雙塊式軌枕擋肩裂紋原因分析及控制

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(中鐵七局集團(tuán) 鄭州工程有限公司，河南 鄭州 450052)

0 引言

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，雙塊式無砟軌道由于其良好的軌道平順性和持久可靠的穩(wěn)定性，以及高效率的運(yùn)能，極少的線路維量，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外受到高度的重視，越來越多的國家都在致力于其應(yīng)用和發(fā)展[1]。在這種環(huán)境之下，雙塊式軌枕的預(yù)制技術(shù)也得到了快速發(fā)展，行業(yè)規(guī)范要求雙塊式軌枕不得出現(xiàn)承軌面與擋肩裂紋，雙塊式軌枕側(cè)面不得出現(xiàn)與橫截面平行的裂紋[2]。為了保證在軌枕預(yù)制時(shí)具有較高的效率和質(zhì)量，對雙塊式軌枕的擋肩裂紋質(zhì)量控制研究是非常必要的。

1 研究背景

中鐵七局集團(tuán)鄭州工程有限公司貴廣項(xiàng)目部廣寧軌枕預(yù)制場主要承擔(dān)新建貴陽至廣州鐵路廣東省境內(nèi)CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道約40萬根雙塊式軌枕的生產(chǎn)任務(wù)。軌枕生產(chǎn)按照《CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道雙塊式軌枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》制造，圖號(hào)為通線[2011]2351-I，軌枕型號(hào)為SK-2型，技術(shù)條件符合《客運(yùn)專線鐵路雙塊式無砟軌道雙塊式混凝土軌枕暫行技術(shù)條件》(科技基[2008]74號(hào))的相關(guān)要求。

2 擋肩裂紋現(xiàn)象及原因初判

2.1 軌枕脫模機(jī)構(gòu)及脫模原理

雙塊式軌枕采用沖擊式脫模，其原理主要是根據(jù)慣性原理，軌枕與模具一起做自由落體運(yùn)動(dòng)，模具受阻停止下落，軌枕由于慣性繼續(xù)下落并與模具脫離[3]，軌枕脫模結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

2.2 裂紋現(xiàn)象及原因初判

經(jīng)過對擋肩出現(xiàn)裂紋的軌枕進(jìn)行認(rèn)真觀察，發(fā)現(xiàn)擋肩出現(xiàn)裂紋的軌枕只有一端擋肩處出現(xiàn)裂紋，且出現(xiàn)裂紋側(cè)擋肩均有不同程度的黑色印跡(如圖2所示)。

圖1 軌枕脫模機(jī)構(gòu)示意 圖2 擋肩裂紋軌枕照片

通過以上現(xiàn)象不難推出，軌枕在脫模過程中由于兩端不同步脫出致使一端軌枕擋肩被卡在模具里，而另一端已經(jīng)脫出，從而由于軌枕自重等因素將軌枕拉裂。

3 裂紋原因深析

針對軌枕脫模兩端不同步造成的軌枕擋肩裂紋現(xiàn)象，經(jīng)過認(rèn)真挖掘、分析，找出如下可能的原因：

3.1 軌枕脫模機(jī)構(gòu)原因

(1)四個(gè)氣囊放氣不同步。模具送至脫模機(jī)構(gòu)后，采用氣動(dòng)方式進(jìn)行脫模，脫模機(jī)構(gòu)氣囊將模具頂起，并迅速排氣，使模具快速下落撞擊，軌枕靠自重下落脫模[4]。脫模機(jī)由四個(gè)氣囊實(shí)現(xiàn)對模具的頂升，氣囊由氣閥進(jìn)氣、排氣控制(一個(gè)氣閥控制一端兩個(gè)氣囊)，氣閥經(jīng)長期使用其內(nèi)部結(jié)構(gòu)容易受損，兩端氣閥性能不一致造成兩端脫模不同步。

(2)脫模平臺(tái)四角不平。軌枕利用模具與脫模臺(tái)的撞擊靠其自重從模具中脫出，脫模平臺(tái)四角不平導(dǎo)致模具四角受力不均，從而模具與平臺(tái)直接撞擊的一端軌枕先脫出，模具與平臺(tái)之間存在縫隙的一端軌枕后脫出，后脫出的一端軌枕擋肩受拉導(dǎo)致軌枕擋肩裂紋。

(3)脫模機(jī)基礎(chǔ)不均勻沉降。脫模機(jī)基礎(chǔ)經(jīng)長期沖擊產(chǎn)生空洞和不均勻沉降，軌枕脫模時(shí)模具與脫模平臺(tái)撞擊導(dǎo)致模具出現(xiàn)反彈嚴(yán)重，增加脫模次數(shù)，而每增加一次脫模次數(shù)，沖擊力對軌枕造成的損傷就增加一下，軌枕就越容易出現(xiàn)擋肩裂紋。

(4)壓縮空氣潮濕。 廣寧軌枕預(yù)制場位于廣東省肇慶市，廣東天氣潮濕，由空壓機(jī)輸出的壓縮空氣含水分較大，空壓機(jī)經(jīng)多次使用后水分在輸送管道內(nèi)積留易堵塞氣閥，使得壓縮空氣不能自由流動(dòng)，氣缸內(nèi)進(jìn)氣量不同導(dǎo)致氣囊頂升不同步，從而導(dǎo)致軌枕擋肩裂紋出現(xiàn)。

3.2 混凝土原因

(1)混凝土配合比選用不合理。按照規(guī)范要求，雙塊式軌枕脫模強(qiáng)度應(yīng)不低于40 MPa，這就要求軌枕具有較高的早期強(qiáng)度。為節(jié)約成本，廣寧軌枕預(yù)制場在軌枕C60配合比設(shè)計(jì)中采用了雙摻(摻加粉煤灰和復(fù)合摻合料)，試驗(yàn)證明混凝土中摻加粉煤灰有利于提高混凝土和易性和耐久性，但不利于其早期強(qiáng)度的增長，軌枕脫模時(shí)易出現(xiàn)擋肩裂紋。

(2)混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足。軌枕養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足會(huì)導(dǎo)致脫模強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求，從而導(dǎo)致軌枕擋肩出現(xiàn)裂紋。但軌枕脫膜前均需試驗(yàn)室下發(fā)脫模通知單，待脫模強(qiáng)度達(dá)到要求后方可進(jìn)行脫模作業(yè)，不存在養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足的情況。

(3) 養(yǎng)護(hù)溫濕度控制。雙塊式軌枕采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度低，混凝土強(qiáng)度增加較慢，脫模強(qiáng)度達(dá)不到要求會(huì)導(dǎo)致軌枕脫模時(shí)斷裂；而養(yǎng)護(hù)溫度過高，混凝土內(nèi)水分受高溫影響隨蒸汽散失較快，養(yǎng)護(hù)通道內(nèi)部干燥，軌枕脫模時(shí)極易出現(xiàn)脆性斷裂。因此，選擇合適的軌枕養(yǎng)護(hù)溫濕度對軌枕擋肩裂紋控制至關(guān)重要。

3.3 其他原因

(1)脫模劑噴涂不均勻。軌枕專用脫模劑采用空氣壓力噴槍以霧化狀噴出，模具兩端噴涂不均勻會(huì)導(dǎo)致軌枕與模具之間的摩擦力不同，軌枕脫模時(shí)兩端不能同時(shí)脫出出現(xiàn)擋肩裂紋。對作業(yè)人員加強(qiáng)教育培訓(xùn)，規(guī)范作業(yè)人員操作，使脫模劑噴涂均勻，易于做到。

(2)定位軸性能不一。不同廠家生產(chǎn)的定位軸材質(zhì)材質(zhì)、尺寸均有所不同，脫模時(shí)對軌枕造成的阻力也不同，同一根軌枕采用不同廠家生產(chǎn)的定位軸會(huì)導(dǎo)致軌枕脫模不同步，但影響很小。

4 解決方案

從以上分析可以看出,造成雙塊式軌枕擋肩斷裂的主要原因?yàn)椋孩倜撃C(jī)基礎(chǔ)不均勻沉降導(dǎo)致脫模次數(shù)增加；②脫模平臺(tái)四角不平導(dǎo)致模具四角受力不均，從而軌枕兩端脫模不同步；③四個(gè)氣囊放氣不同步導(dǎo)致軌枕兩端脫模不同步；④壓縮空氣潮濕堵塞氣閥導(dǎo)致軌枕脫模不同步；⑤混凝土配合比選用不合理；⑥養(yǎng)護(hù)溫濕度控制不當(dāng)影響混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。

針對這些主要原因主要采取如下解決方案：

(1)對脫模機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行加固。針對脫模機(jī)基礎(chǔ)空洞及不均勻沉降這一問題，采用C50灌漿料(脫模機(jī)基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30)對基礎(chǔ)空洞處進(jìn)行處理，使基礎(chǔ)密實(shí)、平整，并將脫模機(jī)四腿與預(yù)埋鋼板焊接牢固，增加軌枕脫模時(shí)的撞擊效果。采取措施后，軌枕脫模模具反彈現(xiàn)象得到了有效的控制，軌枕脫模次數(shù)從之前的7次減小到現(xiàn)在的4次，大大降低了軌枕脫模受損的幾率。

(2)解決脫模平臺(tái)四角不平問題。①安排技術(shù)人員采用支墊方式對脫模平臺(tái)四角進(jìn)行調(diào)平，保證脫模時(shí)模具四角同時(shí)接觸脫模臺(tái)，使模具受力均勻，軌枕同步脫出。②對脫模平臺(tái)四角水平情況進(jìn)行定期復(fù)檢，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)整改。通過對脫模平臺(tái)四角進(jìn)行調(diào)平，雙塊式軌枕脫出后擋肩位置的黑色印跡得到了有效控制，外力對軌枕擋肩的撕拉大為減小。

(3)從氣囊、氣閥、壓縮空氣著手，保證氣囊同步舉升。①重新購置氣囊，對破舊、損壞的氣囊進(jìn)行更換，保證四個(gè)氣囊工作性能一致。②對脫模機(jī)兩端氣閥(如圖3所示)進(jìn)行定期檢查，保證兩端氣閥進(jìn)氣、放氣同步，使模具兩端頂升同步，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)更換、維修。③針對廣東地區(qū)空氣潮濕問題，在空壓機(jī)出口處增加空氣干燥機(jī)(如圖4所示)，避免潮濕空氣堵塞氣閥造成脫模時(shí)氣囊放氣不同步。

圖3 氣閥照片 圖4 空氣干燥機(jī)照片

(4)更換混凝土配合比，加大水泥摻量。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，C60配合比中摻加粉煤灰可以節(jié)約水泥和細(xì)骨料,減少用水量,改善混凝土拌和物的和易性,減少水化熱,提高混凝土耐久性。但粉煤灰的摻加不利于混凝土早期強(qiáng)度的增長，在同等養(yǎng)護(hù)時(shí)間下軌枕脫模強(qiáng)度相對全摻水泥時(shí)偏低，軌枕脫模時(shí)容易出現(xiàn)擋肩裂紋。為此，將原摻粉煤灰的配合比更換為全摻水泥的配合比。摻加粉煤灰的混凝土配合比為：水泥(336 kg)、粉煤灰(96 kg)、復(fù)合摻合料(48 kg)、砂(665 kg)、碎石(1 086 kg)、減水劑(3.84 kg)；配合比更換后全摻水泥的配合比為：水泥(418 kg)、復(fù)合摻合料(47 kg)、砂(669 kg)、碎石(1 188 kg)、減水劑(4.6 kg)。配合比更換后，軌枕在同養(yǎng)護(hù)條件下(蒸汽養(yǎng)護(hù)12 h)脫模強(qiáng)度由原來41 MPa提高到47 MPa，軌枕脫模強(qiáng)度的增加大大減小了軌枕脫模擋肩出現(xiàn)裂紋的機(jī)率。

(5)保證養(yǎng)護(hù)通道內(nèi)部溫濕度。軌枕采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，隨著蒸汽的散發(fā)養(yǎng)護(hù)通道內(nèi)部較為干燥，軌枕脫模時(shí)易出現(xiàn)顯性裂紋(脆性斷裂)，對養(yǎng)護(hù)通道進(jìn)行地面灑水保濕，保證養(yǎng)護(hù)通道濕度的同時(shí)避免了冷水直接灑在軌枕表面造成軌枕表面起皮。軌枕蒸汽養(yǎng)護(hù)參數(shù)的確定是一個(gè)不斷優(yōu)化的試驗(yàn)過程，蒸養(yǎng)的主要控制參數(shù)有：升溫時(shí)間和升溫速度，恒溫時(shí)間和恒溫溫度，降溫時(shí)間和降溫速度。當(dāng)混凝土制品的外形尺寸、原材料性能、混凝土配合比及其他工藝條件一定時(shí)，蒸養(yǎng)工藝是確定混凝土性能及制品質(zhì)量的重要因素[5]。蒸養(yǎng)時(shí)間長，軌枕脫模強(qiáng)度高，但會(huì)制約生產(chǎn)效率；蒸養(yǎng)時(shí)間短，軌枕脫模強(qiáng)度低，導(dǎo)致軌枕擋肩裂紋出現(xiàn)機(jī)率增大。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)確定如下蒸養(yǎng)參數(shù)：靜停2 h，升溫1.5 h(每10 min升2 ℃左右)，恒溫6 h(恒溫43～46 ℃)，降溫1.5 h(每10 min降2 ℃左右)，同時(shí)對養(yǎng)護(hù)通道內(nèi)部進(jìn)行灑水，使地面始終保持潮濕狀態(tài)，經(jīng)實(shí)踐證明，該蒸養(yǎng)參數(shù)滿足施工現(xiàn)場生產(chǎn)需要。

5 結(jié)語

通過采取以上措施，廣寧軌枕場軌枕擋肩裂紋得到了有效控制并且處于穩(wěn)定的狀態(tài)，擋肩裂紋出現(xiàn)率由最初的10‰下降到現(xiàn)在的2‰左右，大大提高了施工質(zhì)量，節(jié)約施工成本約100.8萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

參 考 文 獻(xiàn)

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