RPC与钢筋混凝土盖板抗弯承载能力对比试验研究

聂良鹏 李正垣 高自恒 安 静

（云南通衢工程检测有限公司，云南 昆明 650000）

0 引言

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete简称RPC）是由法国Bouygues公司Richard［1］等采用水泥、硅灰、石英砂、高效减水剂和钢纤维，按一定配合比经高温高压养护形成的一种新型水泥复合基材料。其特点是韧性好、强度高、耐久性强以及体积稳定性好，具有广泛的应用前景，已成为目前工程材料领域的研究热点。

目前国内外针对RPC受弯性能已进行了较多的研究，表明RPC材料具有优异的受力性能。王刚［2］测定了不同配合比下RPC试件的抗压强度和抗折强度，研究了各组成材料对RPC力学性能的影响机理。陈宏伟［3］对RPC盖板的抗弯性能展开了试验研究，研究发现：活性粉末混凝土具备良好的延展性能，且构件在破坏时表现为延性破坏；同时还发现影响活性粉末混凝土延性的重要因素主要有两种。孙建新［4］分别采用掺加塑性膨胀剂以及普通膨胀剂的两种配制方法，配比出了一种能够满足设计要求且经济的活性粉末混凝土。为研究哪些因素会影响RPC简支梁构件受剪承载能力，金凌志、周家亮等［5］通过对比剪跨比分别为2.25和3.0的6根2组矩形梁构件，进行了抗剪承载能力试验，同时也分析了配箍率对受剪构件承载能力的影响。闫光杰等［6］采用试验研究的方法对RPC200人行道板抗弯承载力进行了研究，结果表明：活性粉末混凝土人行道板在满足承载能力要求的情况下，具备了良好的延性材料的性能，破坏过程表现出了明显的延性。

在公路隧道中，电缆沟盖板传统上都采用钢筋混凝土预制盖板，随着活性粉末混凝土（RPC）技术的不断成熟，公路隧道中逐渐开始采用RPC盖板。两种盖板均具有各自的特点，针对二者在受力特征、破坏机理、安全状况等方面的对比研究还较为缺乏。因此，笔者基于公路隧道电缆沟盖板的实际工作状态，对RPC130盖板和传统的钢筋混凝土盖板进行了对比静载试验，研究其受力性能的异同，以便为公路隧道RPC盖板的推广提供一定的参考依据。

1 试验设计

1.1 试件选择

RPC盖板采用德国佑琳生有限责任公司生产的RPC-130纤维增强活性粉末混凝土隧道桥梁电缆槽盖板，钢纤维含量为4%（按重量计），材料性能要求如表1所示。盖板长宽厚尺寸为730 mm×490 mm×25 mm，数量为3块，编号为RPC-1～RPC-3。钢筋混凝土盖板长宽厚尺寸为730 mm×490 mm×100 mm，混凝土强度等级为C30，受力主筋为4根φ12的HRB400钢筋，保护层厚度为20 mm（见图1），数量为3块，编号为RC-1～RC-3。

表1 RPC材料性能要求

图1 RPC与钢筋混凝土盖板尺寸图（单位：mm）

1.2 试验方法

参照《检查井盖》（GB/T 23858—2009）［7］的试验方法，采用自制压力试验仪器进行试验加载，如图2所示。两种盖板加载跨径均为670 mm，采用相同的加载方式，比较两者在相同条件下的开裂荷载、破坏荷载，分析其安全系数。

图2 试验装置

盖板支承方式为简支，采用液压千斤顶进行单点集中加载，加载点设置在盖板中央，加载梁为长50 cm，宽7 cm的工字梁，工字梁下铺设5～10 mm厚细砂进行荷载调节，具体如图3所示。板底跨中处受弯拉应变采用电阻应变片测试，每片板底粘贴3片ZSM120-80AA电阻应变片，测试仪器采用DH3819无线静态应变采集仪，应变测点布置如图4所示。板底挠度采用百分表测试，两个支座和跨中处各设置1个百分表，具体如图5所示。荷载数值采用量程5 t的压力传感器直接读取。

图3 荷载加载位置

图4 应变测点布置（单位：mm）

图5 挠度测点布置图

加载方式采用分级加载，预估盖板的开裂荷载，在开裂前分8级进行加载，待每级荷载加载完成，稳定约5 min后，读取力值、百分表数值以及应变数值。盖板开裂后按位移进行加载控制，每一级加载完成后稳定5 min再读数。

数据处理时，取3个应变测点的平均值作为跨中受拉应变值；跨中百分表读数，扣除支座处的沉降值之后，作为跨中挠度数值。盖板开裂时刻主要依据荷载—应变曲线判定，跨中受弯拉应变突变时刻即为开裂时刻，并辅之以荷载—挠度曲线、肉眼观察裂缝两种方式进行综合判断。

2 试验结果分析

在盖板的整个受力破坏过程中，混凝土开裂时刻对应的外荷载定义为开裂荷载，破坏过程中最大的外荷载定义为破坏荷载。经过试验，得到钢筋混凝土盖板和RPC130盖板的挠度—荷载曲线和应变—荷载曲线，如图6至图9所示。

图6 RPC盖板荷载—挠度曲线

图9 钢筋混凝土盖板荷载—应变曲线

图8 RPC盖板荷载—应变曲线

2.1 试件破坏过程

由图6可知，RPC130盖板的破坏全过程大致可分为三个阶段。

①全截面受力阶段：当荷载较小时，挠度随着荷载的增加而不断增长，两者基本上成比例，在这一阶段的最后时刻，达到裂缝出现的临界点。

②带裂缝工作阶段：此阶段板裂缝迅速扩展至全宽，由于混凝土已开裂，原本由混凝土承担的拉力立即转移至钢纤维，随着荷载不断增加，裂缝宽度逐渐变宽，挠度变大，钢纤维的拉应力不断提高，其中越靠下的钢纤维拉应力越大，并由下往上，逐步达到屈服，钢纤维拉力的合力和受压区混凝土压力的合力组成力偶，当力偶矩达到最大值时，外荷载达到峰值。

③破坏阶段：因为本试验采用千斤顶加载，相当于位移控制模式。外荷载达到峰值后，继续加载，随着盖板跨中继续下挠，盖板下部钢纤维不断出现断裂或者被拔出，力偶矩逐渐减小，外荷载的数值逐渐减小。若采用力控制模式，则盖板在荷载达到峰值后，会迅速断裂。RPC盖板破坏后，板底出现一条单一的受弯主裂缝，典型破坏情况如图10所示。

图10 RPC盖板破坏形态

由图7可知，钢筋混凝土盖板的破坏呈现出典型的适筋梁破坏特征，破坏全过程与RPC130盖板相似，也呈现三阶段的特征。

图7 钢筋混凝土盖板荷载—挠度曲线

①全截面受力阶段：当荷载较小时，混凝土未开裂，盖板处于全截面受力状态，挠度随着荷载的增加而不断增长，两者基本上成比例，在这一阶段的最后时刻，达到裂缝出现的临界点。

②带裂缝工作阶段：在全截面受力阶段的末点，混凝土拉应力达到混凝土抗拉强度，混凝土迅速开裂，并将承担的拉应力转移至受拉主筋，随着荷载不断增加，钢筋应力不断增大，裂缝不断变宽，混凝土受压区高度也有所减小，在这一阶段的末尾，钢筋达到屈服。

③破坏阶段：钢筋达到屈服后，钢筋应力保持不变，随着挠度增大，受压区高度仍有轻微上移，外荷载仍有少量增加，当受压区混凝土完全压碎破坏后，外荷载达到峰值，继续施加位移，外荷载数值反而减小，盖板完全破坏，典型破坏情况如图11所示。

图11 钢筋混凝土盖板破坏形态

对比两者的破坏过程，均表现出适筋梁的破坏特征，最终的破坏荷载均大于开裂荷载。

2.2 荷载结果分析

根据荷载—应变曲线中的应变实变点，判定盖板开裂时刻，得到盖板的开裂荷载、破坏荷载、开裂应变、开裂挠度等实测值；按《铁路桥涵设计规范》（TB 10002—2017）［8］当中的人行道板的竖向集中荷载1.5 kN检算，计算得到各片盖板的安全系数，具体结果如表2所示。由表2可知以下几个方面。

表2 静载试验实测数据

相对于设计荷载1.5 kN，RPC130盖板的开裂荷载和破坏荷载的平均安全系数分别为2.19和3.08，钢筋混凝土盖板则分别为9.93和16.87，均大于2，满足规范要求。钢筋混凝土盖板平均抗弯承载能力约为RPC盖板的5倍，相对于设计人行荷载1.5 kN来说，过于浪费。

RPC130盖板开裂应变平均值为219 με，明显大于钢筋混凝土盖板的128 με，说明相比于普通混凝土，RPC材料具有更好的韧性和延性。

每片钢筋混凝土盖板的重量约为86 kg，RPC盖板的重量约为26 kg，在满足承载力要求的情况下，采用RPC盖板可大幅降低结构自重荷载，降低安装劳动强度。

3 结论

①RPC盖板中钢纤维的作用类似于钢筋混凝土梁中的受拉钢筋。由于适量钢纤维的存在，RPC盖板的破坏过程与普通钢筋混凝土盖板相似，呈现典型的适筋梁破坏特征；通过增加钢纤维的含量，可提高RPC盖板的抗弯极限承载力。

②RPC130盖板开裂应变平均值为219 με，明显大于钢筋混凝土盖板的128 με，说明相比于普通混凝土，RPC材料具有更好的韧性和延性。

③相对于设计荷载1.5 kN，RPC130盖板和钢筋混凝土盖板开裂荷载和破坏荷载的平均安全系数均大于2，承载能力均能满足规范要求。RPC盖板的重量约为26 kg，不到普通钢筋混凝土盖板重量的1/3，在满足承载力要求的情况下，采用RPC盖板可大幅降低安装劳动强度，具有很好的推广价值。