車輛減速器混凝土基礎(chǔ)強(qiáng)度及工藝的研究

李凱華

車輛減速器混凝土基礎(chǔ)強(qiáng)度及工藝的研究

李凱華

摘 要：車輛減速器混凝土基礎(chǔ)是減速器設(shè)備的重要組成部分，其強(qiáng)度和耐久性直接影響設(shè)備的運(yùn)用效果和壽命?；炷粱A(chǔ)一旦出現(xiàn)破損，會給使用和售后帶來很多困擾。為此，從混凝土特性入手，對破損受力、破損形態(tài)和過程等進(jìn)行分析和定性，找出影響混凝土強(qiáng)度和耐久性的主要因素，并在生產(chǎn)實(shí)踐中針對性地通過改造設(shè)備和改進(jìn)工藝等手段予以解決，提升了減速器基礎(chǔ)的性能，收到了良好的效果。

關(guān)鍵詞：減速器;混凝土基礎(chǔ);強(qiáng)度;耐久性

駝峰車輛減速器是編組站自動化調(diào)速系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)設(shè)備，由其所構(gòu)成的點(diǎn)連式調(diào)速模式經(jīng)多年運(yùn)用改進(jìn)，已經(jīng)成為中國鐵路最成熟的調(diào)速模式，有力地保障了列車解體和編組的效率和安全。隨著車輛軸重的逐步提高，在幾個作業(yè)量大的站場已經(jīng)出現(xiàn)了混凝土基礎(chǔ)破損和壽命不理想的情況，而且維修非常困難，這給工廠售后服務(wù)和現(xiàn)場維修都帶來不少困擾。本文從混凝土的特征、減速器基礎(chǔ)的受力分析、破損形態(tài)和發(fā)展過程入手，對破損進(jìn)行定性，并找出影響混凝土強(qiáng)度和耐久性的主要影響因素，在生產(chǎn)實(shí)踐中通過改造設(shè)備和改進(jìn)工藝等手段予以解決，在現(xiàn)場收到了良好的效果?，F(xiàn)將這些研究和實(shí)踐總結(jié)出來，與業(yè)內(nèi)專家交流分享。

1 影響減速器混凝土基礎(chǔ)強(qiáng)度的因素

混凝土是用水泥、水、砂子、石籽和外加劑混合攪拌入模澆筑并養(yǎng)護(hù)成型的人工石材，具有抗壓強(qiáng)度高、整體性好、可模性好和成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)代工程中最常用的建筑材料。

混凝土是水泥結(jié)晶體和粗細(xì)骨料等膠合粘結(jié)形成的多相復(fù)合材料，從不同的尺度看有不同的結(jié)構(gòu)特征：從微觀結(jié)構(gòu)看，由水泥凝膠、晶體骨架，未水化完全的水泥顆粒和凝膠孔組成;從亞微觀結(jié)構(gòu)看，是以微觀結(jié)構(gòu)為基相、砂子為分散相的兩組分混凝土體系，砂子和水泥石的結(jié)合面是薄弱面;從宏觀結(jié)構(gòu)看，以水泥砂漿為基相，粗骨料隨機(jī)分布在連續(xù)的水泥砂漿中，一般粗骨料的強(qiáng)度比混凝土強(qiáng)度髙，但其界面是薄弱點(diǎn)?；炷恋慕Y(jié)構(gòu)與其組成材料有關(guān)，也與其凝結(jié)硬化的環(huán)境和條件有關(guān)?；炷恋慕Y(jié)構(gòu)不僅關(guān)系到混凝土的強(qiáng)度和變形性能，也與其耐久性有直接關(guān)系，因?yàn)榛炷猎谖⒂^和亞微觀層面有孔隙和細(xì)微裂紋等內(nèi)在缺陷，這些缺陷會因受力等外部條件而產(chǎn)生宏觀層面的表現(xiàn)。

從混凝土的力學(xué)性能看，混凝土具有抗壓強(qiáng)度(fcu)高，但抗拉強(qiáng)度 (ft)很低 (只有抗壓強(qiáng)度的1/9～1/18)，所以抗裂性差。在減速器混凝土基礎(chǔ)的多年使用中，就出現(xiàn)過這些缺點(diǎn)所帶來的問題。

1.1 軌枕板結(jié)構(gòu)和受力分析

我國在用的減速器基本上采用浮軌重力式工作原理，技術(shù)成熟，穩(wěn)定可靠。但是，浮軌的原理對設(shè)備基礎(chǔ)提出了很高的要求，一是受力本身很大，而且有沖擊;二是設(shè)備常年24 h不間斷使用，整個壽命期內(nèi)的重復(fù)受力次數(shù)最大可達(dá)2000萬次的水平。當(dāng)然，并不是所有的受力都會達(dá)到最大的幅值，但是，有些站場滿載的車輛可能會占到一半以上，那么，基礎(chǔ)全載受力的重復(fù)次數(shù)應(yīng)該在1000萬次以上。

圖1所示軌枕板是利用鋼模制作的鋼筋混凝土構(gòu)件，高出部分為承軌臺，形狀稍顯復(fù)雜。

圖1 軌枕板結(jié)構(gòu)和受力示意圖

使用中基本軌落在承軌臺上，在緩解狀態(tài)車輛正常通過，承軌臺承受車輪重力，按25 t軸重車輛計(jì)算，每側(cè)約12.5 tf(噸力);但在減速器制動過程中基本軌會浮起5～10 mm，然后在0.6 s的時間內(nèi)落到承軌臺上，如考慮動態(tài)沖擊系數(shù)為2.0，則最大拍擊力為25.0 tf，見圖1中Fv;在減速器制動過程中，經(jīng)計(jì)算每側(cè)縱向沖擊力最大約8.0 tf，分布在7節(jié)減速器的每個擋臺上時，平均承受約1.0 tf，但每個擋臺受力不均衡，至少要考慮2.0 tf，見圖1中Fh。

軌枕板的常見破損見圖2，位置多發(fā)于承軌臺，發(fā)生時間在使用后5年左右，破損過程一般最初在承軌臺的下方略高于曲拐平面的地方出現(xiàn)一條泛堿線，之后沿此線逐漸形成肉眼可見的裂紋，并晰出灰白色研磨粉末，如果遇到雨季，會流出灰漿，再之后會擴(kuò)展成明顯的裂紋，裂紋處磨損并向上延展出分支，溝通軌底受力點(diǎn)，整個承軌臺開裂成數(shù)塊。

圖2 軌枕板破損形態(tài)

峰下一側(cè)的承軌臺因?yàn)槎嗍芤粋€縱向沖擊Fh的作用，發(fā)生破損的概率比峰上側(cè)多一倍左右，這既說明Fh起了一定的作用，同時也說明垂向的拍擊力才是破壞的主要因素，而縱向沖擊是次要因素。

根據(jù)以上現(xiàn)象分析認(rèn)為，軌枕板發(fā)生如圖2所示的破損，在性質(zhì)上是減速器承軌臺在反復(fù)的垂向拍擊作用下的疲勞破損，其誘因是混凝土堿-骨料反應(yīng)加上微觀缺陷所致的強(qiáng)度降低和耐久性不足。其中，微觀缺陷既包括混凝土微觀結(jié)構(gòu)的內(nèi)在缺陷，也包括在縱向沖擊Fh引起的彎曲力、脫模受力或施工中穿軌撞擊力等導(dǎo)致承軌臺下方出現(xiàn)的微裂紋。

1.2 混凝土的破損機(jī)理和影響因素

既然垂向沖擊是主要破壞因素，那么就有必要對于混凝土在承受壓力荷載時的典型破壞形態(tài)進(jìn)行研究。

圖3為混凝土在單軸受壓試驗(yàn)狀態(tài)下的破壞過程和機(jī)理，從圖中可見，混凝土的破壞是由于內(nèi)部開裂的裂縫逐漸發(fā)展的結(jié)果，也就是說破壞只是裂縫發(fā)展過程的最后階段。試塊在加載前，混凝土中就存在收縮裂縫和由于骨料周圍泌水產(chǎn)生的微裂縫(粘結(jié)裂縫);受載后，當(dāng)應(yīng)力較小時，骨料和水泥石產(chǎn)生彈性變形，初始微裂縫基本不發(fā)展;當(dāng)荷載達(dá)到約65%的極限荷載時，在骨料顆粒與水泥石的接觸面上產(chǎn)生了局部應(yīng)力集中，當(dāng)拉應(yīng)力超過粘結(jié)強(qiáng)度將出現(xiàn)一些新的裂縫 (砂漿裂縫)同時初始微裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展;當(dāng)加載至約85%極限荷載時，砂漿裂縫急劇擴(kuò)展，先溝通大骨料的粘結(jié)裂縫，再溝通小骨料的粘結(jié)裂縫，成為非穩(wěn)定裂縫;在極限荷載下，形成與加載方向平行的縱向貫通裂縫，導(dǎo)致混凝土破壞。

圖3 X光觀測混凝土裂紋發(fā)展形態(tài)示意圖

圖4為混凝土應(yīng)力-應(yīng)變示意圖，又進(jìn)一步說明了混凝土的疲勞破壞機(jī)理。

圖4 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變示意圖

圖4(a)為混凝土受壓棱柱體試件在一次加載卸載時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。當(dāng)加載至A點(diǎn)后卸載，加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線為OA，卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線為AB。加載至A點(diǎn)時總應(yīng)變ε，其中一部分在卸載過程中不能恢復(fù)，即塑性應(yīng)變εp，其中還有一小部分可歷時恢復(fù)的彈性后效應(yīng)變εae，最后保留在試件中不能恢復(fù)的變形稱為殘余應(yīng)變εcr。所以，混凝土在一次加載卸載下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為OABB’的滯回環(huán)。

混凝土受壓棱柱體試件在多次重復(fù)荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4(b)所示，圖中表示了3種不同水平的應(yīng)力重復(fù)作用時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖可見，當(dāng)每次加載的最大壓應(yīng)力值 (不超過某個限值時，如σ1、σ2)，每次加載卸載過程都將有一部分塑性變形不能恢復(fù)，形成塑性變形的積累。但隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加 (5～10次)，累積的塑性變形將不再增長。但當(dāng)加載的最大壓應(yīng)力值 (如圖中的σ3)超過某一限值時，隨著荷載重復(fù)次數(shù)的增加，繼續(xù)加載將在混凝土內(nèi)部引起新的微裂縫并不斷發(fā)展，加載卸載曲線不能再形成封閉的滯回環(huán)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率不斷降低，最終將因嚴(yán)重開裂或變形過大而破壞。

在疲勞破壞的構(gòu)件中，混凝土的耐久性是重要的指標(biāo)，指的是混凝土在實(shí)際使用條件下抵抗各種破壞因素的作用，長期保持其強(qiáng)度和外觀完整性的能力。

經(jīng)過細(xì)致分析并結(jié)合工廠生產(chǎn)工藝的檢查，我們發(fā)現(xiàn)了影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性的幾個主要因素：①水泥的強(qiáng)度和水灰比;②混凝土的粗細(xì)骨料的級配和含泥量;③外加劑的選擇;④混凝土的配比和攪拌;⑤混凝土的養(yǎng)護(hù)。

2 提高混凝土軌枕板性能的措施

針對分析出的5項(xiàng)影響因素，在生產(chǎn)實(shí)踐中，工廠做了以下工作：

1．提高水泥強(qiáng)度，嚴(yán)控水灰比。普通硅酸鹽水泥等級從42.5提高到52.5，通過檢查砂石含水率等手段，按照質(zhì)檢部門提供的混凝土配比，控制水灰比。

2．選擇優(yōu)質(zhì)河砂，粗骨料清篩水洗。從前面的分析看出，骨料潔凈可減少界面缺陷，而合理的級配，能提高拌合物的密實(shí)度，優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為此，工廠選擇優(yōu)質(zhì)河砂，又新建粗骨料清篩和水洗設(shè)備，保證粗骨料的粒徑≥5 mm，針片狀含量≤8%，粗骨料采用二級配，骨料含泥量保證砂≤2%，粗骨料≤0.5%。

3．選擇低堿外加劑，包括減水劑和引氣劑，抑制堿-骨料反應(yīng)，提高混凝土耐久性。

4．改造混凝土攪拌生產(chǎn)線，提高自動化程度和物料稱量精度。現(xiàn)代混凝土的生產(chǎn)，離不開先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，為此，工廠投資購置了一臺1.0 m3的攪拌站，代替原來的0.25 m3的設(shè)備，新設(shè)備采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)，自動物料稱量，骨料稱量精度≤2%，水泥、粉料、水及外加劑的稱量精度≤1%，物料運(yùn)送氣動化或機(jī)械化。經(jīng)過改造，產(chǎn)能、效率和混凝土攪拌質(zhì)量都有了很大提高。

5．?dāng)U建計(jì)算機(jī)自動溫控養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，涵蓋新增的軌道板產(chǎn)品。軌道板是鐵科院為改善減速器混凝土基礎(chǔ)受力方式做的最新改進(jìn)，承軌臺部分鋼結(jié)構(gòu)化，加大底面受力，使混凝土部分的受力狀況有明顯改善。工廠為保證新產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，擴(kuò)建自動溫控系統(tǒng)。配合軌道板生產(chǎn)，新建浸水養(yǎng)護(hù)池。

3 結(jié)束語

本文從現(xiàn)場需求出發(fā)，對減速器基礎(chǔ)在使用中出現(xiàn)的破損情況進(jìn)行細(xì)致的分析，并總結(jié)出對減速器混凝土強(qiáng)度和耐久性有重大影響的5個因素。在研究結(jié)論的基礎(chǔ)上，在鐵科院的幫助下，工廠針對5個方面，通過購置或改造設(shè)備、控制用料品質(zhì)、優(yōu)化生產(chǎn)工藝等措施，解決了這些技術(shù)問題，使減速器混凝土基礎(chǔ)的抗壓強(qiáng)度從C50提高到C55，耐久性不良導(dǎo)致的破損率從以前的1‰降低到0.2‰的水平，減輕了現(xiàn)場維護(hù)工作量，保證了設(shè)備的良好狀態(tài)。這些措施也提高了生產(chǎn)效率，保證現(xiàn)場供貨的時間要求，為鐵路編組站的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的生產(chǎn)保障。

［1］李岱峰，郭祥熹，高立中．T．JK/T．JY系列車輛減速器［M］．北京：中國鐵道出版社，2002．

［2］周新剛，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：12.

［3］宋玉普，王清湘.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)［M］．機(jī)械工業(yè)出版社，2005：20.

［4］梁興文.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］．中國建筑工業(yè)出版社，2008：15，28.

［5］李凱華，高立中.車輛減速器混凝土基礎(chǔ)的改進(jìn)和研制［J］．鐵道通信信號，2012(7)：25－27.

Abstract:The concrete foundation beds are important parts of the hump cars retarder equipment，whose strength and durability directly influence the application effect and lifecycle．Once the concrete foundation beds damaged，it will bring many problems to the application and after-sales department．The author tries to analyze and determine the major influential factors of the strength and durability of the concrete beds in terms of concrete characteristics，damage stress，damage form，and process．Furthermore，the author managed to solve these problems through transforming equipment and improving the process in production practice，enhancing the performance of these methods and promoting the quantity of the concrete beds，and satisfying results have been achieved．

Key words:Retarder;Concrete foundation bed;Strength;Durability

李凱華：沈陽鐵路局沈陽裝卸機(jī)械廠 工程師 110044 沈陽

2013-01-05

(責(zé)任編輯：張 利)