活性粉末混凝土简支箱梁模型试验研究

王 苇，苏永华，班新林

(1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081)

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，RPC)作为超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，UHPC)的一种，是20世纪90年代中期法国Bouygues公司的Richard等人研制出的具有超高强度、高韧性、高耐久性、且体积稳定性良好的水泥基复合材料。根据其组成和热处理方法，该混凝土的抗压强度可达到200～800MPa，弹性模量可达到40～60GPa，断裂韧性高达40000J/m2，氯离子渗透性是普通混凝土的1/25，抗渗透能力强[1]。相同抗弯刚度的预应力活性粉末混凝土梁自重接近于钢梁[2]。目前，RPC混凝土在国内已经在迁曹铁路、蓟港铁路等工程取得应用，但在铁路箱梁结构中很少使用[3]。本文在48m跨度RPC铁路简支箱梁设计与研究的基础上，对跨度24m模型试验梁进行研究，验证其结构和性能，并检测施工工艺。

1 模型梁设计

RPC混凝土24 m模型梁设计为1孔斜腹板薄壁简支箱梁，采用节段拼装制梁成孔。为满足底板、腹板钢束的布置，板厚度未按1∶2缩尺。梁长度为25.1 m，计算跨径为24 m，共9个梁段，8个接缝面。梁高度为2.0 m，顶部宽度为3.8 m，底部宽度为2.6 m，跨中腹板、底板和顶板厚度为18 cm，支点附近加厚。梁端设1.1 m厚度横隔板。箱梁设置9个节段，7个一般节段长2.80 m，2个端节段长2.75 m，一般节段吊装重量为135 kN，端节段吊装重量224 kN。每个节段在箱内顶板梗肋处对称设置4个直径30 mm吊装孔[4]。模型梁跨中断面见图1。

图1 模型梁跨中断面(单位：cm)

预应力采用体内束钢绞线，腹板预应力采用双排6根7-7φ5钢绞线，底板采用单排8根7-7φ5钢绞线，采用内径φ60金属波纹管成孔，腹板钢束锚下张拉控制应力为 1 294 MPa，底板钢束锚下张拉控制应力为 1 259 MPa。张拉完成后及时进行孔道压浆，孔道压浆水泥浆强度为M50，并掺入阻锈剂，采用真空压浆工艺[5]。

箱梁腹板和顶底板均设活性粉末混凝土剪力键，键高度为4 cm，键顶部宽度为16 cm，键底部宽度为22 cm。

2 RPC材料

RPC材料由水、水泥、掺和料、骨料、钢纤维、外加剂等组成。水泥采用强度等级不低于42.5的低碱硅酸盐水泥，水泥熟料中C3A含量不大于8%。矿物掺和料宜采用I级粉煤灰、S95以上等级的粒化高炉矿渣粉和G85以上等级的钢铁渣粉。骨料可选用级配Ⅱ区的中砂，公称粒径大于5 mm的颗粒含量应小于1%。天然砂的含泥量、泥块含量应符合要求；钢纤维采用高强度圆截面纤维。混合水和维护用水均采用符合饮用标准的水。外加剂宜选用高性能减水剂，减水剂的减水率宜大于30%[6]。

3 预制模板

3.1 预制

试验梁预制模板配置2套，其中制梁平台、中间节段的固定端模、侧模、底模、内模、行走轨道、移梁车架、匹配梁平台8个部分为1套，另1套为梁端节段的固定端模、内模系统及匹配段连结模板。采用端模包底模、侧模包端模的方式，模板与模板用螺栓连接固定，保证强度与刚度。

端模采用整体式大块钢模板(布置局部纵、横加劲肋与型钢桁架焊接成整体)，面板厚度为20 mm，横竖肋采用扁铁，厚度为10 mm，间距400 mm。为保证端模安装时的精度，端面与制梁台用4个定位销轴连接固定。

侧模采用整体式大块钢模板(布置局部纵、横加劲肋与型钢桁架焊接成整体)，面板厚度为5 mm，横肋采用槽钢，间距为250 mm，竖肋采用12#槽钢，顶部采用φ30 mm的圆钢对拉固定，侧模板支架竖向支腿下设4个千斤顶用于加固模板。

底模采用2张200 cm×140 cm×1 cm的钢板铺装在制梁台上，底模四周需在机床刨光以保证底模的水平及模板连接后的垂直度。

内模由顶模、两侧模和内角模、下平模组成。顶模支撑在下平模，通过丝杆调整；内侧模由横向丝杠支撑。侧模和顶模间通过铰轴连接，内角模通过斜向对拉螺栓固定在内侧模上。面板采用厚度为5 mm的钢板，横竖肋采用扁铁，厚度为10 mm，间距为400 mm。

为了适应RPC材料的收缩特性，应适时松开模板连接释放应力。初期养护结束后进行脱模。先松动锚具、预埋件螺栓，确保锚具、预埋件不受模板拆除的影响。拆模严格按照先内模、后外模，不引起混凝土应力的顺序拆。先移除内模，松开内模之间铰接杆件，从上往下移出模板。侧模移出，用吊车吊住侧模，拆除侧模与端模、制梁台的连接螺栓，慢慢放松侧模四周的千斤顶，吊车吊住侧模缓慢离开梁体。再拆除另一侧侧模[7]。

3.2 浇筑

1)混凝土搅拌

RPC黏度大、流动性差，应采用RPC专用搅拌机或变频高速搅拌机。采用工厂内的HZS750型拌和站拌和混凝土。搅拌设备为强制式搅拌机，搅拌速度不低于45 r/min。搅拌时的投料顺序为骨料、钢纤维、水泥、矿物掺和料，干料先预搅拌4 min，加水和外加剂后再搅拌4 min以上。混凝土搅拌机的下料装置上应有防止钢纤维结团的装置。RPC材料的水胶比不应大于0.2。拌和物坍落度控制在180～220 mm。搅拌完毕的RPC材料拌和物应在20 min内灌注完毕。构件宜连续灌注，最大间隔时间不应超过30 min[8]。

2)分料器设计

顶板分料器设计为四棱锥型，使混凝土从1处分成4处流入模板腔，以便于控制腹板混凝土浇筑高度对称，避免混凝土成堆，使波纹管挤压变形或浇筑厚度过厚气泡排不出等情况。RPC混凝土分料器布料见图2。

图2 RPC分料器布料

3)混凝土浇筑

在温度20 ℃、湿度60%的浇筑环境下，采用从顶板灌注混凝土的方式浇筑底模和侧模。底板上部设有50 mm×50 mm的观察孔，整体振动3 min，混凝土配合比满足施工要求，振捣器间距为400～500 mm。

顶板浇筑时将分料器移除，采用装载机直接布料，人工将混凝土全部摊平后，用内模振动器、腹板上部振动器、端模上部振动器、内模角部振动器四者同时开动，振动顶部混凝土，人工开始收面，清理多余混凝土，再用薄膜覆盖。

3.3 养护

成型完毕的梁体采用蒸汽养护。养护分为静停、初蒸养、高温恒温养护和自然养护4个阶段。环境温度在10 ℃以上、相对湿度在60%以上，静停6 h。

节段梁采用电锅炉蒸汽养护。蒸汽加热升温速度不应大于10 ℃/h，升温至(40±5)℃保持恒温24 h(还应同条件养护试件抗压强度达到40 MPa)。再以不得大于10 ℃/h的降温速度降温至构件表面温度与环境温度相差不超过20 ℃。整个过程环境相对湿度应保持在70%以上。

2)高温恒温养护

脱模后的梁体高温恒温养护过程分为升温、恒温和降温3个阶段，升温速度不应大于10 ℃/h，降温速度不应大于10 ℃/h。恒温温度应控制在(70±5)℃，整个过程环境相对湿度应保持在95%以上。恒温养护时间不应少于48 h。降温完毕后撤除保温设施时构件表面温度与环境温度之差不应超过15 ℃。

3)自然养护

梁体终养结束后，通过移梁车移到存梁区自然养护，养护时间不应少于14 d。

3.4 拼装与张拉应力

模型梁采用短线法预制，节段胶拼施工。临时预应力采用直径25 mm的PSB830预应力粗钢筋，每根粗钢筋张拉力设计值为180 kN，接缝面预压应力要求不小于0.4 MPa，全截面应力均衡。节段间采用环氧密封树脂胶，单面涂胶，厚度小于3 mm。孔道间采用聚乙烯发泡垫圈保证孔道密封性。拼装过程包括拼装准备、预拼装、拼装、预应力张拉、预应力孔道封端压浆。

预应力张拉采用两端张拉，并左右对称进行。张拉分为2个批次。一期张拉顺序：2N3→2N1→2N4→2N2。二期按照从中间向两侧的顺序张拉，剩余6N1。张拉过程中实施张拉应力、应变、时间的“三控”。张拉时以油压表读数为主、以钢绞线的伸长值作为校核，在张拉力作用下持荷5 min。张拉过程中保持两端的伸长量基本一致[9]。

4 模型梁试验

制梁拼装完毕后，参照TB/T 2092—2003《预应力混凝土铁路桥简支梁静载弯曲试验方法及评定标准》[10]，对简支梁进行了静载弯曲试验和静荷载试验。

如今的《CH/T 3006-2011数字航空摄影测量控制测量规范》中只对传统的航空摄影像控点布设有明确的规范，而对现如今的数字摄影测量像控点布设还没有明确的要求，所以在布设像控点的过程中不能完全依照传统的布设方法，需要对以往的布设方法进行调整，在能保证空三精度的情况下，探索出最合理最高效的布点方案。本文将通过实验分别对目前最常用的四种不同的方案进行空三加密并进行相应的精度分析[1-2]。

4.1 加载方式

利用反力架，采用纵向5排加载方式加载，每排间距4 m，每排横向采用2点加载，加载点作用于箱梁腹板中心处顶板。

4.2 加载值

试验过程中，考虑最大活载弯矩(含冲击弯矩)以及二期恒载、加载点重力作用下的跨中弯矩在标准中的限值，及各级加载荷载作用下跨中弯矩与相应的设计荷载作用下的跨中弯矩相等为原则，确定静载试验每级荷载下每个加载点的加载值[10]。根据模型梁设计情况，试验梁各级加载值及跨中弯矩见表1。

表1 试验梁各级加载值及跨中弯矩

4.3 模板梁挠度

分别加载至设计荷载和抗裂荷载。跨中底板挠度实测结果表明：挠度与加载值保持了较好的线性关系，线性相关系数>0.999 9，说明梁体处于弹性工作状态。2次加载实测中，跨中静活载挠度分别为8.70,8.61 mm，挠跨比分别为1/2 759，1/2 787，挠度计算值为10.72 mm(采用弹性模量为3.55×104MPa)，满足设计要求的梁体刚度静活载挠跨比不得大于1/800。根据实测挠度和理论计算挠度推算，箱梁静载试验时的混凝土弹性模量为4.4×104MPa。抗裂荷载加载值与跨中挠度的关系曲线见图3。

图3 抗裂荷载加载值与跨中挠度的关系曲线

4.4 混凝土应力

在梁体跨中3.0 m范围内，南北侧的底板边缘各均匀布置15个外贴钢弦应变计,其中26个布置在混凝土底板，有4个布置在拼接缝位置。混凝土应变实测结果表明：跨中底板混凝土应变与加载值呈良好线性关系，线性相关系数均大于0.999。加载至1.2级荷载时，梁体跨中混凝土未发现裂缝，证明测试位置处于弹性状态，试验梁抗裂性满足设计要求。

在1.2倍设计荷载作用下，实测试验箱梁南北侧跨中3.0 m区域内下缘混凝土的平均应力分别为18.00 MPa(应变409×10-6)，17.91 MPa(应变407 ×10-6)，两侧平均值为17.96 MPa，实测应力与理论计算值17.27 MPa基本一致(计算实测应力时混凝土弹性模量取推算值4.4×104MPa，下文取值同此原则)。

跨中顶板底面的混凝土纵向应变与加载值的关系曲线见图4。可见，混凝土应变与加载值呈良好线性关系。在1.2倍设计荷载作用下，实测平均压应力为-11.26 MPa(应变-256×10-6)，实测应力与理论计算值-12.07 MPa基本一致。

图4 跨中顶板底面混凝土纵向应变与加载值的关系曲线

4.5 中性轴

跨中截面和L/4截面腹板混凝土应变与测点高度的关系曲线见图5。在加载至1.2级荷载的过程中，跨中截面和L/4截面的腹板混凝土应变与测点距离底缘的高度呈良好的线形关系，推算出跨中截面和L/4截面中性轴高度实测平均值分别为 1 119，1 016 mm，实测值与设计值 1 100 mm 基本一致。

图5 跨中截面腹板混凝土应变与测点高度的关系曲线

4.6 胶接缝应变

为了对比测试混凝土应变与胶缝处应变的差异，测试截面3选择跨中节段的一端胶缝进行测试。测试截面3应变与加载值的关系曲线见图6。可见：测试截面3底板的应变与加载值保持线性关系，但两者的斜率有所差别。根据斜率的比例关系以及前文挠度推算出的混凝土弹性模量，推算胶缝的抗拉弹性模量为34.4×104MPa，满足设计要求。

图6 测试截面3应变与加载值的关系曲线

5 结论

1)实测跨中静活载挠度比分别为1/2 759，1/2 787，梁体刚度满足设计要求。

2)箱梁静载试验时的混凝土弹性模量为4.4×104MPa。

3)跨中截面和L/4截面中性轴高度实测值与设计值基本一致。

4)胶接缝的抗拉弹性模量为34.4×104MPa，满足设计要求。