混凝土軌枕裂縫產(chǎn)生的原因及防治措施

曹基光

摘要：預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕在使用過(guò)程中發(fā)生了不少損傷，涉及到行車(chē)安全，拆換下的傷損軌枕，除了少量是由于行車(chē)、裝卸事故等造成的機(jī)械性破損外，絕大部分則是由于產(chǎn)生各種各樣的裂縫，擔(dān)心其影響軌枕承載能力而被拆換的。本文針對(duì)混凝土軌枕產(chǎn)生裂縫的原因和防治措施進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：混凝土軌枕；裂縫；原因；措施

預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕在使用過(guò)程中發(fā)生了不少損傷，涉及到行車(chē)安全，拆換下的傷損軌枕，除了少量是由于行車(chē)、裝卸事故等造成的機(jī)械性破損外，絕大部分則是由于產(chǎn)生各種各樣的裂縫，擔(dān)心其影響軌枕承載能力而被拆換的。

軌枕作為一種預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，裂縫是難避免的，因此研究預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕裂縫的成因及其危害性，研究如何預(yù)防和控制裂縫，對(duì)提高混凝土軌枕的結(jié)構(gòu)耐久性，延長(zhǎng)軌枕的使用壽命，將是十分重要的。

1 混凝土軌枕裂縫的類(lèi)型

混凝土枕裂縫的類(lèi)型有：軌下垂直橫向裂縫(軌下正彎矩裂縫)；枕中垂直(橫向)裂縫(枕中正彎矩和負(fù)彎矩裂縫)；軌枕頂面螺栓孔縱向裂縫；軌枕頂面螺栓孔處橫裂(平行于鋼軌方向)；軌枕端部縱向裂縫；軌枕中部縱向裂縫；龜裂等。

2 混凝土軌枕裂縫的成因

混凝土軌枕裂縫的生成可以從結(jié)構(gòu)、工藝、材料等方面探討，也可從設(shè)計(jì)、制造、鋪設(shè)、使用等方面研究。在此，僅從物理、化學(xué)、力學(xué)的角度進(jìn)行分析。

2．1 力學(xué)因素

混凝土軌枕所受彎矩的大小不僅與枕上動(dòng)壓力有關(guān)，而且與枕下道碴支承狀態(tài)有關(guān)。原先設(shè)計(jì)規(guī)定鋪設(shè)和養(yǎng)護(hù)時(shí)應(yīng)使軌枕中間部分掏空400mm，掏空部分道碴頂面應(yīng)低于枕底30mm，避免負(fù)彎矩過(guò)大而產(chǎn)生枕中上部橫裂。近年來(lái)要求中間不掏空，即中間應(yīng)墊滿(mǎn)浮碴。設(shè)計(jì)時(shí)假設(shè)中間部分的支承反力應(yīng)為軌下部分的3／4(掏空時(shí)為0)。與一般的預(yù)應(yīng)力混凝土制品不同的是軌枕的支承狀態(tài)隨著列車(chē)的運(yùn)行及養(yǎng)護(hù)維修條件而不斷變化，一旦當(dāng)支承狀態(tài)與枕上垂直動(dòng)壓力聯(lián)合作用引起的彎矩超過(guò)設(shè)計(jì)限值時(shí)，則軌枕的相應(yīng)部分就會(huì)產(chǎn)生裂縫。

2．2 物理因素

物理因素系指軌枕制造和鋪設(shè)、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中受冷熱、干濕、凍融等的作用。當(dāng)蒸汽養(yǎng)護(hù)過(guò)程中升溫很快，恒溫溫度很高時(shí)，由于混凝土中氣、水、水泥、砂石等不同材料熱膨脹系數(shù)不同，而混凝土初期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度又很低時(shí)，高溫使氣、水大大膨脹，造成混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，容易引起軌枕表面特別是端頭表面的混凝土龜裂，疏松。

有一段時(shí)間，不少工廠軌枕生產(chǎn)中蒸汽養(yǎng)護(hù)沒(méi)有預(yù)養(yǎng)時(shí)間，升溫很快，恒溫溫度高于95℃，脫模時(shí)軌枕端部混凝土腫脹、疏松情況常有發(fā)生。而且放張時(shí)混凝土強(qiáng)度很多低于35N/mm2(70％fcu)，造成混凝土軌枕縱裂、龜裂現(xiàn)象較多。

當(dāng)出廠時(shí)僅有細(xì)微裂縫或僅有隱性微裂(肉眼看不見(jiàn))的軌枕，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，受到振動(dòng)、沖擊、疲勞荷載的作用，以及外界環(huán)境不斷變化著的干濕循環(huán)，凍融循環(huán)作用，也會(huì)使裂縫的寬度和長(zhǎng)度發(fā)展。

2．3 化學(xué)因素

化學(xué)因素指鋼筋銹蝕、混凝土腐蝕、碳酸化、堿集料反應(yīng)等。對(duì)中國(guó)混凝土軌枕而言，其中堿集料反應(yīng)(AAR)引起的破壞不容忽視。堿集料反應(yīng)的三個(gè)條件是：活性集料、高堿水泥和水，其破壞機(jī)理是以上三種物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在混凝土內(nèi)集料與水泥石的界面上生成硅酸鹽凝膠，體積膨脹，引起混凝土開(kāi)裂。

3 裂縫對(duì)混凝土軌枕結(jié)構(gòu)耐久性的影響

3.1 軌枕處在露天環(huán)境中，由于混凝土致密，水、氣不會(huì)滲入內(nèi)部，但當(dāng)裂縫開(kāi)展到一定寬度，且裂縫深度到達(dá)保護(hù)層時(shí)，水、氣就會(huì)沿著裂縫逐步滲透到達(dá)鋼筋，引起鋼筋腐蝕、生銹，鐵銹是一種鐵的化合物(氧化鐵)，其體積膨脹4倍，在混凝土內(nèi)部引起內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土進(jìn)一步開(kāi)裂，并使預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土的握裹力降低，從而影響軌枕的承載能力。

需要指出的是，混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕，其腐蝕速度(程度)與鋼筋所處環(huán)境的堿度(pH值)有關(guān)，pH值越高，越能保護(hù)鋼筋不被腐蝕。當(dāng)結(jié)構(gòu)混凝土有裂縫時(shí)，水進(jìn)入到鋼筋引起氧化，鋼筋銹蝕，氣進(jìn)入裂縫引起混凝土碳酸化，降低pH值，加深鋼筋腐蝕，而且這種腐蝕當(dāng)有C1-和SO42-離子存在時(shí)會(huì)加劇。

3.2 研究表明，結(jié)構(gòu)混凝土的裂縫只有達(dá)到一定寬度時(shí)，水、氣才能滲入，引起鋼筋腐蝕。國(guó)內(nèi)外規(guī)范規(guī)定，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫允許寬度為0．1~0．3mm(視不同介質(zhì)環(huán)境)，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)甚至不允許出現(xiàn)裂縫，其目的都是為了保證鋼筋不銹蝕。但從國(guó)內(nèi)外作的多次調(diào)查和試驗(yàn)，又證明裂縫寬度與鋼筋銹蝕沒(méi)有直接關(guān)系。

軌枕雖然也處于露天環(huán)境，但底部有30cm厚的道渣墊層，不會(huì)浸泡在水中。根據(jù)調(diào)查分析，表面寬度不超過(guò)lmm的裂縫，深度一般也達(dá)不到鋼筋位置。這種裂縫對(duì)其結(jié)構(gòu)性能是不會(huì)有影響的。

3.3 調(diào)查研究還表明，縱向裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的影響一般要比橫向裂縫嚴(yán)重。因鋼筋混凝土構(gòu)件的縱向裂縫引起的鋼筋銹蝕會(huì)使保護(hù)層剝落，龜裂擴(kuò)展會(huì)引起混凝土疏松、掉塊。筆者等曾從不同線(xiàn)路上抽取16根，其中帶有不同縱裂狀態(tài)的軌枕11根，常態(tài)軌枕5根，逐根進(jìn)行軌下截面靜載抗裂強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果:①出現(xiàn)貫通裂縫的軌枕，大部分軌下截面的靜載抗裂強(qiáng)度有比較明顯的降低；②端部縱裂或龜裂的軌枕，靜載抗裂強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度，與常態(tài)軌枕比較，一般無(wú)顯著差別。這說(shuō)明軌端部的縱裂和龜裂多是從表面開(kāi)始，還未發(fā)展到影響混凝土與鋼筋的握裹力。

從多次調(diào)查結(jié)果可看出，寬度和長(zhǎng)度都不大的裂縫對(duì)軌枕承載能力幾乎沒(méi)有影響。因此可以采用修補(bǔ)辦法將裂縫封閉，以提高結(jié)構(gòu)耐久性。中國(guó)鐵科院等單位研制的補(bǔ)縫膠、修補(bǔ)膠等用來(lái)修補(bǔ)裂縫軌枕，施工簡(jiǎn)單易行，造價(jià)低廉，對(duì)提高軌枕結(jié)構(gòu)耐久性，具有良好效果。

4 關(guān)于混凝土軌枕失效標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識(shí)

鐵路工務(wù)規(guī)程中關(guān)于軌枕失效標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定為：①明顯折裂；②環(huán)裂裂縫寬度超過(guò)0．5mm；③承軌槽面壓潰，擋肩嚴(yán)重破損；④縱向裂縫寬度超過(guò)0．5mm，長(zhǎng)度超過(guò)全長(zhǎng)二分之一；⑤承軌槽間兩釘孔間裂縫寬度超過(guò)0．5mm，并延伸至軌枕端部或軌枕中部；⑥承軌槽裂紋交錯(cuò)，嚴(yán)重掉塊露筋。筆者認(rèn)為以上規(guī)定是合適的。按規(guī)定，軌枕達(dá)到失效，就應(yīng)從線(xiàn)路上更換下來(lái)，以保證行車(chē)安全。但根據(jù)以上各種調(diào)查、試驗(yàn)的研究分析，在行車(chē)密度增大，從線(xiàn)路上更換軌枕更加困難，而在混凝土補(bǔ)縫材料和補(bǔ)縫技術(shù)不斷發(fā)展的今天，僅是因?yàn)榱芽p而被認(rèn)為失效的軌枕，由于承載能力及其他使用性能并未降低，可以采用即時(shí)修補(bǔ)的方法，以避免裂縫發(fā)展和鋼筋銹蝕，保持結(jié)構(gòu)耐久性，延長(zhǎng)軌枕使用壽命，從而提高線(xiàn)路的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

5 混凝土軌枕裂縫的預(yù)防和控制

5.1 從力學(xué)角度，為防止橫向裂縫，除了根據(jù)可能出現(xiàn)的最大荷載，合理配置預(yù)應(yīng)力鋼筋外，還應(yīng)加強(qiáng)端部箍筋和道釘孔處螺旋筋的配置。此外，加強(qiáng)線(xiàn)路維修養(yǎng)護(hù)，使軌枕處于良好支承狀態(tài)也是防止軌枕軌下和枕中出現(xiàn)橫向裂縫的重要條件。

箍筋和螺旋筋的設(shè)置有利于防止軌枕端部和中部縱裂以及釘孔裂縫，但目前箍筋本身不成整體，且與預(yù)應(yīng)力鋼筋只是松散搭接，在防止縱裂方面效果有限。有的工廠嚴(yán)格將端部箍筋布置在離端頭30mm范圍內(nèi)，并與預(yù)應(yīng)力鋼筋牢固綁扎在一起，從而發(fā)現(xiàn)對(duì)防止端部縱裂有很好效果。

5.2 嚴(yán)格控制混凝土原材料

除了對(duì)水泥強(qiáng)度與安定性、集料的級(jí)配與含泥量等常規(guī)指標(biāo)嚴(yán)格控制外，還應(yīng)重點(diǎn)考慮堿集料反應(yīng)問(wèn)題。

中國(guó)天然河砂至今未發(fā)現(xiàn)有堿活性，但不少地區(qū)的粗集料卻有潛在堿活性，因此應(yīng)大力推廣應(yīng)用低堿水泥(含堿量≤0．6％)和低堿減水劑。在目前使用低堿水泥和低堿減水劑尚有困難的情況下，應(yīng)注意控制最大水泥用量，以使軌枕混凝土的堿含量不超過(guò)安全限值(3kg/m3)。

參考文獻(xiàn)

[1]馬超,竇慧娟,牛紅凱.混凝土軌枕螺栓孔縱裂改進(jìn)措施[J].鐵道建筑,2004,4.

[2]馬超,岳渠德,牛紅凱.軌枕預(yù)留螺栓孔縱裂原因及改進(jìn)措施[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),2002,1.