玄武岩纤维在铁路桥梁RPC盖板中的应用研究

尹 京，葛 凯，李林香，杜香刚

（1.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；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

铁路桥梁电缆槽盖板兼作人行道步行板，一般采用预制C40 钢筋混凝土或活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）盖板。目前使用的RPC 盖板主要采用添加短切钢纤维的方式提高结构抗折强度，其厚度小于C40钢筋混凝土盖板的1/2，可以有效减少桥梁结构二期恒载，安装施工便捷，但其原材料和施工养护工艺要求较高，预制质量不好时会降低结构抗折强度，增加脆断风险。

玄武岩纤维是一种抗拉强度高、耐腐蚀、耐高温的纤维材料［1-3］。本文主要从2 个方面展开：①在RPC盖板中将钢纤维替换为玄武岩纤维，研究对RPC 构件抗折性能的改善效果；②在RPC 盖板中加入玄武岩纤维网片，以改善盖板脆断问题。

玄武岩纤维复合型材作为电缆槽盖板另一种轻质化方案，应从结构承载能力和耐久性2 方面深入研究。由于玄武岩纤维复合型材自身结构较轻，在高速铁路列车风或台风等荷载作用下，无法仅靠结构物自重抵抗风力，风力较大时可能发生掀翻或吹飞情况，给行车安全带来影响，需要对复合型材盖板采取严格的防松动限位措施。因此从安全角度考虑，应通过设置可靠限位措施，在充分确保盖板安全的情况下，方可考虑玄武岩纤维复合型材方案，本文对此不做展开探讨。

1 玄武岩纤维网对RPC盖板承载力的影响

高速铁路RPC 盖板厚度为25 mm，内部加入短切钢纤维，不设置纵横向钢筋，当RPC 盖板存在内部缺陷时，在较大的集中荷载作用下可能发生脆断，给检修人员造成安全影响。通过在RPC 盖板中增加成本相当的玄武岩纤维网［4-5］、普通玻纤三维网和E5 钢筋网进行对比试验，验证本文提出的加强方法的效果，以改善RPC盖板脆性断裂问题。

RPC盖板试件尺寸及其数量见表1。

表1 盖板试件尺寸和数量

RPC盖板试件采用R130级活性粉末混凝土，抗压强度大于130 MPa，抗折强度大于16 MPa，盖板试件的配合比见表2。

分别采用内置玻纤三维网、玄武岩纤维网、E5 钢筋网3 种不同加筋增强措施，3 种试验网片见图1。测试RPC 盖板抗裂及极限承载力，研究不同盖板在集中荷载作用下的力学行为，记录其开裂荷载与破坏荷载，并与普通RPC盖板进行对比。

试验依据Q/CR 2.1—2014《铁路电缆槽盖板和人行道步板第 1 部分：活性粉末混凝土型》附录 E［6］采用集中力的加载方法，在盖板中心进行加载，设计荷载取1.5 kN。盖板试验加载示意如图2。

表2 RPC盖板试件的配合比

图1 3种试验网片

图2 盖板试验加载示意

不同加筋增强措施的盖板加载挠度结果见表3—表6。不同加筋增强措施的盖板开裂和破坏荷载见表7。

表3 玄武岩纤维网盖板加载挠度

表4 玻纤三维网盖板加载挠度

表5 E5钢筋网盖板加载挠度

表6 普通RPC盖板（未加筋）加载挠度

表7 盖板开裂和破坏荷载比较

根据TB 10621—2014《高速铁路设计规范》［7］中关于电缆槽盖板的设计要求，竖向静活载须满足5 kN/m2的均布荷载。依据Q/CR 2.1—2014集中荷载按1 500 N加载，由于实际盖板宽度小于0.5 m，集中加载工况较设计规范要求的均布加载方式更为不利。

不同加筋措施的盖板挠度和荷载曲线比较见图3。可见：

1）采用本研究提出的不同加强纤维网均能满足设计荷载要求，可以不同程度地提高盖板承载能力，增大开裂与破坏之间的荷载差值，改善盖板脆断问题，但降低了开裂荷载，其中E5 钢筋网措施由于网格直径相对盖板厚度较大，明显降低了盖板的开裂荷载。

2）RPC 盖板增加玄武岩纤维网片后，开裂荷载较普通RPC 盖板略微降低4.8%，最终承载力提高7.0%，可有效改善脆断问题。试验中采用的网片厚度为1 mm，单列宽度为5 mm。若需要继续提高承载力，增加纤维网片的厚度或层数，即可提高盖板单位截面积中的纤维网面积，但这将直接影响制造成本。应综合考虑性价比，根据实际情况的需要确定玄武岩纤维网参数。

图3 不同加筋措施的盖板挠度和荷载曲线比较

2 玄武岩短切纤维对RPC试件抗折强度的影响

分别选取3 种玄武岩短切纤维［8-9］开展标准抗折试验，短切纤维长度分别为6，12，18 mm，3 种纤维体积掺量分别为0.5%，1.5%，2.5%，组合为8组试件，并与添加钢纤维（纤维体积掺量1.5%）、未添加纤维RPC 试件进行对比。RPC 试件配合比与表1相同，试件尺寸为400 mm×100 mm×100 mm。

试验依据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》［10］，在试件中心进行加载，如图4所示。

图4 抗折强度试验加载示意（单位：mm）

通过测试试件破坏荷载，计算试件抗折强度。计算式为

式中：ff为试件抗折强度，MPa；F为试件破坏荷载，N；b为试件截面宽度，mm；h为试件截面高度，mm。

不同玄武岩短切纤维试件抗折试验结果比较见表8。不同玄武岩短切纤维掺量对RPC 抗折强度影响规律见图5。

表8 不同玄武岩短切纤维试件抗折试验结果比较

图5 不同纤维掺量对RPC抗折强度的影响规律

由表8和图5可见：

1）添加玄武岩短切纤维，可适当提高RPC 盖板的抗折强度，与未添加纤维的试件相比，纤维长12 mm、体积掺量2.5%的试件抗折强度最大提高6.8%，纤维长18 mm、体积掺量2.5%的试件抗折强度最大提高9.8%。

2）在试验参数范围内，添加玄武岩短切纤维，试件抗折强度随着纤维长度的增大而提高，随纤维体积掺量的增大而提高。

3）添加玄武岩短切纤维对RPC 试件抗折强度提高效果远小于添加钢纤维。

3 结论

通过在相同尺寸RPC 盖板试件中分别加入玄武岩纤维网和玄武岩短切纤维，研究了其对铁路桥梁RPC盖板抗折性能的改善效果。主要结论如下：

1）RPC 盖板增加玄武岩纤维网片后，开裂荷载较普通RPC 盖板略微降低4.8%，最终承载力提高7.0%，可有效改善脆断问题。增加纤维网片的厚度或层数，可继续提高盖板承载能力，但加工成本也将随之提高，实际工程中应综合考虑性价比。

2）添加玄武岩短切纤维，可适当提高RPC 盖板的抗折强度，与未添加纤维的试件相比，纤维长12 mm、体积掺量2.5%的试件抗折强度最大提高6.8%，纤维长18 mm、体积掺量2.5%的试件抗折强度最大提高9.8%。在试验参数范围内，添加玄武岩短切纤维后试件抗折强度随着纤维长度的增大而提高，随纤维体积掺量的增大而提高。