客运专线桥梁人行道盖板挡板RPC研究

■ 牛丽坤

1 概述

活性粉末混凝土（RPC）是通过将被认为是导致混凝土容易产生缺陷的粗集料剔除，再根据密实堆积原理，减小细骨料粒径，在热压条件下成型，并高温蒸压而成。根据RPC组成和热处理方式的不同，其抗压强度可达200～800 MPa，抗拉强度可达20～50 MPa，弹性模量为40～60 GPa，断裂韧性高达40 000 J/m2，是普通混凝土的250倍，氯离子渗透性仅为高强混凝土的1/25，抗渗透能力极强。

人行道板是桥梁的附属设施，主要承受行人和相应小型养路机械设备等荷载。目前铁路人行道板混凝土强度等级较低、耐久性差、抵抗冲击能力低、施工质量差，普遍存在混凝土腐蚀掉块、钢筋锈蚀、板折断等病害，有的已经危及行人及施工机具安全。同时，普通混凝土人行道板自重大，增加了桥梁质量，致使桥梁的竖横向动力特性较差。我国正在新建的高速铁路设计等级提高，设计使用寿命延长，采用普通混凝土制成的人行道板难以满足相应的性能及使用寿命要求。结合RPC的优越性，在铁路桥梁上采用新型RPC人行道板结构型式替代传统角钢支架及普通混凝土板，不仅提高了构件本身的使用寿命和耐久性，大大减少了人行道板结构的维修工作量，还大幅提升了桥梁整体性能，具有重大的科学价值和现实意义。

2 RPC组成材料的性能要求

RPC的主要组成材料包括胶凝材料、骨料、拌和水、复合外加剂及钢纤维等。为使制备出的RPC试件达到相应的性能要求，RPC使用的原材料除应满足国家相关规范、技术标准要求外，还必须符合以下要求。

2.1 胶凝材料

RPC胶凝材料一般由水泥和高活性矿物掺合料组成，应尽量使用需水量较低、与高效减水剂相容性较好、品质稳定、强度等级不低于P.O.42.5的低碱硅酸盐水泥或低碱普通硅酸盐水泥，并要求水泥熟料中的C3A含量不大于8%，不建议采用过高强度等级的水泥。

RPC必须采用包括硅粉在内的高活性矿物掺合料，使用的高活性矿物掺合料应满足国家相关规范要求，硅粉的活性SiO2含量宜在92%以上。

2.2 骨料

RPC对骨料有严格要求。骨料应质地坚硬，不宜含有轻物质或云母等杂质。优先选用石英砂，可选用经水清洗过的满足粒径要求的优质河砂；骨料最大粒径宜小于1.18 mm；连续级配骨料范围宜在0.075～1.18 mm，也可选用几种不同粒级的间断级配骨料进行混合，选用原则：使得骨料体系的堆积密实度尽量接近于最大值；含泥量应小于0.5%。

2.3 钢纤维

钢纤维对RPC的抗拉强度、韧性具有显著影响。主要应从RPC的工作性能及力学性能两方面优选钢纤维。RPC采用的钢纤维长度应不大于15 mm，长径比不宜小于50。钢纤维抗拉强度不宜小于1 500 MPa，其他性能应满足JG 3064—1999的要求。

2.4 外加剂

为使RPC具有良好的工作性能，必须掺入高效的化学外加剂——非引气型外加剂。外加剂的减水率应不小于25%，不得使用会导致钢筋或钢纤维锈蚀的外加剂。外加剂的其他指标应满足GB 8076—2008的规定。

2.5 拌和水

RPC使用的拌和水应满足JGJ 63—2006的要求。

3 RPC的挡板、盖板技术指标

根据《客运专线活性粉末混凝土（RPC）材料人行道板挡板、盖板暂行技术条件》的相关规定，对同条件养护RPC力学性能和耐久性能要求如下：抗压强度≥130 MPa；抗折强度≥18 MPa；弹性模量≥48 GPa；氯离子渗透量（6 h库仑电量）<40 C；抗冻标号>F500。

4 配合比参数与性能的关系

4.1 水胶比

水胶比是水泥基材料的重要参数。水胶比增大，水泥基材料的孔隙率增加，强度减少。因而，水胶比与强度有直接关系。水胶比对RPC抗压强度和抗折强度的影响结果见图1。

从图1中可以看出，当RPC的水胶比大于0.20，其抗压强度在120 MPa以下，抗折强度小于15 MPa；但当水胶比小于0.2，RPC的抗压强度和抗折强度随水胶比的降低而快速增加。因此，为了使RPC的抗压强度在130 MPa以上，RPC的水胶比应小于0.2。

4.2 活性矿物掺合料掺量

硅粉是RPC中的关键组分之一，其掺量对RPC的强度有重要影响。不同硅粉掺量的RPC强度见表1。由表1可知，RPC中硅粉与水泥的质量比应在0.25～0.30。硅粉掺量较小时，RPC强度较低。

4.3 砂胶比（质量比）

一定粒径的砂子在RPC中起到骨架作用，并会影响RPC拌和物的工作性能。因此，选择适当的砂子骨料对制备性能优良的RPC非常重要。不同砂胶比条件下RPC试件的流动性和强度试验结果见表2。RPC的水胶比为0.19，钢纤维掺量为2%。

表1 活性矿物掺合料（硅粉）掺量对RPC强度的影响

砂胶比对RPC（未掺钢纤维）抗压和抗折强度的影响见图2。砂胶比对RPC拌和物的流动性和硬化后的强度有显著影响。随着砂胶比的增大，RPC拌和物的流动性减少，强度增大，但当砂胶比超过1.3，RPC拌和物的流动性显著降低，强度不再增加。这表明，存在最佳的砂胶比范围，使得RPC具有满意的工作性和强度，本实验条件下RPC的砂胶比范围宜选择1.1～1.3。

5 RPC的典型组成与强度

根据试验研究结果，可得到RPC的典型组成与强度之间的关系（见表3）。同时，按照ASTM C 1202—1997标准测试RPC试件的氯离子渗透性能结果表明，6 h通过RPC的电量非常小，一般小于40 C。这表明RPC的渗透性非常低，抗渗能力好。研究表明，RPC内部的孔隙率为2%左右，且基本不存在大的毛细孔。因此，RPC的抗冻性能非常优越，可达到F500甚至F700抗冻等级。

表2 不同砂胶比条件下试件流动度和强度测试结果?注：表中数据为85 ℃蒸养72 h，标养96 h后测得。

表3 130 MPa级RPC的典型组成 kg/m3?注：（1）强度测试结果采用尺寸为10 cm×10 cm×10 cm试件测得；（2）85 ℃蒸汽养护恒温48 h，测试龄期为10 d。

6 结论

通过对客运专线人行道盖板、挡板用RPC的实验研究得到以下结论：

制备满足《客运专线活性粉末混凝土（RPC）材料人行道板挡板、盖板暂行技术条件》RPC的主要原材料包括：P.O.42.5级低碱普通硅酸盐水泥；高活性矿物掺合料，SiO2≥92%的硅粉，I级粉煤灰或S95矿渣；减水率不小于25%的非引气型高效减水剂；最大粒径不大于1.18 mm的石英质骨料；长径比不小于50，长度不大于15 mm的细小高强钢纤维。

为了使RPC的抗压强度在130 MPa以上，RPC的水胶比应小于0.2。RPC中硅粉与水泥的质量比应在0.25～0.30。硅粉掺量较小时，RPC强度较低。砂胶比对RPC拌和物流动性和硬化后的强度有显著影响，存在最佳的砂胶比范围，使得RPC具有满意的工作性能和强度，本实验条件下RPC的砂胶比范围宜选择1.1～1.3。