纤维混凝土在铁路工程中的应用.pdf
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1、2 0 1 5年第 1 期 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT P RODUCTS 2 01 5 No 1 J a n u a r y 纤维混凝土在铁路工程中的应用 李化建 , 杨 鲁 1 ,2 , 黄 法礼 1 ,2 , 易忠来 1 ,2谭盐宾 ( 1 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所 , 北京 1 0 0 0 8 1 ; 2 高速铁路轨道技术国家重点实验室 , 北京 1 0 0 0 8 1 ) 摘要 : 为推动纤维混凝土在 高速铁路工程 中的应用 , 选择 铁路 工程桥 梁一 桥 面防水防护层 、 隧道一 衬砌喷射混 凝 土、 轨道一
2、 轨枕和 附属结构一电缆槽盖板等结构部位 , 总结 了纤维混凝 土在这 些结构 中应 用现状 , 尤其是在 高速铁 路 工程 中的应用现状 。结合铁路 工程纤维混凝土相 关的标 准与工程 实际, 提 出纤 维混凝 土在铁路 工程应用过程所 存在 的问题 , 并给 出了相应的建议。 关键词 : 纤维混凝 土; 铁路工程 ; 应 用 Ab s t r a c t : T o p r o mo t e t h e a p p l i c a t i o n o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n h i g h - s p e e d
3、 r a i l wa y e n g i n e e r i n g , t h e b ri d g e i n r a i l wa y e n g i n e e rin g wa t e r p r o o f p rot e c t i v e l a y e r o f d e c k , t h e t u n n e l l i n i n g s h o t c r e t e , t h e t r a c k s l e e p e r a n d t h e a c c e s s o r y s t r u c t u r e c o v e r p l a t e
4、 s o f c a b l e a n d o t h e r s t ruc t u r e s a r e s e l e c t e d Ap p l i c a t i o n o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n t h e s e s t ruc t u r e s i s s u mma riz e d ,e s p e c i a l l y t h e a p p l i c a t i o n s t a t u s i n h i g h - s p e e d r a i l w a y e n g
5、i n e e rin g C o mb i n e d w i t h s t a n d a r d s a n d e n g i n e e r i n g c o n d i t i o n s o f f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n r a i l w a y e n g i n e e r i n g , s o me p r o b l e ms o n a p p l i c a t i o n o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n r a
6、i l w a y e n g i n e e r i n g a n d t h e r e c o mme n d a t i o n s are p u t f o r wa r d Ke y W o r d s : F i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ; Ra i l wa y e n g i n e e rin g ; Ap p l i c a t i o n 中图分类号 : T U 5 2 8 0 4 2 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 O 1 5 ) O 1 5 2 0 5 0前 言
7、 随着“ 以桥代路 ” 设计理念 的推行以及 “ 无砟轨 道” 结构在我国高速铁 路工程中的规 模应 用 , 大大 拓展 了混 凝 土在 我 国铁路 工程 中 的应用范 围n - -2 1 。由 于铁路工程结构具有条带状分布 、露天环境服役 、 承受疲劳荷载作用 以及维修天窗时间短等特点I 3 】 , 要求铁路混凝土结构具有高耐久性 、高抗疲劳性。 作为脆性材料 的混凝土 , 虽然抗压 强度高 , 但存在 抗拉强度低 、 抗裂性差和脆性大等缺点 , 其抗拉强 度仅为抗压强度 1 1 1 0 - 1 1 7 ,受拉 的极限延伸率只有 0 0 1 0 0 6 , 断裂能为 2 0 8 0 J m
8、, 在较低 的拉伸 变形时即发生开裂 。并且随着强度的提高 , 混凝土 的脆性也随之增加 。长期 以来 , 许多学者不断探索 改善混凝士抗裂性能 、 提高抗 拉性 能 、 增 强韧性和 延性的各种方法 , 纤 维增强水泥基 复合材料 ( 纤维 混凝土 ) 被认为是解决混凝土上述缺点最为有效的 方法之一_5 _ 回 。纤维混凝土在铁路工程的典型应用始 于钢纤维混凝土轨枕 , 铁道部科学研究 院针对蒸养 和现浇 ,研制出了J 2 、 S - 2型预应力钢纤维混凝土 轨枕 , 并于 1 9 8 6年 1 0月铺设在石太线南峪车站附 基 金 项 目: 国家 高技 术 研究 发 展 计 划( 8 6 3
9、计 划 )项 目 ( 2 0 1 2 A A 0 6 2 4 0 5 ) ; 国家 自然科学 基金资 助项 目( 5 1 3 7 8 4 9 9 ) ; 中国铁 路总公司科研课题 ( J 2 0 1 3 C 0 1 4 ) 。 一 52一 近的上行线上7 o l , 成功解决了小曲率半径混凝土轨 枕易破坏的问题 。随着高速铁路工程中无砟轨道的 应用 , 纤维混凝土在铁路工程中的应用范围逐渐增 多 , 品种也从最初 的钢纤维发展到合成纤维 、 纤维 素纤维等 。 为了推动纤维混凝 土在铁路工程 , 尤其是高速 铁路工程中的应用 ,本文选择了桥梁一 桥面防水防 护层 、 隧道一 衬砌喷射混凝土 、
10、 轨道一 轨枕和附属结 构一 电缆槽 盖板等四个结构 ,阐述了铁路工程纤维 混凝 土标准 情况 、 应用现状 以及存在 问题 , 以期促 进纤 维混 凝土 在铁 路工 程 中的规模 应 用 。 1 纤 维混 凝土铁 路 工程 中的 应用 现状 纤维混凝土在我 国铁路工程 中虽已得到应用 , 但纤维混凝 土标准规范 尚不完善 , 在不同结构 的标 准中,涉及到一些纤维混凝土和纤维 的技术要求 , 尚没有颁 布专门针对纤维 混凝 土的标准 , 铁路工 程纤维混凝土结构技术规程 正在编制 。铁路行业 涉及到纤维混凝土的标准如表 1所示 。 1 1 桥梁工程桥面防水层保护层混凝土 客运专线混凝土桥面防
11、水层如图 1 所示。为了 防 止 防 水层 破 坏 , 在 防水 层 上 面设 置 保 护 层 , 现 行 标准规定该保 护层应采用 强度等级 为 C 4 0细石 聚 丙烯纤维网混凝土或聚丙烯腈纤维混凝土 , 混凝土 李化建 , 杨鲁 , 黄法礼 , 等 纤维混凝土在铁路工程中的应用 高 聚物 改性 沥青 防水 卷材 高 聚 蝴 曲 忡 沥 旨 瞒 7 k卷 材 基层处理剂涂层 桥 面基 层 - 。 1, = = 、 , 、 。 一 r 熔) 熔) 图 1 混凝 土桥 面防水层 结构形式 的性 能要 求 为 抗 压 强 度 4 0 M P a 、劈 拉 强 度 3 5 MP a 、 抗冻融循环
12、3 0 0次 、 抗渗性 1P 2 0 、 抗氯离 子渗透性 1 0 0 0 C, 当骨料碱一 硅酸盐反应砂浆膨胀 率在 0 1 0 0 2 0 时 , 混凝土的碱含量3 k g m 。聚 丙 烯腈 纤维 和聚丙烯纤 维 网的质量 应符 合 C E C S 3 8 : 2 0 0 4 ( 纤维混凝土结构技术规 程 有关规定 , 其 表 2 聚丙烯腈纤 维和聚丙 烯纤维网的 主要物理力学性 能指标 几何特征和主要物理性能应满足表 2的规定。每 m 混凝土中聚丙烯腈纤维和聚丙烯纤维 网的掺量应 符合设计 要求 , 当设计 无规定时 , 聚丙烯纤维 网的 掺量 宜 为 1 8 k g , 聚丙 烯腈
13、 纤 维 的掺量 宜为 l k g 。 研究表明 , 标准 中所给出的聚丙烯腈纤维与聚 丙烯纤维 网均存在各 自的局限性【 1 卜 。聚丙烯腈纤 维截面为 肾形 , 纵 向有纹理 , 分子结构中含有亲水 的极性腈基 , 与水泥基材料界面粘结性好 , 具有 良 好 的抗塑性开裂能力 ,但聚丙烯腈纤维直径较小 , 容易结 团, 表面吸附性较强 , 会 影响减水 剂的分散 效果。不掺纤维时新拌混凝土扩展度初始可达 5 8 0 m m, 具有 良好泵送施工性能 , 掺人聚丙烯腈纤维后 基 本 无扩 展 度 。聚丙 烯 网状 纤 维分 散 性 相 对较 好 , 但其早期抗塑性开裂性能较差 , 其原因是
14、网状聚丙 烯纤维经融纺 、 开膜后断裂强度较低 , 与水泥基材 料界面作用力主要靠物理摩擦 , 且 网状结构在混凝 土体系中很难完全展开 , 故抗裂效果较差 。对 比掺 聚乙烯醇纤维 、 聚丙烯 网状纤维 、 纤维素纤维的混 凝土性能, 聚乙烯醇纤维更适合用 于制备高速铁路 梁面防水保护层的 C 4 0细石纤维混凝土 , 其原因是 聚乙烯醇纤维分子结构 中含有羟基 ( 一 O H) , 能与水 泥水化产物发生反应 , 亲水性强 , 分散性好 , 且具有 较好抗裂性能。 桥面防水保护层容易出现开裂 ,裂缝产生后 , 水进入保 护层 , 会使保护层混凝 土碎裂或者在寒冷 地区出现冻融破坏 , 导致
15、防水层防水功能丧失。防 水保护层混凝土规范规定采用 C 4 0细石纤维混凝 土 , 从混凝土裂缝抑制机理来看 , 纤维主要起到 阻 裂的作用 , 即将混凝土 中的大裂缝变为小裂缝。工 一 53 2 0 1 5年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 5期 程实践表明 , 采用聚丙烯纤维细石混凝土施工 的路 基面防水保护层出现不同程度的开裂现象 。从混凝 土开裂机理出发 , 研究高抗裂聚合物混凝土 , 提高 混凝土 自身的抗裂性能 , 是解决桥面防水保护层混 凝土 开裂 的一 个方 向。 1 2隧道工程 喷射 昆 凝土 隧道工程喷射混凝土早期多采用 钢纤维混凝 土 , 喷射钢纤维混凝土具有
16、良好 的韧性 , 即在基体 混凝土开裂后产生较大 的塑性变形时能保持承载 力不 明显降低 , 可适应岩爆和大变形情况下的应力 释 放 , 具 有 吸收 变形 的能力 。钢纤 维 喷 射 混凝 土 也 被纳入 铁路隧道设计 规范 , 规 范中规定 : 喷射钢 纤维混凝土中的钢纤维宜采用普通碳素钢制成 , 断 面可为方形和圆形 , 等效直径宜为 0 3 0 5 ra m, 长度 宜为 2 0 2 5 mm, 并不得大于 2 5 m m; 抗拉强度不得小 于 6 0 0 MP a , 并不得有油渍 和明显的锈蚀 , 掺量宜为 混合料质量的 1 3 3 0 ,应根据纤维长径 比进行 选取。喷射混凝土与
17、围岩的粘结强度可采用预 留试 件拉拔法或钻芯拉拔法 , I、 级围岩不应低于 O 8 MP a , 级围岩不应低于 0 5 MP a 。喷射混凝土的水 胶 比不大 于 0 5 , 水泥用量不宜小于 4 0 0 k m 。C 2 5 喷射混凝土 2 4 h强度应不小于 I O MP a 。设计无明确 要求时 , 喷射混凝土 3 h强度应达到 1 5 MP a , 2 4 h强 度 应达 到 1 0 O MP a 。 随着合成纤维的出现 , 喷射混凝土中逐渐使用 了合成纤维来取代钢纤维 , 目前研究较多的是纤 维 素纤维。纤维素纤维是一种呈纤维状的多糖结构高 分子 聚合物 , 其原料取 自于天然植
18、物 ( 如树木) , 并 通过生物 、 化学技术加工制造而得。纤维素纤维喷 射混凝土 已经在武广 、 郑西 、 贵广等 高速铁路 工程 中应用 。 J7】 , 其配合 比见表 3 , 混凝土工作性能见表 4所示 表 3 纤维素纤维混凝土原材料及配合 比 k m 对纤维喷射混凝土塑性期间开裂性能 、 混凝土 平均 内应力 、 抗疲劳性能 、 抗渗性 能进 行的研究表 明: 纤维素纤维对混凝土早期塑性收缩裂缝 以及 自 收缩 、 干缩引起的裂缝具有明显的抑制作用 ; 纤维 素纤维可改善 隧道二次衬砌在长期轨振荷载作用 下 的抗疲劳性能 ; 通过降低混凝土孔隙率 , 提高棍 凝土密实性来改善混凝土的
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- 纤维 混凝土 铁路工程 中的 应用
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