤

1 概述

活性粉末混凝土（RPC）是通過將被認為是導致混凝土容易產生缺陷的粗集料剔除，再根據密實堆積原理，減小細骨料粒徑，在熱壓條件下成型，并高溫蒸壓而成。根據RPC組成和熱處理方式的不同，其抗壓強度可達200～800 MPa，抗拉強度可達20～50 MPa，彈性模量為40～60 GPa，斷裂韌性高達40 000 J/m2，是普通混凝土的250倍，氯離子滲透性僅為高強混凝土的1/25，抗滲透能力極強。

人行道板是橋梁的附屬設施，主要承受行人和相應小型養路機械設備等荷載。目前鐵路人行道板混凝土強度等級較低、耐久性差、抵抗沖擊能力低、施工質量差，普遍存在混凝土腐蝕掉塊、鋼筋銹蝕、板折斷等病害，有的已經危及行人及施工機具安全。同時，普通混凝土人行道板自重大，增加了橋梁質量，致使橋梁的豎橫向動力特性較差。我國正在新建的高速鐵路設計等級提高，設計使用壽命延長，采用普通混凝土制成的人行道板難以滿足相應的性能及使用壽命要求。結合RPC的優越性，在鐵路橋梁上采用新型RPC人行道板結構型式替代傳統角鋼支架及普通混凝土板，不僅提高了構件本身的使用壽命和耐久性，大大減少了人行道板結構的維修工作量，還大幅提升了橋梁整體性能，具有重大的科學價值和現實意義。

2 RPC組成材料的性能要求

RPC的主要組成材料包括膠凝材料、骨料、拌和水、復合外加劑及鋼纖維等。為使制備出的RPC試件達到相應的性能要求，RPC使用的原材料除應滿足國家相關規范、技術標準要求外，還必須符合以下要求。

2.1 膠凝材料

RPC膠凝材料一般由水泥和高活性礦物摻合料組成，應盡量使用需水量較低、與高效減水劑相容性較好、品質穩定、強度等級不低于P.O.42.5的低堿硅酸鹽水泥或低堿普通硅酸鹽水泥，并要求水泥熟料中的C3A含量不大于8%，不建議采用過高強度等級的水泥。

RPC必須采用包括硅粉在內的高活性礦物摻合料，使用的高活性礦物摻合料應滿足國家相關規范要求，硅粉的活性SiO2含量宜在92%以上。

2.2 骨料

RPC對骨料有嚴格要求。骨料應質地堅硬，不宜含有輕物質或云母等雜質。優先選用石英砂，可選用經水清洗過的滿足粒徑要求的優質河砂；骨料最大粒徑宜小于1.18 mm；連續級配骨料范圍宜在0.075～1.18 mm，也可選用幾種不同粒級的間斷級配骨料進行混合，選用原則：使得骨料體系的堆積密實度盡量接近于最大值；含泥量應小于0.5%。

2.3 鋼纖維

鋼纖維對RPC的抗拉強度、韌性具有顯著影響。主要應從RPC的工作性能及力學性能兩方面優選鋼纖維。RPC采用的鋼纖維長度應不大于15 mm，長徑比不宜小于50。鋼纖維抗拉強度不宜小于1 500 MPa，其他性能應滿足JG 3064—1999的要求。

2.4 外加劑

為使RPC具有良好的工作性能，必須摻入高效的化學外加劑——非引氣型外加劑。外加劑的減水率應不小于25%，不得使用會導致鋼筋或鋼纖維銹蝕的外加劑。外加劑的其他指標應滿足GB 8076—2008的規定。

2.5 拌和水

RPC使用的拌和水應滿足JGJ 63—2006的要求。

3 RPC的擋板、蓋板技術指標

根據《客運專線活性粉末混凝土（RPC）材料人行道板擋板、蓋板暫行技術條件》的相關規定，對同條件養護RPC力學性能和耐久性能要求如下：抗壓強度≥130 MPa；抗折強度≥18 MPa；彈性模量≥48 GPa；氯離子滲透量（6 h庫侖電量）<40 C；抗凍標號>F500。

4 配合比參數與性能的關系

4.1 水膠比

水膠比是水泥基材料的重要參數。水膠比增大，水泥基材料的孔隙率增加，強度減少。因而，水膠比與強度有直接關系。水膠比對RPC抗壓強度和抗折強度的影響結果見圖1。

從圖1中可以看出，當RPC的水膠比大于0.20，其抗壓強度在120 MPa以下，抗折強度小于15 MPa；但當水膠比小于0.2，RPC的抗壓強度和抗折強度隨水膠比的降低而快速增加。因此，為了使RPC的抗壓強度在130 MPa以上，RPC的水膠比應小于0.2。

4.2 活性礦物摻合料摻量

硅粉是RPC中的關鍵組分之一，其摻量對RPC的強度有重要影響。不同硅粉摻量的RPC強度見表1。由表1可知，RPC中硅粉與水泥的質量比應在0.25～0.30。硅粉摻量較小時，RPC強度較低。

4.3 砂膠比（質量比）

一定粒徑的砂子在RPC中起到骨架作用，并會影響RPC拌和物的工作性能。因此，選擇適當的砂子骨料對制備性能優良的RPC非常重要。不同砂膠比條件下RPC試件的流動性和強度試驗結果見表2。RPC的水膠比為0.19，鋼纖維摻量為2%。

表1 活性礦物摻合料（硅粉）摻量對RPC強度的影響

砂膠比對RPC（未摻鋼纖維）抗壓和抗折強度的影響見圖2。砂膠比對RPC拌和物的流動性和硬化后的強度有顯著影響。隨著砂膠比的增大，RPC拌和物的流動性減少，強度增大，但當砂膠比超過1.3，RPC拌和物的流動性顯著降低，強度不再增加。這表明，存在最佳的砂膠比范圍，使得RPC具有滿意的工作性和強度，本實驗條件下RPC的砂膠比范圍宜選擇1.1～1.3。

5 RPC的典型組成與強度

根據試驗研究結果，可得到RPC的典型組成與強度之間的關系（見表3）。同時，按照ASTM C 1202—1997標準測試RPC試件的氯離子滲透性能結果表明，6 h通過RPC的電量非常小，一般小于40 C。這表明RPC的滲透性非常低，抗滲能力好。研究表明，RPC內部的孔隙率為2%左右，且基本不存在大的毛細孔。因此，RPC的抗凍性能非常優越，可達到F500甚至F700抗凍等級。

表2 不同砂膠比條件下試件流動度和強度測試結果?注：表中數據為85 ℃蒸養72 h，標養96 h后測得。

表3 130 MPa級RPC的典型組成 kg/m3?注：（1）強度測試結果采用尺寸為10 cm×10 cm×10 cm試件測得；（2）85 ℃蒸汽養護恒溫48 h，測試齡期為10 d。

6 結論

通過對客運專線人行道蓋板、擋板用RPC的實驗研究得到以下結論：

制備滿足《客運專線活性粉末混凝土（RPC）材料人行道板擋板、蓋板暫行技術條件》RPC的主要原材料包括：P.O.42.5級低堿普通硅酸鹽水泥；高活性礦物摻合料，SiO2≥92%的硅粉，I級粉煤灰或S95礦渣；減水率不小于25%的非引氣型高效減水劑；最大粒徑不大于1.18 mm的石英質骨料；長徑比不小于50，長度不大于15 mm的細小高強鋼纖維。

為了使RPC的抗壓強度在130 MPa以上，RPC的水膠比應小于0.2。RPC中硅粉與水泥的質量比應在0.25～0.30。硅粉摻量較小時，RPC強度較低。砂膠比對RPC拌和物流動性和硬化后的強度有顯著影響，存在最佳的砂膠比范圍，使得RPC具有滿意的工作性能和強度，本實驗條件下RPC的砂膠比范圍宜選擇1.1～1.3。