聚烯烴纖維混凝土在無砟軌道中的應用研究

諶亞威

(中國土木工程集團有限公司 北京 100038)

1 引言

伴隨著社會和建筑市場的發展，綠色節能、生產力優化逐漸成為現代建筑的發展要求。纖維混凝土技術的應用，大幅提升了生產工效，減少了勞動力的投入，達到了節能減排的要求[1]。張健超等[2]分別對素混凝土及體積摻量為0.1%、0.2%、0.3%、0.5%的納米碳纖維混凝土試件開展了沖擊壓縮試驗。謝磊等[3]進行了超高韌性水泥基復合材料在多次沖擊壓縮荷載下力學性能的研究。辛明等[4]采用硫酸鹽干濕循環侵蝕法研究了玄武巖聚丙烯纖維對混凝土基體抗硫酸鹽侵蝕的作用。皇民等[5]以不同玄武巖纖維體積百分比摻量(0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%)設計5組棱柱體混凝土小梁進行三點彎曲加載疲勞試驗。馮蒙等[6]通過試驗研究以鋼纖維類型(銑削型、端鉤型、波浪型)和鋼纖維體積率(0.4%、0.8%、1.2%)為變量的自密實鋼纖維混凝土的工作性能和基本力學性能。吳永根等[7]采用響應面(RSM)、設計專家和中心復合設計(CCD)軟件研究了腐蝕和疲勞耦合作用下道面混凝土的力學性能。吳偉等[8]為探究碳纖維混凝土在動載作用下的安全性，采用非金屬超聲波檢測儀測量不同摻量下碳纖維混凝土試件縱波波速，采用掃描電鏡試驗觀測碳纖維與混凝土間的黏結方式，并利用直徑為74 mm的變截面分離式霍普金森壓桿試驗裝置在不同應變率下對4種不同碳纖維摻量混凝土試件進行沖擊壓縮試驗，分析其應力-應變曲線、峰值應力、極限應變和DIF(動態強度增強因子)變化規律。從志敏[9]選取鋼錠銑削型(700級)和端鉤鋼絲型(1 000級和1 300級)鋼纖維，采用兩種成型方式獲得鋼纖維混凝土力學試件，研究鋼纖維類型、摻量及成型工藝對混凝土力學性能的影響，采用CT技術研究圓柱體和長方體試件中的鋼纖維分布形態。霍建勛等[10]為研究高性能支護噴射混凝土配合比，采用室內試驗、理論分析等方法，研究不同纖維種類、混雜方式對噴射混凝土抗壓抗折、彎曲韌性的影響規律，并提出高強纖維噴射混凝土的最優配合比。也有相關研究人員將不同類型纖維混凝土應用于相關軌道中[11-12]。

綜上所述，目前纖維混凝土技術可大幅提升生產工效，促進節能減排而得以廣泛應用，但其類型眾多，多數研究針對玄武巖纖維等材料，且應用目前局限于公路、橋梁、工民建方向居多，對于鐵路、地鐵軌道等應用仍然較少，為此本文以新加坡850E地鐵無砟軌道鋪軌項目為依托，對聚烯烴合成纖維混凝土力學性能開展試驗研究，據此將其應用于無砟軌道中，對比普通混凝土板的裂縫改善性能，為今后類似聚烯烴合成纖維混凝土在國內相關軌道鋪軌應用提供參考和借鑒。

2 項目背景

2.1 項目概況

新加坡850E地鐵鋪軌項目(簡稱:850E項目)是對在建地鐵6號環線及金泉車輛段，東北線延伸線及盛港車廠的無砟軌道鋪軌工程，項目采用設計連施工模式。主要工程為總長約33.9 km，采用750 V直流電第三軌供電的地鐵軌道及120組道岔的設計、供料、安裝、試驗等。本項目的道床初步設計為鋼筋混凝土的無砟軌道。

在前期設計階段，為了更好的設計優化，項目提出采用纖維混凝土的道床設計，以達到減少鋼筋用量以及勞動力成本，且有效控制軌道板裂縫的目標。項目基本要求:850E項目設計需滿足混凝土軌道板裂縫寬度小于0.3 mm，且混凝土軌道板的設計使用年限為120年，混凝土7 d抗壓強度至少為15 MPa，所有寬度超過0.2 mm的裂縫需要進行修補；隧道中的軌道板伸縮縫間距不得超過10 m。

2.2 纖維混凝土軌道應用優劣勢分析

纖維混凝土最大的劣勢在于纖維混凝土的造價成本要高于普通混凝土。但其具有如下優勢:

(1)纖維混凝土軌道板符合非界面和界面裂紋的驗收標準，裂紋評級百分比優于定義。

(2)與鋼筋混凝土道床相比，纖維道床施工所需的人力、時間和材料更少，從而節省了人力和材料成本。

(3)材料交付風險最小，因為纖維板設計只需要1種材料，在新加坡就可采購，而非普通板需要3個組件，它們來自新加坡和其他國家。

(4)由于不需要種植鋼筋，纖維道床將更容易進行改造，以便將來進行任何改建工程；道床中沒有金屬鋼筋，就不會有鋼筋銹蝕的風險，不會導致隨后的混凝土分層和剝落；道床中沒有金屬加固，鋼網不會對信號產生電流影響；降低界面或質量問題的風險，因為僅有減少混凝土裂縫的設計協調。

(5)更好的設計以允許安裝電纜槽或交叉排水管，普通道床板要求在電纜槽周圍去除或成形加強件。

3 聚烯烴纖維混凝土力學性能試驗研究

鑒于纖維混凝土在抑制裂縫產生等方面的巨大優勢，案例工程計劃將聚烯烴(聚丙烯和聚乙烯)粗合成纖維應用于無砟軌道板中。在實際應用之前，首先需要進行聚烯烴纖維混凝土力學性能試驗研究。

3.1 配合比設計

纖維采用聚烯烴(聚丙烯和聚乙烯)粗合成纖維，符合新加坡土木和結構工程的材料和工藝規范，并專門設計用于提供與傳統加固要求等效的拉伸和彎曲阻力。纖維的拉伸強度為550～600 MPa，彈性模量為4.2～5.5 GPa。

在配合比設計中，強度應是規定的主要標準，符合最小和最大水泥含量以及最大水灰比。配合比設計應基于不小于規定的特征強度加上7 MPa的目標平均強度。在28 d測試的9個立方體的平均強度應超過規定的特征強度至少10 MPa。設計配合比應確保混凝土內纖維的分布正確。充分分配的混合時間應大于5 min或纖維供應商規定。添加到混合物中的纖維應緩慢進行，批次以最大速度進行，以保證纖維分布均勻。酸溶性硫酸鹽(SO3)的含量通常不應超過以下限值:粗骨料0.4%(重量)、細骨料0.4%(重量)、水500 mg/L、任何混合物(包括水泥中存在的物質)作為SO3的硫酸鹽總估計含量不得超過混合物中水泥重量的3.7%。硬化混凝土中所含的纖維應為理論用量，精度±15%。纖維混凝土的配合比設計根據不同坍落度分2種配方，強度均為C30/37，具體參數如表1所示。

表1 纖維混凝土的配合比設計

3.2 混凝土試塊抗壓試驗

立方體應按如下方式制備和固化:對于鋼筋混凝土和大體積混凝土，每個混凝土樣品應制成4個立方體；2個立方體用于第7天的測試，2個立方體用于第28天的測試。試驗結果所代表的結構實際截面應包含在試驗報告中。任何給定樣品在28 d時測試的立方體結果的平均值應為測試結果。當兩個立方體之間的強度差除以它們的平均值超過15%時，測試結果將被視為無效。除此之外，在試驗現場澆筑了18 m混凝土試驗板，分別為9 m的纖維混凝土和9 m的常規混凝土，其中包括:混凝土養護7 d的溫度檢測；混凝土分別養護1 d、8 d、28 d的裂縫檢測；混凝土養護7 d、28 d的抗壓強度試驗；混凝土養護28 d的拉伸試驗、抗彎試驗；取9個關鍵點位的樣品檢查混凝土澆筑的完整性。

3.3 抗拉強度試驗

選擇1個纖維混凝土試塊和1個普通混凝土試塊進行抗拉強度試驗，試驗照片如圖1a所示，養護均為28 d，纖維混凝土長度302 mm，直徑151 mm，測得飽和密度2 315 kg/mm3，最大承載力275 kN，抗拉強度3.84 MPa；普通混凝土長度300 mm，直徑149 mm，測得飽和密度2 340 kg/mm3，最大承載力291 kN，抗拉強度4.16 MPa，試塊試驗后裂縫如圖1b所示。

圖1 纖維混凝土和普通混凝土抗拉強度試驗

根據試驗結果，纖維混凝土和普通混凝土的抗拉強度差距不大，滿足規范BS EN 12390—6的要求，但是纖維混凝土的裂縫寬度在同等條件下較普通混凝土更小。

3.4 纖維含量檢測

為確保纖維含量滿足設計要求，隨機選取供應商提供的纖維混凝土中的纖維含量進行檢測。首先對混凝土進行取樣，灌入150 mm×150 mm×150 mm的模塊中；其次用水沖刷混凝土模塊，提取模具中的纖維并吸干水分；最后對提取出來的纖維進行稱重，纖維含量7.200 68 g/(150×150×150)mm3＝2.136 kg/m3＞2 kg/m3，滿足設計要求。

4 聚烯烴纖維混凝土軌道板現場試驗研究

為了評估混凝土配合比設計，850E項目在現場澆筑一個試驗板，使用設計的纖維劑量進行測試，來檢測試驗板的光潔度和其他性能。試驗板的長度為18 m，兩段為9 m。每個部分都將使用不同類型的混凝土建造，其中一種是纖維增強混凝土，另一種是普通鋼筋混凝土。纖維混凝土纖維含量2.0 kg/m3。

4.1 無砟軌道板設計

地鐵正線的軌枕間距為700 mm，車廠軌枕間距為1 000 mm，軌道板伸縮縫間距不得超過10 m；最小安全系數為1.50，輪緣摩擦系數為0.3，地鐵正線設計時速為90 km，車廠設計時速18 km，豎向荷載的水平力系數為0.4；制動和加速縱向荷載為編組最大值的25%除以編組長度，加速為編組最大值的20%；在排水溝內部寬度超過3 000 mm的結構均采用軌道板設計要求；地鐵正線軌道板厚度360 mm，車廠軌道板厚度230 mm。設計荷載具體參數如表2所示。

表2 設計荷載具體參數

4.2 試驗提升措施

為進一步提高纖維軌道板的表現，采取了如下措施:

(1)為獲得更好的性能，調整收縮縫間距為6.3 m，即正線每9個軌枕，車廠每6個軌枕，除非由于其他原因，如與排水井位置、轉轍機位置、電纜槽交叉點相沖突等。在這些情況下，裂紋誘導器的位置將移動到下一個可用的軌枕間距。可以增加或減少一個軌枕距離(正線700 mm，車廠1 000 mm)。

(2)對于非普通混凝土道床，為了減少集水坑角落或混凝土開口處的裂縫，建議使用塑料網或纖維網在二階混凝土內粘合。

(3)澆筑混凝土時，應將所有軌枕表面清理干凈，適當潤濕，以提高新拌混凝土與現有混凝土的結合力；所有的軌道板都要噴水，以保持養護狀態；脫模或任何其他可能干擾軌道板混凝土的活動，只能在澆筑24 h后進行。

(4)在混凝土達到設計強度C30/37之前，禁止機車通過。在必要時安排額外的混凝土立方體抗壓強度試驗，以驗證混凝土是否達到設計強度。

4.3 試驗板現場試驗

(1)試驗板取樣抗壓試驗

取試樣進行抗壓試驗，得到結果如表3所示，根據新加坡規范中對混凝土配合比設計規定，試驗結果滿足28 d齡的混凝土試塊的抗壓強度平均值至少達到10 MPa的要求，纖維混凝土28 d齡抗壓強度平均值為60.6 MPa，普通混凝土28 d齡抗壓強度平均值為58.45 MPa，均滿足要求。

表3 不同類似混凝土試驗材料抗壓試驗結果 MPa

(2)纖維混凝土彎曲韌性測試

對纖維混凝土板進行彎曲韌性測試，養護28 d，試驗如圖2所示，跨度為500 mm，比例極限荷載FL＝18.13 kN，比例極限為2.7 MPa，裂紋張開位移(CMOD1)0.5 mm；荷載F1＝3.97 kN，殘余彎曲強度FR1＝1.2 MPa，裂紋張開位移(CMOD2)1.5 mm；荷載F2＝2.39 kN，殘余彎曲強度FR2＝2.8 MPa，裂紋張開位移(CMOD3)2.5 mm；荷載F3＝2.74 kN，殘余彎曲強度FR1＝0.9 MPa，裂紋張開位移(CMOD2)3.5 mm；荷載F4＝2.44 kN，殘余彎曲強度FR4＝0.8 MPa。

圖2 纖維混凝土彎曲韌性測試

(3)試驗板的裂縫觀測

對試驗板進行24 h、8 d及28 d的裂縫觀測，不同養護時間普通混凝土與纖維混凝土裂縫合計對比如圖3所示。根據當地相關要求，纖維混凝土的裂縫占比普通混凝土70%以下才接受在盛港車廠中采用纖維混凝土軌道板。根據試驗結果，纖維混凝土裂縫24 h、8 d及28 d的裂縫占比普通混凝土的3.9%、8.81%和11.53%，遠遠滿足業主要求。除此之外，纖維混凝土裂縫寬度超過0.3 mm的數量為0。

圖3 普通混凝土與纖維混凝土試驗板裂縫對比

(4)試驗板取芯檢測

通過對試驗板進行抽樣取芯9個樣品，來檢測混凝土的密實度及與軌枕交接處的空洞情況。軌枕的原始設計是帶有孔洞來穿拉鋼筋，以減少普通混凝土軌道板的裂縫。但采用纖維混凝土后，就不再需要配筋，但由于孔洞和振搗等因素，軌道板和軌枕連接處可能會產生空洞。從觀測結果可以看出部分樣品存在較小的空洞情況，以及在試驗板和軌枕的交接處存在明顯的裂縫，普通混凝土與纖維混凝土試驗板取芯檢測代表斷面情況如圖4所示。但是這些問題可以通過在澆筑時進一步充分振搗來減少空洞現象，同時對軌枕預制時其側面進行更多的開鑿，以加強連接處的咬合力。

圖4 纖維混凝土試驗板取芯檢測代表斷面情況

4.4 纖維混凝土無砟軌道應用效果評價

試驗結果滿足各項指標要求，850E項目在新加坡盛港車輛段中軌道S19和S20采用了纖維混凝土作為軌道板，軌道S21采用普通鋼筋混凝土軌道板。同時對這三條軌道的裂縫進行了1 d、7 d、14 d及28 d的裂縫觀測。由于各段澆筑長度不同，為簡化對比數據，將裂紋產生量全部換算為每100 m軌道板產生量。纖維混凝土與普通混凝土整體裂縫情況對比分別如表4、表5所示。

表4 纖維混凝土與普通混凝土交界面裂縫情況對比

表5 纖維混凝土與普通混凝土非交界面裂縫情況對比

對于界面裂縫，可接受的裂縫率百分比標準(SFRC/SR)不應超過100%。根據表4可知，其中軌道S19，裂縫率為74.8% ＜100%；軌道S20，裂縫率為103.9%，比普通混凝土多3.9%，但是在5%的合理范圍區間內。從纖維混凝土整體軌道情況來看，裂縫率是91.1% ＜100%。通過檢查每一個不同澆筑節段發現，裂縫在S20 CH 1304-1502部位產生要遠高于其他位置，根據現場觀察，可能的原因如下:澆筑后養護措施不充分，S20 CH 1304-1502的實際養護晚于其他板坯；過早進行脫模，脫模活動是在混凝土硬化后不到24 h內進行。

對于纖維和普通軌道板，界面裂縫也可能與現有混凝土(軌枕)和新澆混凝土之間的粘結有關。界面開裂的部分原因可能是軌枕表面潮濕，要么太干要么太濕，這削弱了軌枕與新拌混凝土的界面結合。它還增加了混凝土的收縮。澆筑前軌枕表面的適當濕度將確保混凝土水分不會減少。

對于非界面裂縫，可接受的裂縫率百分比標準(SFRC/SR)不應超過70%。根據表5可知，軌道S19，裂縫率為10.8% ＜70%；軌道 S20，裂縫率為3.2% ＜70%。從纖維混凝土整體軌道情況來看，裂縫率是6.6%＜70%。

5 結束語

以新加坡850E地鐵無砟軌道鋪軌項目為依托，對聚烯烴合成纖維混凝土力學性能開展試驗研究，據此將其應用于無砟軌道中，對比普通混凝土板的裂縫改善性能，得到以下主要結論:

(1)設計了2種聚烯烴合成纖維混凝土配合比，并據此開展了相關力學試驗研究，確保滿足無砟軌道使用要求。結果表明，纖維混凝土28 d齡抗壓強度平均值為60.6 MPa，略大于普通混凝土28 d齡抗壓強度平均值為58.45 MPa，且滿足當地規范要求；纖維含量2.136 kg/m3＞2 kg/m3，滿足設計要求；纖維混凝土和普通混凝土的抗拉強度差距不大，滿足規范要求，但是纖維混凝土的裂縫寬度在同等條件下較普通混凝土更小；纖維混凝土裂縫24 h、8 d及28 d的裂縫占比普通混凝土的3.9%、8.81%和11.53%，纖維混凝土裂縫寬度超過0.3 mm的數量為0。

(2)通過試驗板取芯檢測發現部分樣品存在較小的空洞情況，以及在試驗板和軌枕的交接處存在明顯的裂縫，可通過在澆筑時進一步充分振搗來減少空洞現象，同時對軌枕預制時其側面進行更多的開鑿，以加強連接處的咬合力。為了進一步提高纖維軌道板的表現，建議收縮縫間距為6.3 m，即正線每9個軌枕，車廠每6個軌枕；對于非普通混凝土道床，建議使用塑料網在二階混凝土內粘合。

(3)纖維混凝土在新加坡盛港車輛段中軌道S19和S20軌道板中成功應用，經與普通混凝土軌道板裂縫產生情況對比，發現對于界面裂縫，纖維混凝土整體裂縫率91.1% ＜100%；對于非界面裂縫，纖維混凝土整體裂縫率6.6% ＜70%，遠遠滿足要求，也體現出纖維混凝土雖然造價成本要高，但是其裂紋產生遠小于普通混凝土，同時與鋼筋混凝土道床相比，纖維道床施工所需的人力、時間和材料更少，從而節省了人力和材料成本，交付風險最小，不會有鋼筋銹蝕的風險。