纤维增强水泥基复合材料铁路防护栅栏片研制

李茂国++张洪震

摘 要：介绍一种使用年限30年，采用钢模工厂化预制，现场拼装组合埋设使用的综合性价比优于钢筋混凝土栅栏片的高速铁路用纤维增强水泥基复合材料铁路防护栅栏片研制。

防护栅栏是高速铁路与高速公路重要的安全防护设施之一，其中栅栏片是防护栅栏的关键部件。在铁路提速后为确保铁路线路运行安全，铁道部作出了“关于认真做好线路防护栅栏及防灾安全监控等实施工作的通知”，并发布了新建铁路工程和既有铁路改造工程用《铁路线路防护栅栏》工程建设通用参考图。按列车的运行时速不同，其铁路防栅栏高度分别为2.7m、2.2 m和1.8m并要求钢筋混凝土构件的使用年限按30年设计，采用钢模工厂化预制，在满足力学性能的前提下保证其外观质量达标。防护栅栏由立柱、上槛、下槛、栏片和柱帽五种构件组成，实行运至现场拼装组合埋设。其中，栅栏片尺寸为1885（1495）㎜×1405㎜×90㎜，是防护栅栏各构件中需用量最大，技术要求最高，制造难度最大的关键构件。由于钢筋混凝土栅栏片中钢筋用量较大，捆扎用工时多，成本较高，更重要的是其钢筋在混凝土内埋设深度较浅，在长期复杂多变的环境条件下使用易产生锈蚀，势必导致栅栏片开裂，会直接影响其安全使用年限，很不利于铁路线路运行安全。因此，钢筋混凝土栅栏片作为长期使用的铁路线路安全防护设施尚存有笨重、不便于运输安装、综合成本高、安全隐患大等明显的不足之处，亟需改进。

1.水泥基复合材料栅栏片总体设计

铁路防护栅栏片的技术要求为：其设计载荷抗人为破坏力≥1.0kN/m（集中载荷不大于1.0kN），抗风压荷载0.6kPa，最大抗地震烈度为8度。综合要求为：提供一种兼具自重轻、比强度高、比刚度大、抗老化、无锈蚀、长期使用安全可靠等性能，综合性价比优于钢筋混凝土栅栏片，且适于大批量钢模工厂化生产，便于运输、安装、施工的纤维增强水泥基复合材料铁路防护栅栏片。

为达上述目的特将该栅栏片设计为5层对称复合结构，沿主平面垂直方向由外向内依次为：功能表面层1、强度层2、主体结构层3和强度层2、功能表面层1，且相同层的材料配方相同。层复合结构是依据各层分别承担的技术功能不同而采用相应的复合材料配方和成型工艺，经复合而制成的。

各层复合结构的组分材料配比和主要技术性能分别简介如下；

⑴功能表面层1 为短切合成纤维和超细针状硅灰石纤维共同增强聚合物改性水泥细砂浆，并在外侧粘贴合成纤维无纺布共同构成复合材料表面层。其基体粘合剂为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、高强硫铝酸盐水泥、高强铁铝酸盐水泥中的一种，并以其作为计量基准（w）与其它组分材料配合。上述两纤维增强聚合物改性水泥细砂浆复合材料层的基体组分为聚合物改性水泥砂浆，其组成配合比一般为水泥∶细集料∶功能填料∶聚合物∶增强纤维∶水=30∶35∶10∶2∶5∶15。其细集料为粒径≤0.3㎜的石英粉、石粉、轻砂等无机粉料中一种或混合使用；其功能填料为活化粉煤灰和硅粉（灰）中的一种或混合使用；其聚合物为聚醋酸乙烯乳液、聚丙烯酸脂乳液等中的一种，控制其干态用量为3%～8%（w）和水灰比45%～60%；其增强纤维为硅灰石短纤维，用量为10%～15%（w），短切合成纤维为1%（w），无纺布用量为1-2层，不以其质量计；其水用量应综合考虑水灰比、水胶比而定。为了不加大用水量而提高其工艺性，聚合物改性水泥细砂浆中可添加适量的减水剂、缓凝剂等助剂，其用量按其使用说明而定。为改善栏片的防水、耐水性，应加入防水剂，其用量按其使用说明而定。其功能表面层是用上述纤维增强聚合物改性水泥细砂浆复合材料采用喷涂工艺与铺覆工艺制成，其厚度一般≤3㎜。

性能：本层集短切合成纤维与硅灰石超细纤维混杂增强、抗裂、降收缩，聚合物细砂浆结构致密、抗渗、防腐蚀、耐磨，合成纤维无纺布层密封、抗冲击、耐腐蚀和功能填料的诸多技术性能等四大优势于一体，能同时发挥抗老化层、密封层、耐蚀层、防水层、保护层多种功能，是保证栅栏片长期安全可靠工作的重要屏障。

⑵增强层2为数层连续纤维网与短纤维共同增强聚合物改性水泥砂浆复合材料强度层。其连续纤维网为网孔尺寸5㎜×5㎜-10㎜×10㎜的耐碱玻璃纤维网或相同网孔尺寸的聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺塑料纤维网中的一种。该网格布的层数根据栅栏片所要求的抗冲、抗折强度和网纤维的拉伸断裂强度计算确定，一般≥3层。其短纤维为硅灰石纤维，用量为15%～20%（w）和长度为≤5㎜短切合成纤维为1%（w），其基体粘合剂为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥中的一种，并以其作为计量基准（w），其聚合物改性剂为聚丙烯酸脂乳液、聚醋酸乙烯乳液等水包油乳液中的一种，控制其干态用量为3%～8%（w）和水灰比45%～55%。其组成配合比一般为水泥∶细集料∶功能填料∶聚合物∶增强纤维∶水=30∶36∶10∶2∶6∶20。其细集料为粒径≤2㎜的石英砂、碎石粒和功能填料粒径≤0.3㎜的粉煤灰、硅灰等。轻集料为粒径≤2㎜的闭孔珍珠岩、浮石颗粒等，各种粒料均按级配合。其聚合物为聚醋酸乙烯乳液、聚丙烯酸乳液等中的一种，控制其干态用量为3%～8%（w）和水灰比55%～70%。其用水量和外加剂的使用原则与功能表面层一致，轻集料的吸水率较大配置前应对其进行预湿处理。该连续纤维增强层是用上述连续纤维、短纤维共同增强聚合物改性水泥砂浆复合材料，采用喷涂工艺、注模工艺或铺覆工艺制成，其纤维网层数可根据栅栏片所受拉应力由纤维网承担计算得出。

性能：本层为栅栏片的主强度层，可单独承受由外载荷所产生的全部拉应力，并通过连续纤维与短纤维协效，增大其抗挠曲能力，在减少开裂，保证密封、抗渗、防腐蚀的同时可有效提高栅栏片抗冲击、抗弯曲强度，以保障其使用安全。

⑶本体结构层3为短纤维增强轻集料混凝土主体结构。其短纤维为长度≤15㎜的聚丙烯纤维，用量为1%（w）左右。该轻集料混凝土的组成配合比一般为水泥∶轻集料∶聚合物∶短纤维∶水=30∶50∶2∶0.35∶20。其轻集料为粒径≤3㎜的轻细集料如漂珠、轻砂、闭口珍珠岩等和粒径5～15㎜轻粗集料如球状陶粒、碎石状浮石等，二者配合使用，一般轻细集料体积率占35%～50%。其水泥、聚合物、水的使用原则与纤维增强层⑵相同。因轻集料的吸水率较大，配料前需对其进行预湿处理。水泥外加剂采用既减水又早强、消泡的减水剂，如AN-2硫酸钠A型减水剂等。

本体结构层3是由上述组分材料配置而成的短纤维增强轻集料混凝土，控制其坍落度≤50㎜，表观密度1500～1800㎏/m?，抗压强度不小于20MPa，采用注模工艺或铺覆工艺制成。

性能：以本层为主提供栅栏片所需刚度和抗压强度，增强短纤维可改善其抗挠曲韧性，并在满足其力学性能的前提下有效减轻自重，节省运输、安装成本，提高栅栏片的性价比。

2.水泥基复合材料栅栏片成型工艺

实施工艺过程是在模具内按功能表面层—强度层—主体结构层—强度层—表面层顺序分层制备，由五层复合而制成整体栏片。工艺流程见图1

3.水泥基复合材料栅栏片性能检测

济南铁路物资总公司科技开发中心、济南铁路科技开发中心委托山东省建材工业新型材料检测中心对FRC水泥基复合材料铁路栅栏构件和C30钢筋混凝土铁路栅栏构件分别进行抗弯力学性能检测，结果如表1所示。两种材料构件的长度相等，截面积相等，而成本相当，经比较FRC构件比C30构件的重量降低30%以上，而抗弯强度提高30.7%，使用安全系数≥8，性能更加安全可靠。

4.结语

纤维增强水泥基复合材料（FRC）及其制品是当今世界工程材料界竞相研发的热点，新技术、新产品不断涌现。工程实践表明，FRC比钢筋混凝土和预应力混凝土更适于制造承受弯曲、冲击或应力方向不明，形状比较复杂的制品，铁路防护栅栏和高速公路护栏就十分适于用FRC制造，其单位面积重量可比钢筋混凝土制品降低30%以上。而弯曲强度提高20%以上，使用年限可提高50%以上，并有效降低维护费用，综合性价比明显提高，在防护栅栏应用推广方面具有广阔的前景，其社会效益、经济效益显著。