抚通高速公路玳珉关隧道无机粉末复合纤维盖板的试验研究

张晓东

(辽宁新发展公路科技养护有限公司 沈阳市 110005)

1 概述

辽宁省高速公路通车运维隧道221座，通车里程200km，隧道电缆沟总长度80万米，人行道盖板约160万块，全是混凝土浇筑材质盖板(780×500×100mm)，并在板内布置钢筋网，存在自重大(约80kg/块)，边角掉块严重等问题，每年的电缆沟都要进行日常清洁(一级隧道1次/季度、二级隧道1次/半年)[1]、检查维修需要频繁打开盖板，易失稳破损，对维修巡查工人安全作业也是一个极大的安全隐患,为了克服这些问题，铁路部门开始使用添加钢纤维的活性粉末混凝土制作盖板。

RPC盖板相比于C40混凝土盖板从多个方面有了长足的进步，但是在使用过程中仍然发现一些问题，比如：

(1)钢纤维扎手，对施工人员造成伤害。

(2)钢纤维出现生绣的现象。

(3)钢纤维容易搭接成环，形成回路，导致盖板导电，对隧道电路造成影响。

(4)盖板抗压强度超过130MPa，并且采用100℃高温蒸汽养护工芝，使得材料本身脆性很大，容易出现脆性断裂、掉块的现象。

基于无机粉末复合纤维材料(UCFC)高韧性特点，探索制作高速公路隧道电缆沟盖板(尺寸780×500×25mm)，自重约25kg，在同等承载力条件下，构件体积是原来的1/4，很大幅度减轻构件自重，具有轻质美观、承载力高、刚度大、耐反复冲击性好、耐久性好、使用寿命高、产品尺寸精确、更换检修方便等优点。

2 无机粉末复合纤维材料

无机粉末复合纤维(UCFC)材料，以有机纤维复合组成无机材料框架体，以无机胶凝固化材料类颗粒为凝结主体，以级配细集料、超细粉末、纳米级无机粉末为连续等不同大小颗粒级配为连续填充体，外加超高性能添加剂，经过水化等工艺反应形成新型无机材料，是继高性能混凝土之后，采用常规的水泥等材料开发出的高强度、高耐久性、高耐疲劳性、高韧性和体积稳定性良好的水泥基复合材料。

3 配合比设计

无机粉末复合纤维材料采用最紧密堆积理论，形成结构抗压强度：细颗粒填充在粗颗粒之间的空隙，更细颗粒填充在细颗粒之间的空隙，逐级向下，达到最大密度[2]。

表1 配合比

表2 抗压、抗折强度、耐久性

4 主要原材料

4.1 水泥

水泥选用掺入一定比例的硫铝酸盐水泥，以此达到适合的早期性能，比例为沈阳冀东水泥有限公司强度等级为52.5级普通硅酸盐水泥占比为90%，唐山北极熊建材有限公司的抗裂快硬快凝高贝利特硫铝酸盐水泥占比为10%。

硫铝酸盐水泥是含有一定的石灰石、铝钒土、石膏等适当配比后经过煅烧形成水泥。其主要化学成分为30%～70%的无水硫铝酸钙和硅酸二钙。其主要水化产物为钙矾石(AFt)和氢氧化铝(AH3)同时还含有单硫型硫铝酸钙(AFm)。

当存在的石膏足够多时，硫铝酸盐水泥水化生产钙矾石和氢氧化铝。

普通硅酸盐水泥中掺加硫铝酸盐水泥是因为以下几点:

(1)相比普通硅酸盐水泥，硫铝酸盐水泥对钙类需求量比较低，所以在生产中消耗钙类原料少，更利于节能减排。

(2)早期强度高，凝结时间较普通硅酸盐水泥更短，生成的硫铝酸钙可以提高成品的早期强度，据统计，硫铝酸盐水泥3～7d的强度就可以达到普通硅酸盐水泥28d强度的指标。

(3)硫铝酸盐水泥的水化产物具有微膨胀作用，可以抵消一部分水泥的自我收缩，改善出现的裂纹等问题，当然这也可以增加水泥的抗渗性，在实际工程中具有节省维修费用，增加建筑使用寿命的作用。

(4)水化放热量大，适用于温度寒冷地区，可做为冬季施工的水泥基材料使用。

(5)硫铝酸盐水泥早期强度高，但后期强度没有普通硅酸盐水泥高，所以二者相互掺加，既提高了早期强度，对成品的后期强度也起到了保障作用。

4.2 微硅粉

微硅粉是由石英冶炼硅铁或者是金属硅的同时，由管道中的废气中收集到的废弃料，主要成分为非晶态SiO2、CaO、SO3、AL2O3，为无定型球状颗粒，平均颗粒尺寸较小，粒度为1200目，且质量非常轻，SiO2含量高，有很高的火山灰活性。极细的颗粒形态使其可填充不同粒径颗粒间的孔隙(填充效应)，又能起到很好的润滑作用，同时还可以与水泥水化产生的Ca(OH)2发生二次水化反应，生成水化硅酸钙使结构变得更密实。制作采用微硅粉的掺加方法为外掺，水泥用量不变，掺加微硅粉可显著提高强度和其它性能。采用鞍山意通硅业新材料有限公司微硅粉。

4.3 粒化高炉矿渣

采用鞍钢S95级粒化高炉矿渣，实测活性指数为95.7%，比表面积400.4m2/kg，密度2.91g/cm3。

4.4 石英砂

石英砂主要矿物成分是SiO2(SiO2含量大于99.5%)，颜色为淡黄色，硬度为7，颗粒经特殊磨圆处理浑圆。石英砂的最紧密堆积试验参照JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》[3]进行，经多级分筛处理，并进行粒度配比，由试验可知，当料径分布如图1时堆积最紧密。

图1 石英砂粒径分布

4.5 外加剂

外加剂采用苏州弗克新型建材有限公司粉体聚羧酸高性能减水剂，实测减水率为27%。

4.6 耐碱合成纤维

有关资料显示，金属纤维具有自身无法回避的劣势，即耐腐蚀性差。当附着在金属表面的碱性混凝土随着时间的推移出现外层碳化时，金属会失去抗腐蚀能力，造成混凝土剥落，降低结构的整体耐久性，形成质量隐患。为降低金属纤维腐蚀造成的隐患，使用耐碱合成纤维取代金属纤维。耐碱合成纤维采用亲水改性技术对其进行表面处理，具有极佳的分散性，而且与水泥基材料有良好的粘结性能，可有效减少UCFC塑性收缩、干燥收缩、温度变化引起的微裂缝，显著提高UCFC抗裂性能及增韧、抗冲击与耐火防爆能力。作为无机类水泥增强材料，具有其他纤维无法比拟的优势：

(1)耐碱合成纤维抗拉强度1700MPa，除不锈钢纤维外，远远大于其他增强纤维。

(2)弹性模量72GPa，是水泥的3倍。

(3)拉伸应变2%，与不锈钢接近，能够适应水泥的拉伸应变。

特殊处理的耐碱玄武岩纤维网格布是100%的无机纤维，表面无有机物涂层，纤维可直接与水泥基体紧密结合，握裹力强。

5 模具设计

制品模具采用塑模为100%全新聚丙烯PP注塑成型，具有一定的强度、刚度、稳定性，耐用抗摔打，具体尺寸780mm×500mm。

6 生产工艺流程

(1)原料配料及搅拌

根据配合比，将各项物料按质量称重配料，送至搅拌机，充分混合。投料顺序应为石英砂、耐碱复合纤维、水泥、微硅粉、粒化高炉矿渣、外加剂，干料先预搅拌5min，加水再搅拌4min。

(2)上料系统

上料机负责把搅拌好的物料提升到布料机，布料机完成向成型模具定量布料。

(3)成型系统

主要设备有成型主机、振捣平台等。工作流程是将模具内原料振捣摊平、排除气泡，保证各个位置振捣均匀，布料采用一次性布料，振动时间不少于2min或直至表面出现水泥浆。

(4)养护系统

成型构件静停2～4h后，然后送至初养室采用40℃蒸汽养护24h，然后取出脱去模盒后再送至终养室进行终养，恒温控制在80℃±5℃，养护时间不应少于48h。养护过程分为升温、恒温、降温三个阶段，升温速度不应大于12℃/h，降温速度不应大于15℃/h。撤除保温设施时，构件表面温度与环境温度之差不应超过20℃。构件蒸汽养护结束后需自然养护，环境温度不应低于20℃，并对构件进行洒水养护，时间不应少于7d。

7 力学性能

7.1 测试结果

在制作材料的过程中，留有一定量的混和料，按照要求制作小样进行测试，现阶段测试结果如表3。

表3 测试结果

7.2 整体抗裂性及承载能力试验方法

7.2.1试验设备及仪器

(1)千斤顶:最大压力30t，控制加载速度1～3kN/s,压力控制平稳。

(2)垫块：Φ100×20mm 1件。

(3)压力传感器配套显示仪，显示精度0.1kN 1套。

(4)垫块：500mm×200mm×40mm钢制垫块1件。

(5)试验用支座反力架。

7.2.2承载能力试验方法

采用电力行业测试方法，参照中国南方电网《电缆沟盖板标准技术标书(混凝土盖板)》，人行电缆沟盖板承载能力等级的分裂缝荷载≥10kN，破坏荷载≥20kN。裂缝荷载是指加载时井盖表面裂缝宽度达0.2mm时的试验荷载值；破坏荷载是指加载时井盖发生破坏时的试验荷载值。

7.2.3试验步骤

(1)裂缝荷载检验

以1～3kN/s的速度加载，按裂缝荷载值分级加荷，每级加荷量为裂缝荷载的20%，恒压1min，逐级加荷至裂缝出现或表中规定的裂缝荷载，然后以裂缝荷载的5%的级差继续加载，同时用塞尺或读数显微镜测量裂缝宽度，当裂缝宽度达到0.2mm时，读取的荷载值即为裂缝荷载值。

(2)破坏荷载检验

读取裂缝荷载值后继续按规定的破坏荷载分级加荷，每级加荷量为破坏荷载的20%，恒压1min，逐级加荷至规定的破坏荷载值，再继续按破坏荷载值的5%的级差加载至破坏，读取试件的破坏荷载值。

表4 检验中盖板裂缝荷载、破坏荷载及破坏特征

8 结语

无机粉末复合纤维材料，水胶比低，具有较低的孔隙率，制作的隧道盖板具有高强轻质、高韧性、良好的耐久性等特点，相对于传统隧道电缆沟盖板在技术和经济上的优势明显，在以后的制作发展中将有广阔的应用前景。于2019年8月份在辽宁省S10抚通高速公路(抚顺至通化)玳珉关隧道K26+664(吉林方向)行车道侧安装100m，到现在为止，经过一个冬季，表面未出现破损、锈蚀等病害，整体效果反应良好。