高ZrO2含量耐碱玻璃纤维在RPC盖板中的应用研究

高ZrO2含量耐碱玻璃纤维在RPC盖板中的应用研究

高龙

山东铁正工程试验检测中心有限公司山东省济南市250000

摘要：铁路RPC盖板是一种活性粉末特种钢纤维混凝土预制构件。为了节省钢材、降低钢材锈蚀对混凝土性能的影响，减小盖板自重和推动新材料的应用领域等，通过利用高ZrO2含量耐碱玻璃纤维取代钢纤维，力争达到相同或者相近的性能，满足设计及规范要求，建立了两种不同纤维三种掺量的试验方案。研究表明：18HP-30方案的性价比突出，虽然在力学性能上不能满足设计要求，也无法和钢纤维粉末混凝土媲美，但是成品静载试验合格，满足构件的使用功能，具有一定的实用价值，为以后高ZrO2含量耐碱玻璃纤维粉末混凝土的发展及推广奠定了基础。

关键词：耐碱玻璃纤维；抗压强度；抗折强度；钢纤维；活性粉末混凝土

StudyontheapplicationofhighZrO2ofalkaliresistantglassfiberinRPCCoverPlate

GaoLong1

(ShandongTiezhengEngineeringTestInspectionCenterCo.Ltd，ShandongProvinceJinan250000）

Abstract：TheRPCcoverisakindofactivepowderspecialsteelfiberconcreteprefabricatedcomponents.Inordertosavesteel,reducetheinfluenceofreinforcementcorrosiononconcreteperformance,reduceweightandpromotethecoveroftheapplicationofnewmaterials,insteadofsteelfiberwithhighZrO2contentofalkaliresistantglassfiber,andstrivetoachievetheperformanceofthesameorsimilar,tomeettherequirementsofdesignandspecification,setupthreekindsofdosageschemeoftwodifferentfibers.Researchshowsthatthe18HP-30schemeiscost-effectiveoutstanding,althoughnotinthemechanicalpropertiesmeetthedesignrequirements,alsocanmatchpowderandsteelfiberconcrete,butthefinishedstaticloadtestqualified,meettheusefunctionofthestructure,andhasacertainpracticalvalue,andlaidafoundationforthefuturedevelopmentandpromotionofhighZrO2contentofalkaliresistantglassfiberpowderconcrete.

Keywords：ThehighZrO2contentofalkali-resistantglassFiber，Compressivestrength，Flexuralstrength，steelfiber，reactivepowderconcrete

1引言

活性粉末混凝土(ReactivePowderConcrete)简称RPC，是继高强、高性能混凝土之后，在90年代中期通过采用常规的水泥等材料开发出的超高强度、高耐久性、高韧性和体积稳定性良好的水泥基材料，是DSP材料与纤维增强材料复合而成的高性能混凝土，RPC材料具有如下特点：

(1)较高的抗压强度、抗剪强度和较强的耐久性，在结构设计中可以采用更薄的截面或具有创新性的截面形状替代原有普通砌块同类产品。

(2)RPC材料的高韧性有利于结构自重的减轻和结构抗震及抗冲击性能提高。

(3)RPC材料的耐高温性、耐火性以及抗腐蚀能力远远优于钢材。

铁路电缆槽盖板是一种RPC材料构件，主要采用P•O42.5水泥、石英砂、钢纤维、微硅粉、矿渣粉、减水剂和拌和水按配合比拌制养护而成。由于钢纤维的密度大、易锈蚀、宜结团、穿透破坏作用大，致使预制盖板构件自重较大、耐久性较差、拌和性能不易控制等缺陷。所以，尝试利用一种新型耐碱玻璃纤维取代钢纤维，耐碱玻璃纤维在水泥和其他碱性介质中具有很高的耐侵蚀性能[1]，同时弹性模量、抗冲击、抗拉、抗弯强度极高，不燃，抗冻，耐温度、湿度变化能力强，抗裂、抗渗性能卓越，具有可设计性强，易成型等特点[2,3]，是应用在高性能增强(水泥)混凝土中的一种新型的绿色环保型增强材料[4]，活性粉末可以降低碱性环境，改善纤维界面[5,6]。

2研究方案

依据依据科技基【2006】129号文《客运专线铁路活性泡沫混凝土材料人行道挡板、盖板暂行技术条件》和工管技【2009】75号文《关于铁路活性泡沫混凝土盖板实施的指导意见》相关要求，对RPC盖板配合比设计要求如表1-1。

表1-1配合比设计要求

抗压强度试件选用100×100×100mm3，同条件养护28d，加载速率1.2MPa•S-1；抗折强度试件选用100×100×400mm3，同条件养护28d，加载速率0.08MPa•S-1；弹性模量试件选用100×100×300mm3，同条件养护28d，加载速率(1.0~1.2)MPa•S-1。力学性能均无折算系数。抗冻试验试件选用100×100×400mm3，依据GBJ82—85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》；氯离子渗透性试验按ASTMcl202-97规定进行。

参照石济客专三标段钢纤维高性能活性粉末RPC盖板配比，如表1-2，经过试拌及调整最终确定的耐碱玻璃纤维盖板配比如表1-3，其中，钢纤维和耐碱玻纤均采用先掺法，不同的掺加方式会影响纤维的分散性能[7]。

表1-2掺钢纤维配合比kg•m-3

方案选择18HP和36HP两种单掺纤维，掺量分别为30kg•m-3、45kg•m-3和60kg•m-3。投料顺序应为石英砂、耐碱玻璃纤维、水泥、RPC专用掺和料、水、外加剂，干料先预搅拌5min，加水、外加剂再搅拌4min。RPC材料拌合物坍落度应小于180mm。搅拌完毕的RPC材料拌合物应在30min内灌注完毕。构件宜连续灌注，最大间隔时间应不超过6min。成型构件需要静停6h后，采用蒸汽养护，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-1，降温速度不应大于15℃•h-1。恒温温度应控制在80±5℃，恒温养护时间不应少于48h。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。

3试验结果

试验主要从混合料坍落度、抗压强度、抗折强度、弹性模量和电通量等性能进行分析。如表1-4，为耐碱玻璃纤维与钢纤维的拌和性能试验结果。

表1-4拌合物性能

由表1-4可以得出：掺18HP和36HP的耐碱玻璃纤维粉末混凝土，都随着掺量的增加，混凝土坍落度不断减少，说明纤维的掺量会阻碍混凝土的流动和扩展。18HP和36HP两种纤维相比，长度越大，对混凝土的和易性影响越小。钢纤维坍落度满足设计要求，且为了便于施工，控制到上限值。

如表1-5，为不同方案配合比的不同龄期抗压强度。

表1-5抗压强度MPa

由表1-5可以得出：掺18HP耐碱玻璃纤维粉末混凝土，随着掺量的增加，抗压强度呈现增长趋势，但是提高幅度较小，掺量60kg•m-3的28d抗压强度相比掺量45kg•m-3和30kg•m-3的仅提高0.9MPa和1.4MPa。掺36HP耐碱玻璃纤维粉末混凝土，随着掺量的增加，抗压强度呈现降低趋势，其中掺量为30kg•m-3的28d抗压强度达到最大值109.7MPa。钢纤维混凝土抗压强度无论早期，还是后期都要远远高于耐碱玻璃纤维，龄期14d时，强度就达到138.5MPa，超出设计要求的6.2%，而耐碱玻纤却都小于130MPa。

如表1-6，为不同方案配合比的不同龄期抗折强度。

表1-6抗折强度MPa

由表1-6可以得出：掺18HP耐碱玻璃纤维粉末混凝土，随着掺量的增加，抗折强度呈现增长趋势；但是提高幅度也较小，掺量60kg•m-3和45kg•m-3的28d抗折强度达到相同值15.4MP。掺36HP耐碱玻璃纤维粉末混凝土，随着掺量的增加，抗折强度呈现降低趋势，其中掺量为30kg•m-3的28d抗折强度达到最大值15.0MPa。钢纤维混凝土抗压强度无论早期，还是后期都要远远高于耐碱玻璃纤维，龄期28d时，抗折强度就达到22.4MPa，超出设计要求的24.4%，而耐碱玻纤混凝土未能达到设计要求。

如表1-7，为不同方案配合比的不同龄期弹性模量和电通量试验结果。

表1-7弹模及电通量

由表1-7可以得出：掺18HP耐碱玻璃纤维粉末混凝土，随着掺量的增加，弹性模量略有提高，变化较小，电通量却有不断增加趋势；掺36HP耐碱玻璃纤维粉末混凝土，随着掺量的增加，弹模呈现降低趋势，电通量呈增加趋势。各配比相比之下，编号为18HP-30的方案综合性能最佳，弹模能够满足设计要求，电通量也比钢纤维小48C，降低23.9%。

综上所述，方案18HP-30配比在拌和性能、工作性、抗压强度、抗折强度、弹模及抗渗透性等方面综合性能较好，可以作为择优方案，但是在抗压和抗折方面难以满足设计要求，为了验证本方案的产品是否适合工程要求，提前与生产了10片盖板，并全部进行了静载试验，开裂弯矩为设计弯矩的2.03倍，破坏弯矩为设计弯矩的2.16倍，满足现场需求。

4结论及分析

(1)耐碱玻璃纤维与粉末活性混凝土具有良好的适应性。耐碱玻纤是一种半刚性材料，继承了钢纤维的部分性能，在混凝土中具有很高的分散性，不易结团成块儿，与胶凝材料的粘结性能较好，所以，适用于混凝土的应用。

(2)相比钢纤维需水量较大。对于纤维混凝土一般随掺量的增大，需水量增加，这是由于刚性纤维的骨架效应，由配合比可以看出在相同设计要求和胶凝材料情况下，耐碱玻纤的单位用水量要比钢纤维多3kg水，而且减水剂的掺量也远高于钢纤维。这是由于钢纤维的刚性大，对拌合物的穿透破坏作用强烈，而耐碱玻纤的作用相比钢纤维要弱。

(3)耐碱玻纤混凝土力学性能远不及钢纤维。18HP-30方案7d的抗压和抗折强度是钢纤维的80.2%和72.9%，28d的是84.7%和67.9%。这是由于钢纤维的掺量较大、纤维粗糙度大、与混合料粘结性好、刚度大、强度高等性能导致。

(4)耐碱玻纤混凝土的弹性模量不及钢纤维，但是电通量却要好于钢纤维。28d混凝土弹性模量是钢纤维混凝土的89.8%，而电通量值缺减少了23.9%，抗离子渗透能力明显提高。这是由于耐碱玻纤的刚度小，混凝土抗压强度低，所以弹性模量也较小，耐碱玻纤的穿透能力较弱，对水泥浆体系破坏作用较小，所以密实性要好于钢纤维，抗离子渗透能力较高。

(5)耐碱玻纤混凝土的力学性能虽然达不到设计要求，但是成品静载试验满足规范要求。具有一定适用价值。

5展望

高ZrO2含量耐碱玻璃纤维是一种新型纤维，在活性粉末混凝土中的应用研究也是首次，所以具有较大的难度和挑战，而且成本较高，每吨价格是钢纤维的3~4倍，试验方案的掺量控制在30kg•m-3到60kg•m-3，其中18HP-30方案的性价比较高，每方混凝土纤维的价格可减少4000元左右，产品的性能也能满足规范要求，但是，耐碱玻纤混凝土还是存在一些不足，如；抗压和抗折强度达不到设计要求，远不及钢纤维混凝土，相同掺量时，成本会增加，随着搅拌时间的延长，耐碱玻纤会有磨损和变形。所以，在以后的研究试验中，仍需要对拌合工艺及掺量、力学性能进行深入透彻的分析。高ZrO2含量耐碱玻璃纤维早期耐碱性能突出，但是在后期，由于物理和化学的侵蚀破坏作用，也存在一定的破损[8]，仍需要进一步完善。

参考文献

[1]亚当，内维尔．纤维增强水泥与混凝土[M].中国建筑工业出版社．1975．

[2]李振荣，杨立臣．耐碱玻璃纤维[J]，1999(6)．

[3]邓宗才，薛会青等．耐碱玻璃纤维混凝土的抗弯冲击性能研究[J]，公路2007(12)：285-287．

[4]亚当，内维尔．纤维增强水泥与混凝土[M].中国建筑工业出版社，1975．

[5]MarikunteS，AldeaC，ShahSp．Durabilityofglassfiberreinforcedcementcomposite：effectofsilicafumeandmetakaolin．AdvancedCementBasedMaterials，1997(5)．

[6]Zhang.Y，W.Sun，etl．Theeffectofhighcontentofflyashonthepropertiesofglassfiberreinforcedcementitiouscomposites.CementandConcreteResearch，1997，27(12)．

[7]李晓民．耐碱玻璃纤维道路混凝土的耐腐蚀性研究[J].哈尔滨工业大学，2003(7)：21-22．

[8]李晓民．耐碱玻璃纤维在混凝土中的长期增强效应的研究[D].大连交通大学，2009，12．

科研项目：耐碱玻璃纤维在铁路混凝土中的应用研究；

来源：山东省经信委技术创新项目

编号：201540701004