尹 京，葛 凱，李林香，杜香剛

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

鐵路橋梁電纜槽蓋板兼作人行道步行板，一般采用預(yù)制C40 鋼筋混凝土或活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）蓋板。目前使用的RPC 蓋板主要采用添加短切鋼纖維的方式提高結(jié)構(gòu)抗折強(qiáng)度，其厚度小于C40鋼筋混凝土蓋板的1/2，可以有效減少橋梁結(jié)構(gòu)二期恒載，安裝施工便捷，但其原材料和施工養(yǎng)護(hù)工藝要求較高，預(yù)制質(zhì)量不好時(shí)會(huì)降低結(jié)構(gòu)抗折強(qiáng)度，增加脆斷風(fēng)險(xiǎn)。

玄武巖纖維是一種抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫的纖維材料［1-3］。本文主要從2 個(gè)方面展開：①在RPC蓋板中將鋼纖維替換為玄武巖纖維，研究對(duì)RPC 構(gòu)件抗折性能的改善效果；②在RPC 蓋板中加入玄武巖纖維網(wǎng)片，以改善蓋板脆斷問(wèn)題。

玄武巖纖維復(fù)合型材作為電纜槽蓋板另一種輕質(zhì)化方案，應(yīng)從結(jié)構(gòu)承載能力和耐久性2 方面深入研究。由于玄武巖纖維復(fù)合型材自身結(jié)構(gòu)較輕，在高速鐵路列車風(fēng)或臺(tái)風(fēng)等荷載作用下，無(wú)法僅靠結(jié)構(gòu)物自重抵抗風(fēng)力，風(fēng)力較大時(shí)可能發(fā)生掀翻或吹飛情況，給行車安全帶來(lái)影響，需要對(duì)復(fù)合型材蓋板采取嚴(yán)格的防松動(dòng)限位措施。因此從安全角度考慮，應(yīng)通過(guò)設(shè)置可靠限位措施，在充分確保蓋板安全的情況下，方可考慮玄武巖纖維復(fù)合型材方案，本文對(duì)此不做展開探討。

1 玄武巖纖維網(wǎng)對(duì)RPC蓋板承載力的影響

高速鐵路RPC 蓋板厚度為25 mm，內(nèi)部加入短切鋼纖維，不設(shè)置縱橫向鋼筋，當(dāng)RPC 蓋板存在內(nèi)部缺陷時(shí)，在較大的集中荷載作用下可能發(fā)生脆斷，給檢修人員造成安全影響。通過(guò)在RPC 蓋板中增加成本相當(dāng)?shù)男鋷r纖維網(wǎng)［4-5］、普通玻纖三維網(wǎng)和E5 鋼筋網(wǎng)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證本文提出的加強(qiáng)方法的效果，以改善RPC蓋板脆性斷裂問(wèn)題。

RPC蓋板試件尺寸及其數(shù)量見(jiàn)表1。

表1 蓋板試件尺寸和數(shù)量

RPC蓋板試件采用R130級(jí)活性粉末混凝土，抗壓強(qiáng)度大于130 MPa，抗折強(qiáng)度大于16 MPa，蓋板試件的配合比見(jiàn)表2。

分別采用內(nèi)置玻纖三維網(wǎng)、玄武巖纖維網(wǎng)、E5 鋼筋網(wǎng)3 種不同加筋增強(qiáng)措施，3 種試驗(yàn)網(wǎng)片見(jiàn)圖1。測(cè)試RPC 蓋板抗裂及極限承載力，研究不同蓋板在集中荷載作用下的力學(xué)行為，記錄其開裂荷載與破壞荷載，并與普通RPC蓋板進(jìn)行對(duì)比。

試驗(yàn)依據(jù)Q/CR 2.1—2014《鐵路電纜槽蓋板和人行道步板第 1 部分：活性粉末混凝土型》附錄 E［6］采用集中力的加載方法，在蓋板中心進(jìn)行加載，設(shè)計(jì)荷載取1.5 kN。蓋板試驗(yàn)加載示意如圖2。

表2 RPC蓋板試件的配合比

圖1 3種試驗(yàn)網(wǎng)片

圖2 蓋板試驗(yàn)加載示意

不同加筋增強(qiáng)措施的蓋板加載撓度結(jié)果見(jiàn)表3—表6。不同加筋增強(qiáng)措施的蓋板開裂和破壞荷載見(jiàn)表7。

表3 玄武巖纖維網(wǎng)蓋板加載撓度

表4 玻纖三維網(wǎng)蓋板加載撓度

表5 E5鋼筋網(wǎng)蓋板加載撓度

表6 普通RPC蓋板（未加筋）加載撓度

表7 蓋板開裂和破壞荷載比較

根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］中關(guān)于電纜槽蓋板的設(shè)計(jì)要求，豎向靜活載須滿足5 kN/m2的均布荷載。依據(jù)Q/CR 2.1—2014集中荷載按1 500 N加載，由于實(shí)際蓋板寬度小于0.5 m，集中加載工況較設(shè)計(jì)規(guī)范要求的均布加載方式更為不利。

不同加筋措施的蓋板撓度和荷載曲線比較見(jiàn)圖3。可見(jiàn)：

1）采用本研究提出的不同加強(qiáng)纖維網(wǎng)均能滿足設(shè)計(jì)荷載要求，可以不同程度地提高蓋板承載能力，增大開裂與破壞之間的荷載差值，改善蓋板脆斷問(wèn)題，但降低了開裂荷載，其中E5 鋼筋網(wǎng)措施由于網(wǎng)格直徑相對(duì)蓋板厚度較大，明顯降低了蓋板的開裂荷載。

2）RPC 蓋板增加玄武巖纖維網(wǎng)片后，開裂荷載較普通RPC 蓋板略微降低4.8%，最終承載力提高7.0%，可有效改善脆斷問(wèn)題。試驗(yàn)中采用的網(wǎng)片厚度為1 mm，單列寬度為5 mm。若需要繼續(xù)提高承載力，增加纖維網(wǎng)片的厚度或?qū)訑?shù)，即可提高蓋板單位截面積中的纖維網(wǎng)面積，但這將直接影響制造成本。應(yīng)綜合考慮性價(jià)比，根據(jù)實(shí)際情況的需要確定玄武巖纖維網(wǎng)參數(shù)。

圖3 不同加筋措施的蓋板撓度和荷載曲線比較

2 玄武巖短切纖維對(duì)RPC試件抗折強(qiáng)度的影響

分別選取3 種玄武巖短切纖維［8-9］開展標(biāo)準(zhǔn)抗折試驗(yàn)，短切纖維長(zhǎng)度分別為6，12，18 mm，3 種纖維體積摻量分別為0.5%，1.5%，2.5%，組合為8組試件，并與添加鋼纖維（纖維體積摻量1.5%）、未添加纖維RPC 試件進(jìn)行對(duì)比。RPC 試件配合比與表1相同，試件尺寸為400 mm×100 mm×100 mm。

試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［10］，在試件中心進(jìn)行加載，如圖4所示。

圖4 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)加載示意（單位：mm）

通過(guò)測(cè)試試件破壞荷載，計(jì)算試件抗折強(qiáng)度。計(jì)算式為

式中：ff為試件抗折強(qiáng)度，MPa；F為試件破壞荷載，N；b為試件截面寬度，mm；h為試件截面高度，mm。

不同玄武巖短切纖維試件抗折試驗(yàn)結(jié)果比較見(jiàn)表8。不同玄武巖短切纖維摻量對(duì)RPC 抗折強(qiáng)度影響規(guī)律見(jiàn)圖5。

表8 不同玄武巖短切纖維試件抗折試驗(yàn)結(jié)果比較

圖5 不同纖維摻量對(duì)RPC抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律

由表8和圖5可見(jiàn)：

1）添加玄武巖短切纖維，可適當(dāng)提高RPC 蓋板的抗折強(qiáng)度，與未添加纖維的試件相比，纖維長(zhǎng)12 mm、體積摻量2.5%的試件抗折強(qiáng)度最大提高6.8%，纖維長(zhǎng)18 mm、體積摻量2.5%的試件抗折強(qiáng)度最大提高9.8%。

2）在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，添加玄武巖短切纖維，試件抗折強(qiáng)度隨著纖維長(zhǎng)度的增大而提高，隨纖維體積摻量的增大而提高。

3）添加玄武巖短切纖維對(duì)RPC 試件抗折強(qiáng)度提高效果遠(yuǎn)小于添加鋼纖維。

3 結(jié)論

通過(guò)在相同尺寸RPC 蓋板試件中分別加入玄武巖纖維網(wǎng)和玄武巖短切纖維，研究了其對(duì)鐵路橋梁RPC蓋板抗折性能的改善效果。主要結(jié)論如下：

1）RPC 蓋板增加玄武巖纖維網(wǎng)片后，開裂荷載較普通RPC 蓋板略微降低4.8%，最終承載力提高7.0%，可有效改善脆斷問(wèn)題。增加纖維網(wǎng)片的厚度或?qū)訑?shù)，可繼續(xù)提高蓋板承載能力，但加工成本也將隨之提高，實(shí)際工程中應(yīng)綜合考慮性價(jià)比。

2）添加玄武巖短切纖維，可適當(dāng)提高RPC 蓋板的抗折強(qiáng)度，與未添加纖維的試件相比，纖維長(zhǎng)12 mm、體積摻量2.5%的試件抗折強(qiáng)度最大提高6.8%，纖維長(zhǎng)18 mm、體積摻量2.5%的試件抗折強(qiáng)度最大提高9.8%。在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，添加玄武巖短切纖維后試件抗折強(qiáng)度隨著纖維長(zhǎng)度的增大而提高，隨纖維體積摻量的增大而提高。