RPC與鋼筋混凝土蓋板抗彎承載能力對比試驗研究

聶良鵬 李正垣 高自恒 安 靜

（云南通衢工程檢測有限公司，云南 昆明 650000）

0 引言

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete簡稱RPC）是由法國Bouygues公司Richard［1］等采用水泥、硅灰、石英砂、高效減水劑和鋼纖維，按一定配合比經(jīng)高溫高壓養(yǎng)護(hù)形成的一種新型水泥復(fù)合基材料。其特點是韌性好、強度高、耐久性強以及體積穩(wěn)定性好，具有廣泛的應(yīng)用前景，已成為目前工程材料領(lǐng)域的研究熱點。

目前國內(nèi)外針對RPC受彎性能已進(jìn)行了較多的研究，表明RPC材料具有優(yōu)異的受力性能。王剛［2］測定了不同配合比下RPC試件的抗壓強度和抗折強度，研究了各組成材料對RPC力學(xué)性能的影響機(jī)理。陳宏偉［3］對RPC蓋板的抗彎性能展開了試驗研究，研究發(fā)現(xiàn)：活性粉末混凝土具備良好的延展性能，且構(gòu)件在破壞時表現(xiàn)為延性破壞；同時還發(fā)現(xiàn)影響活性粉末混凝土延性的重要因素主要有兩種。孫建新［4］分別采用摻加塑性膨脹劑以及普通膨脹劑的兩種配制方法，配比出了一種能夠滿足設(shè)計要求且經(jīng)濟(jì)的活性粉末混凝土。為研究哪些因素會影響RPC簡支梁構(gòu)件受剪承載能力，金凌志、周家亮等［5］通過對比剪跨比分別為2.25和3.0的6根2組矩形梁構(gòu)件，進(jìn)行了抗剪承載能力試驗，同時也分析了配箍率對受剪構(gòu)件承載能力的影響。閆光杰等［6］采用試驗研究的方法對RPC200人行道板抗彎承載力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：活性粉末混凝土人行道板在滿足承載能力要求的情況下，具備了良好的延性材料的性能，破壞過程表現(xiàn)出了明顯的延性。

在公路隧道中，電纜溝蓋板傳統(tǒng)上都采用鋼筋混凝土預(yù)制蓋板，隨著活性粉末混凝土（RPC）技術(shù)的不斷成熟，公路隧道中逐漸開始采用RPC蓋板。兩種蓋板均具有各自的特點，針對二者在受力特征、破壞機(jī)理、安全狀況等方面的對比研究還較為缺乏。因此，筆者基于公路隧道電纜溝蓋板的實際工作狀態(tài)，對RPC130蓋板和傳統(tǒng)的鋼筋混凝土蓋板進(jìn)行了對比靜載試驗，研究其受力性能的異同，以便為公路隧道RPC蓋板的推廣提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗設(shè)計

1.1 試件選擇

RPC蓋板采用德國佑琳生有限責(zé)任公司生產(chǎn)的RPC-130纖維增強活性粉末混凝土隧道橋梁電纜槽蓋板，鋼纖維含量為4%（按重量計），材料性能要求如表1所示。蓋板長寬厚尺寸為730 mm×490 mm×25 mm，數(shù)量為3塊，編號為RPC-1～RPC-3。鋼筋混凝土蓋板長寬厚尺寸為730 mm×490 mm×100 mm，混凝土強度等級為C30，受力主筋為4根φ12的HRB400鋼筋，保護(hù)層厚度為20 mm（見圖1），數(shù)量為3塊，編號為RC-1～RC-3。

表1 RPC材料性能要求

圖1 RPC與鋼筋混凝土蓋板尺寸圖（單位：mm）

1.2 試驗方法

參照《檢查井蓋》（GB/T 23858—2009）［7］的試驗方法，采用自制壓力試驗儀器進(jìn)行試驗加載，如圖2所示。兩種蓋板加載跨徑均為670 mm，采用相同的加載方式，比較兩者在相同條件下的開裂荷載、破壞荷載，分析其安全系數(shù)。

圖2 試驗裝置

蓋板支承方式為簡支，采用液壓千斤頂進(jìn)行單點集中加載，加載點設(shè)置在蓋板中央，加載梁為長50 cm，寬7 cm的工字梁，工字梁下鋪設(shè)5～10 mm厚細(xì)砂進(jìn)行荷載調(diào)節(jié)，具體如圖3所示。板底跨中處受彎拉應(yīng)變采用電阻應(yīng)變片測試，每片板底粘貼3片ZSM120-80AA電阻應(yīng)變片，測試儀器采用DH3819無線靜態(tài)應(yīng)變采集儀，應(yīng)變測點布置如圖4所示。板底撓度采用百分表測試，兩個支座和跨中處各設(shè)置1個百分表，具體如圖5所示。荷載數(shù)值采用量程5 t的壓力傳感器直接讀取。

圖3 荷載加載位置

圖4 應(yīng)變測點布置（單位：mm）

圖5 撓度測點布置圖

加載方式采用分級加載，預(yù)估蓋板的開裂荷載，在開裂前分8級進(jìn)行加載，待每級荷載加載完成，穩(wěn)定約5 min后，讀取力值、百分表數(shù)值以及應(yīng)變數(shù)值。蓋板開裂后按位移進(jìn)行加載控制，每一級加載完成后穩(wěn)定5 min再讀數(shù)。

數(shù)據(jù)處理時，取3個應(yīng)變測點的平均值作為跨中受拉應(yīng)變值；跨中百分表讀數(shù)，扣除支座處的沉降值之后，作為跨中撓度數(shù)值。蓋板開裂時刻主要依據(jù)荷載—應(yīng)變曲線判定，跨中受彎拉應(yīng)變突變時刻即為開裂時刻，并輔之以荷載—撓度曲線、肉眼觀察裂縫兩種方式進(jìn)行綜合判斷。

2 試驗結(jié)果分析

在蓋板的整個受力破壞過程中，混凝土開裂時刻對應(yīng)的外荷載定義為開裂荷載，破壞過程中最大的外荷載定義為破壞荷載。經(jīng)過試驗，得到鋼筋混凝土蓋板和RPC130蓋板的撓度—荷載曲線和應(yīng)變—荷載曲線，如圖6至圖9所示。

圖6 RPC蓋板荷載—撓度曲線

圖9 鋼筋混凝土蓋板荷載—應(yīng)變曲線

圖8 RPC蓋板荷載—應(yīng)變曲線

2.1 試件破壞過程

由圖6可知，RPC130蓋板的破壞全過程大致可分為三個階段。

①全截面受力階段：當(dāng)荷載較小時，撓度隨著荷載的增加而不斷增長，兩者基本上成比例，在這一階段的最后時刻，達(dá)到裂縫出現(xiàn)的臨界點。

②帶裂縫工作階段：此階段板裂縫迅速擴(kuò)展至全寬，由于混凝土已開裂，原本由混凝土承擔(dān)的拉力立即轉(zhuǎn)移至鋼纖維，隨著荷載不斷增加，裂縫寬度逐漸變寬，撓度變大，鋼纖維的拉應(yīng)力不斷提高，其中越靠下的鋼纖維拉應(yīng)力越大，并由下往上，逐步達(dá)到屈服，鋼纖維拉力的合力和受壓區(qū)混凝土壓力的合力組成力偶，當(dāng)力偶矩達(dá)到最大值時，外荷載達(dá)到峰值。

③破壞階段：因為本試驗采用千斤頂加載，相當(dāng)于位移控制模式。外荷載達(dá)到峰值后，繼續(xù)加載，隨著蓋板跨中繼續(xù)下?lián)希w板下部鋼纖維不斷出現(xiàn)斷裂或者被拔出，力偶矩逐漸減小，外荷載的數(shù)值逐漸減小。若采用力控制模式，則蓋板在荷載達(dá)到峰值后，會迅速斷裂。RPC蓋板破壞后，板底出現(xiàn)一條單一的受彎主裂縫，典型破壞情況如圖10所示。

圖10 RPC蓋板破壞形態(tài)

由圖7可知，鋼筋混凝土蓋板的破壞呈現(xiàn)出典型的適筋梁破壞特征，破壞全過程與RPC130蓋板相似，也呈現(xiàn)三階段的特征。

圖7 鋼筋混凝土蓋板荷載—撓度曲線

①全截面受力階段：當(dāng)荷載較小時，混凝土未開裂，蓋板處于全截面受力狀態(tài)，撓度隨著荷載的增加而不斷增長，兩者基本上成比例，在這一階段的最后時刻，達(dá)到裂縫出現(xiàn)的臨界點。

②帶裂縫工作階段：在全截面受力階段的末點，混凝土拉應(yīng)力達(dá)到混凝土抗拉強度，混凝土迅速開裂，并將承擔(dān)的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)移至受拉主筋，隨著荷載不斷增加，鋼筋應(yīng)力不斷增大，裂縫不斷變寬，混凝土受壓區(qū)高度也有所減小，在這一階段的末尾，鋼筋達(dá)到屈服。

③破壞階段：鋼筋達(dá)到屈服后，鋼筋應(yīng)力保持不變，隨著撓度增大，受壓區(qū)高度仍有輕微上移，外荷載仍有少量增加，當(dāng)受壓區(qū)混凝土完全壓碎破壞后，外荷載達(dá)到峰值，繼續(xù)施加位移，外荷載數(shù)值反而減小，蓋板完全破壞，典型破壞情況如圖11所示。

圖11 鋼筋混凝土蓋板破壞形態(tài)

對比兩者的破壞過程，均表現(xiàn)出適筋梁的破壞特征，最終的破壞荷載均大于開裂荷載。

2.2 荷載結(jié)果分析

根據(jù)荷載—應(yīng)變曲線中的應(yīng)變實變點，判定蓋板開裂時刻，得到蓋板的開裂荷載、破壞荷載、開裂應(yīng)變、開裂撓度等實測值；按《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》（TB 10002—2017）［8］當(dāng)中的人行道板的豎向集中荷載1.5 kN檢算，計算得到各片蓋板的安全系數(shù)，具體結(jié)果如表2所示。由表2可知以下幾個方面。

表2 靜載試驗實測數(shù)據(jù)

相對于設(shè)計荷載1.5 kN，RPC130蓋板的開裂荷載和破壞荷載的平均安全系數(shù)分別為2.19和3.08，鋼筋混凝土蓋板則分別為9.93和16.87，均大于2，滿足規(guī)范要求。鋼筋混凝土蓋板平均抗彎承載能力約為RPC蓋板的5倍，相對于設(shè)計人行荷載1.5 kN來說，過于浪費。

RPC130蓋板開裂應(yīng)變平均值為219 με，明顯大于鋼筋混凝土蓋板的128 με，說明相比于普通混凝土，RPC材料具有更好的韌性和延性。

每片鋼筋混凝土蓋板的重量約為86 kg，RPC蓋板的重量約為26 kg，在滿足承載力要求的情況下，采用RPC蓋板可大幅降低結(jié)構(gòu)自重荷載，降低安裝勞動強度。

3 結(jié)論

①RPC蓋板中鋼纖維的作用類似于鋼筋混凝土梁中的受拉鋼筋。由于適量鋼纖維的存在，RPC蓋板的破壞過程與普通鋼筋混凝土蓋板相似，呈現(xiàn)典型的適筋梁破壞特征；通過增加鋼纖維的含量，可提高RPC蓋板的抗彎極限承載力。

②RPC130蓋板開裂應(yīng)變平均值為219 με，明顯大于鋼筋混凝土蓋板的128 με，說明相比于普通混凝土，RPC材料具有更好的韌性和延性。

③相對于設(shè)計荷載1.5 kN，RPC130蓋板和鋼筋混凝土蓋板開裂荷載和破壞荷載的平均安全系數(shù)均大于2，承載能力均能滿足規(guī)范要求。RPC蓋板的重量約為26 kg，不到普通鋼筋混凝土蓋板重量的1/3，在滿足承載力要求的情況下，采用RPC蓋板可大幅降低安裝勞動強度，具有很好的推廣價值。