張劭明,李小和

(1.中鐵豐橋橋梁有限公司,北京 100070；2.中鐵六局集團(tuán)有限公司,北京 100036)

1 概述

我國(guó)鐵路T梁一直采用定型設(shè)計(jì)產(chǎn)品,每個(gè)跨度的梁外形尺寸是確定的。為適應(yīng)特殊線路工況并滿足橋下凈空要求,20世紀(jì)90年代初曾設(shè)計(jì)使用過(guò)低高度簡(jiǎn)支T梁,但由于當(dāng)時(shí)過(guò)分關(guān)注產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性,對(duì)結(jié)構(gòu)剛度儲(chǔ)備考慮欠足,在應(yīng)用中有過(guò)波折,后因多種原因在20世紀(jì)90年代末不用了。

經(jīng)過(guò)多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)踐的積累,根據(jù)我國(guó)鐵路列車行車速度的進(jìn)一步提高的要求,目前正在使用的標(biāo)準(zhǔn)圖有《時(shí)速160 km客貨共線鐵路預(yù)制后張法簡(jiǎn)支T梁》(通橋(2005)2101)和《時(shí)速200 km客貨共線鐵路T形梁》(通橋(2005)2201),跨度有32、24、20、16、12 m 5種,梁體混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55。

近年來(lái),隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,鐵路、公路和城市道路、房屋建筑等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅速,特別是在新一輪鐵路建設(shè)高潮中,各種建筑物的交叉越來(lái)越多,相互影響和制約的矛盾逐漸突出,對(duì)鐵路橋梁梁下凈空及線路高程的限制越來(lái)越苛刻。如果能在特殊情況下適當(dāng)降低梁體的結(jié)構(gòu)高度,非常有利于解決既有建筑物對(duì)新建鐵路制約的難題,同時(shí),在保證橋下凈空的前提下降低線路高程,能大量減少橋梁兩側(cè)的工程數(shù)量,降低工程造價(jià)。因此,低高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁有工程需求。

RPC(活性粉末混凝土)具有超高強(qiáng)度、高彈模、高耐久性、高延性等特點(diǎn),可以從材料上解決低高度橋梁的應(yīng)用問(wèn)題。2008年,中鐵六局承擔(dān)了薊港鐵路北塘西至東大沽擴(kuò)能改造工程,該工程設(shè)計(jì)采用RPC單線簡(jiǎn)支T梁計(jì)19孔,其中32 m梁14孔,24 m梁5孔。此前,國(guó)內(nèi)僅有過(guò)少量預(yù)制跨度20 m RPC簡(jiǎn)支T梁的工程實(shí)例,大跨度的32 m、24 m梁生產(chǎn)制造尚無(wú)先例。

2 國(guó)內(nèi)外RPC混凝土的發(fā)展簡(jiǎn)介

RPC(Reactive Powder Concrete)是活性粉末混凝土的簡(jiǎn)稱,是繼高強(qiáng)、高性能混凝土之后,在20世紀(jì)90年代中期通過(guò)采用常規(guī)的水泥等材料開(kāi)發(fā)出的超高強(qiáng)度、高耐久性、高韌性和體積穩(wěn)定性良好的水泥基復(fù)合材料。它的基本配制原理是：通過(guò)提高組分的細(xì)度與活性,使材料內(nèi)部的缺陷(孔隙與微裂縫)減小到最少,獲得超高強(qiáng)度與耐久性。原材料中活性組分由水泥、礦粉、細(xì)石英砂等構(gòu)成。該材料已成為國(guó)際建筑工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1993年,法國(guó)的BOUYGUES公司成功研制出了RPC,并與美國(guó)陸軍工程師團(tuán)合作生產(chǎn)出RPC制品,后來(lái)加拿大、韓國(guó)、美國(guó)和澳大利亞等國(guó)家在橋梁工程上均有應(yīng)用。RPC的抗壓強(qiáng)度可超過(guò)200 MPa、抗折強(qiáng)度達(dá)50 MPa、斷裂能可達(dá)40 kJ/m2、彈性模量大于4.6×104MPa。

我國(guó)有關(guān)RPC研究主要在幾所高校,在橋梁附屬和主體結(jié)構(gòu)中均有應(yīng)用。如青藏鐵路的部分人行道板、客運(yùn)專線的管溝蓋板。在橋梁主體結(jié)構(gòu)方面,遷曹鐵路試用了跨度20 m的活性粉末混凝土(RPC)預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支T梁。

3 RPC簡(jiǎn)支T梁的特點(diǎn)和制造難點(diǎn)

3.1 RPC與普通混凝土組分有較大的差異

本工程RPC梁采用的原材料如下。

(1)骨料。骨料采用三級(jí)配特制石英砂。

(2)專用混合料。目前RPC梁尚處于研制階段,專用混合料由RPC梁的科研單位配制。

(3)高強(qiáng)度鋼絲纖維。直徑0.18～0.25 mm,長(zhǎng)度12～14 mm,長(zhǎng)徑比不得小于40,抗拉強(qiáng)度不得低于2 860 MPa,彈性模量不得低于1.9 GPa,其余性能應(yīng)滿足《鋼纖維混凝土》(JG/3064—1999)要求。鋼纖維攪拌均勻有很大的難度,如何使拌和物均勻,鋼纖維不結(jié)團(tuán)是混凝土拌和需要解決的難點(diǎn)。

由于原材料組分的變化,對(duì)混凝土原材料質(zhì)量控制、配合比試配,以及RPC拌和、澆筑、養(yǎng)護(hù)等,都提出新的高要求,存在新的難度。專用摻和料為袋裝且比重小,高強(qiáng)度鋼纖維比重大,造成攪拌站上料困難,對(duì)攪拌站如何進(jìn)行改造,保證上料并稱量準(zhǔn)確,也是本課題重點(diǎn)解決的問(wèn)題之一。

3.2 力學(xué)性能與普通混凝土相比差異較大

RPC梁設(shè)計(jì)抗壓、抗拉強(qiáng)度都遠(yuǎn)高于普通混凝土,彈性模量相差不大,主要性能指標(biāo)如下：極限抗壓強(qiáng)度≥120 MPa；極限抗拉強(qiáng)度≥14 MPa；彈性模量≥43.8 GPa。

通過(guò)試驗(yàn)研究,制定合理的工藝控制措施,既能使RPC梁滿足力學(xué)性能要求,又能使RPC梁具有良好的工作性能,保證預(yù)制質(zhì)量,是我們應(yīng)該達(dá)到的目標(biāo)。

3.3 截面特征有差異

針對(duì)薊港鐵路專門設(shè)計(jì)的道砟橋面預(yù)應(yīng)力RPC簡(jiǎn)支T梁,與該線普遍采用的通用簡(jiǎn)支T梁相比,梁高減小700 mm,下翼緣(底板)加寬180 mm,梁重略有減輕。詳見(jiàn)表1和圖1、圖2。

表1 RPC簡(jiǎn)支T梁與通橋簡(jiǎn)支T梁、主要技術(shù)參數(shù)

圖1 32 m RPC簡(jiǎn)支T梁截面(單位：mm)

圖2 32 m 2101簡(jiǎn)支T梁截面(單位：mm)

由于32 m跨度RPC梁首次試制,采用的原材料與普通混凝土有很大的差異,無(wú)論從原材料、工裝設(shè)備、拌制、澆筑、養(yǎng)護(hù)都是全新的課題,需要認(rèn)真研究。另外,為方便抹面以及保護(hù)橋面防水層,RPC梁頂面20 mm厚設(shè)計(jì)采用細(xì)石混凝土,澆筑時(shí)橋面的厚度控制也有一定難度。如何保證上層混凝土厚度均勻、界面平整、混凝土數(shù)量精準(zhǔn)以及兩層混凝土的有效銜接,也是需要解決的問(wèn)題之一。

4 RPC簡(jiǎn)支T梁預(yù)制工藝要點(diǎn)

4.1 配合比的選定

本梁體RPC設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度為120 MPa,彈性模量設(shè)計(jì)值43.8 GPa。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和研究單位的成果,結(jié)合澆筑工藝要求的(160±20)mm坍落度,原材料選擇如下。

(1)水泥采用品質(zhì)穩(wěn)定、強(qiáng)度等級(jí)42.5級(jí)、符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的低堿普通硅酸鹽水泥。

(2)骨料為半透明、白色的高品質(zhì)石英砂,SiO2含量大于98%,泥土含量不應(yīng)大于0.5%,骨料采用三級(jí)配,其余技術(shù)指標(biāo)符合《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ52—2006)要求。

(3)外加劑選用RPC增強(qiáng)劑,并與所用水泥及復(fù)合摻和料具有良好的適應(yīng)性能。

(4)高強(qiáng)度鋼纖維直徑0.18～0.22 mm,長(zhǎng)度12～14 mm,強(qiáng)度大于2 860 MPa,其他性能指標(biāo)滿足《鋼纖維混凝土》(JG/T3064)的要求。

(5)科研單位針對(duì)RPC專門配置的專用摻和料,這種摻和料的SiO2含量大于85%,流動(dòng)度比90%以上。

材料選定后,根據(jù)科研單位提供的建議配合比,在試驗(yàn)室進(jìn)行試配攪拌,對(duì)各齡期強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能和耐久性指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn),后又進(jìn)行了模擬梁體的工藝試驗(yàn),確定了拌和工藝及施工配合比。

4.2 工藝裝備的配置

RPC的強(qiáng)度及彈性模量高,梁體高度又低(24 m跨RPC梁高僅1.3 m),需要重新配置鋼模,其設(shè)計(jì)制造既要能保證梁體各部尺寸,又要方便安裝與拆卸。

4.3 拌和設(shè)備改造

由于計(jì)量精度比預(yù)制T梁要求高,拌和時(shí)間長(zhǎng),現(xiàn)有拌和站不能滿足摻和料和鋼纖維上料的要求,需對(duì)拌和站進(jìn)行改造,以保證稱量準(zhǔn)確、上料連續(xù)、攪拌均勻。

(1)針對(duì)石英砂干燥、容易從縫隙中漏出的問(wèn)題,對(duì)原來(lái)的儲(chǔ)料倉(cāng)倉(cāng)門進(jìn)行了密封處理,更換了閘板閥,保證了石英砂計(jì)量的準(zhǔn)確性。

(2)針對(duì)專用混合料的懸浮狀,設(shè)置了專門的上料和計(jì)量平臺(tái),將傳送帶出料口和中途缸進(jìn)行密封處理,減少其沿程損失,并有效避免揚(yáng)塵。

(3)針對(duì)鋼纖維進(jìn)料和計(jì)量困難,設(shè)置了專門的進(jìn)料平臺(tái)和振動(dòng)裝置,在保證鋼纖維進(jìn)料順暢的同時(shí),可使其由交織狀變?yōu)榉稚?減少鋼纖維在攪拌過(guò)程中的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。

當(dāng)還是孩子的時(shí)候，他曾試圖用一只舊的祿萊可德（ROLLEICORD）相機(jī)拍攝上帝。有人告訴他一位拉比曾見(jiàn)過(guò)上帝。威特金拜訪了這位拉比，但是沒(méi)有見(jiàn)到上帝。到哪兒去找上帝呢，他問(wèn)自己。是如基督教所訓(xùn)示的，在人群之中？那么又在什么人之中呢？難道沒(méi)有可能，上帝恰恰是通過(guò)那些在身體或精神上迥異于主流人群的人來(lái)示現(xiàn)自身？實(shí)際上，喬-彼得·威特金的創(chuàng)作核心，反映的正是類似這樣的哲學(xué)思考。

生產(chǎn)廠家無(wú)法提供散裝摻和料,由于摻和料密度小、質(zhì)量輕,為減少摻和料在輸送、傾倒過(guò)程中質(zhì)量損失,對(duì)平皮帶、斜皮帶以及平臺(tái)出料口進(jìn)行了封閉處理。

(4)針對(duì)單方配比中減水劑用量大,增大了劑秤容量,盡量減少攪拌過(guò)程中二次配料或多次配料的不利影響。

(5)攪拌機(jī)采用強(qiáng)制式臥軸攪拌機(jī),原材料計(jì)量采用電子計(jì)量系統(tǒng),總攪拌時(shí)間不得短于7 min。

4.4 RPC梁段模擬工藝試驗(yàn)

鑒于RPC的特殊性及可供參考的工程實(shí)例極少,為檢驗(yàn)RPC的工作性能及工藝裝備的改造是否能滿足生產(chǎn)需要,保證RPC梁預(yù)制質(zhì)量,進(jìn)行了3次拌和、澆筑模擬工藝試驗(yàn)。

第一次試驗(yàn)利用現(xiàn)有工裝和混凝土拌和設(shè)備,模板采用高度相近的通橋(2005)2101跨度20 m簡(jiǎn)支T梁的模板,配筋也參照通橋(2005)2101跨度20 m梁,模擬RPC梁中間4 m梁段尺寸進(jìn)行試驗(yàn)。

第二次試驗(yàn)使用專門制作的RPC 32 m梁模板,鋼筋也按照RPC 32 m梁設(shè)置,安裝了管道橡膠抽拔管,選擇中間4 m梁段腹板以下進(jìn)行試驗(yàn)。針對(duì)第一次試驗(yàn)顯現(xiàn)的問(wèn)題,調(diào)整了配合比、工裝和施工工藝。試驗(yàn)結(jié)果顯示整體狀況有所改善,外觀明顯好于第一次試驗(yàn),試件強(qiáng)度和彈性模量有所提高。

4.5 RPC的澆筑

由于RPC混凝土中含有鋼纖維,使得澆筑困難加大,如何控制下料位置、速度及厚度,是保證梁體澆筑質(zhì)量的關(guān)鍵工藝。

采用連續(xù)、一次成型的澆筑工藝,下料要均勻,每層澆筑厚度不得超過(guò)20 cm。由于RPC混凝土所需攪拌時(shí)間長(zhǎng),表面硬化快,所以要嚴(yán)格控制澆筑時(shí)間和運(yùn)輸距離。

混凝土振搗以附著式振搗器為主、插入式振搗器為輔,由于RPC比普通的高性能混凝土黏稠,應(yīng)增設(shè)附著式振動(dòng)器數(shù)量,加強(qiáng)振搗。

4.6 養(yǎng)護(hù)

RPC梁的養(yǎng)護(hù)比較特殊,主要有以下2點(diǎn)。

(1)采用2次蒸養(yǎng)法。即靜停,第一次升溫、恒溫、降溫養(yǎng)護(hù),拆模；第2次升溫、恒溫、降溫養(yǎng)護(hù)的養(yǎng)護(hù)方式。

(2)要求養(yǎng)護(hù)棚內(nèi)溫度升溫至70℃以上,這與普通梁的養(yǎng)護(hù)有較大的差異,因此要研究制定RPC梁的養(yǎng)護(hù)制度。

經(jīng)過(guò)1年多的試驗(yàn)、試生產(chǎn)及正式生產(chǎn),已形成一套比較成熟的RPC梁生產(chǎn)工藝,為今后大批量的生產(chǎn)RPC梁打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)鐵路32 m跨度RPC簡(jiǎn)支T梁預(yù)制的試驗(yàn),選定了施工配合比和拌和、澆筑工藝,掌握了養(yǎng)護(hù)技術(shù),積累了大跨度RPC簡(jiǎn)支T梁的預(yù)制經(jīng)驗(yàn),可供類似工程借鑒。

(2)鐵路特別是客運(yùn)專線對(duì)橋梁的剛度要求很高,RPC梁雖然比普通混凝土梁成本高,工藝尚欠成熟,但相對(duì)于鋼結(jié)構(gòu),其豎向剛度有一定優(yōu)勢(shì),深入開(kāi)展RPC及其在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究,具有現(xiàn)實(shí)意義。

(3)作為特種水泥基材料,要推廣用于大體積結(jié)構(gòu),如何降低成本提高其經(jīng)濟(jì)性是應(yīng)考慮的問(wèn)題。

[1]中鐵六局集團(tuán)有限公司.普通鐵路道砟橋面預(yù)應(yīng)力RPC簡(jiǎn)支T梁制造技術(shù)研究報(bào)告[R].北京：2010.

[2]屈文俊，秦宇航.活性粉末混凝土(RPC)研究與應(yīng)用評(píng)述[J].結(jié)構(gòu)工程師，2007，23(5).

[3]季文玉.活性粉末混凝土鐵路預(yù)制梁的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[R].北京：北京交通大學(xué)，2010.

[4]白 泓，高 日.活性粉末混凝土(RPC)在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].建筑科學(xué)，2003，19(4).