干旱環(huán)境中多孔骨料軌枕缺陷分析及質(zhì)量控制

姜曉軍

（中交二公局鐵路工程有限公司 陜西西安 710075）

蒙巴薩-內(nèi)羅畢標(biāo)軌鐵路（蒙內(nèi)鐵路）起點(diǎn)為肯尼亞港口城市蒙巴薩，終點(diǎn)為其首都內(nèi)羅畢，全長(zhǎng)約 480km，全線采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。蒙內(nèi)鐵路建設(shè)的成敗，在很大程度上影響著中國(guó)鐵路走出去與一帶一路全球戰(zhàn)略的成敗，也是樹(shù)立中國(guó)產(chǎn)品、中國(guó)技術(shù)、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)品牌的關(guān)鍵，因此有必要研究鐵路技術(shù)在肯尼亞的適應(yīng)性并提出問(wèn)題的解決方案。

1 原材料及存在的問(wèn)題

1.1 原材料

肯尼亞蒙內(nèi)鐵路軌枕采用中國(guó)新II型軌枕標(biāo)準(zhǔn)，其預(yù)制原材料包括水泥、砂、碎石、粉煤灰、減水劑、鋼材，原材料情況如下。

（1）水泥。經(jīng)查閱當(dāng)?shù)厮鄰S家的水泥指標(biāo)，質(zhì)量較好的是產(chǎn)于肯尼亞Bamburi廠的CEMI 52.5水泥，密度3.17 g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量27.4 g，3 d抗折6.5 MPa， 3d抗壓33.8 MPa，比表面積322 m2/kg。

（2）砂。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)于肯尼亞Dara Jani砂場(chǎng)的II中砂，細(xì)度模數(shù)2.6，含泥量1.6%，泥塊含量0.5%。

（3）碎石?？夏醽喚硟?nèi)主要分布多孔玄武巖、凝灰?guī)r、頁(yè)巖、石灰?guī)r、砂巖等。經(jīng)過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)合區(qū)內(nèi)的巖石分布，軌枕粗骨料只能采用含有氣孔結(jié)構(gòu)的玄武巖，即多孔火山巖。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，Kajiado simba產(chǎn)5～20mm連續(xù)級(jí)配碎石，有可用于混凝土軌枕的可能。

用于試驗(yàn)的多孔火山巖碎石采用5-10 mm與10-20 mm兩級(jí)配，符合5～20 mm連續(xù)級(jí)配范圍，其中5～10 mm為20%，10-20 mm為80%， 5～10 mm含泥量1.6%、泥塊含量0.1%，10～20 mm含泥量0.4%、泥塊含量0.4%，表觀密度2 950 kg/m3，母巖抗壓強(qiáng)度115 MPa。多孔骨料破碎面比例直接影響到混凝土的強(qiáng)度和耐久性能，較少破碎面多孔骨料導(dǎo)致CH 結(jié)晶取向更為嚴(yán)重，界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)劣化。

（4）粉煤灰。肯尼亞無(wú)粉煤灰廠家，經(jīng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，擬采用產(chǎn)自印度Jaycee Resources Private Limited的Ⅰ級(jí)粉煤灰（品種：I級(jí)，規(guī)格：F類），其細(xì)度為14%，需水量為86%，燒失量為0.8%。

（5）減水劑。用于實(shí)驗(yàn)的減水劑為江蘇特密斯外加劑有限公司的 HPWR-S標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸系高性能減水劑。

（6）鋼材。預(yù)應(yīng)力鋼絲、螺旋筋、立筋由我國(guó)天津銀龍預(yù)應(yīng)力材料股份有限公司生產(chǎn)。箍筋所用ф6.5 mm圓鋼由我國(guó)河北省遷安市九江線材有限責(zé)任公司。

按照現(xiàn)行中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)，所有原材料技術(shù)要求均符合相關(guān)規(guī)范要求。

1.2 存在的問(wèn)題

一方面，采用當(dāng)?shù)囟嗫谆鹕綆r作為軌枕混凝土骨料，多孔骨料容易產(chǎn)生氣泡，使得軌枕混凝土在振搗不足的情況下產(chǎn)生較多的蜂窩結(jié)構(gòu)，如果制備過(guò)程中不嚴(yán)格控制混凝土的配合比，在施工過(guò)程中不嚴(yán)格控制工藝因素，會(huì)造成混凝土軌枕中的氣泡量過(guò)大，影響混凝土軌枕的外觀形貌，在一定程度會(huì)降低混凝土軌枕的強(qiáng)度和耐久性?；炷羶?nèi)部和混凝土表面形成的空隙和氣泡，會(huì)在后續(xù)使用過(guò)程中形成應(yīng)力集中區(qū)，可能會(huì)出現(xiàn)深度裂紋，從而嚴(yán)重降低混凝土的疲勞強(qiáng)度。不慎將帶有缺陷的軌枕鋪設(shè)在線路上，微小的缺陷會(huì)隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的積累和外界惡劣環(huán)境的影響，造成軌枕缺陷逐漸增大，行車過(guò)程中可能突然斷裂，從而危及行車安全。

另一方面，肯尼亞全境位于熱帶季風(fēng)區(qū)，旱季空氣干燥，如果不及時(shí)進(jìn)行有效養(yǎng)護(hù)，混凝土軌枕表層水分揮發(fā)過(guò)快，發(fā)生脫水現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土粘結(jié)力缺乏，影響混凝土軌枕的強(qiáng)度與耐久性。

綜上所述，在肯尼亞旱季環(huán)境中生產(chǎn)多孔骨料軌枕，產(chǎn)生早期裂縫及其他外觀質(zhì)量缺陷等的風(fēng)險(xiǎn)很高，在工藝控制和養(yǎng)護(hù)方面應(yīng)進(jìn)行不斷改進(jìn)。

2 軌枕質(zhì)量缺陷及原因分析

肯尼亞蒙內(nèi)鐵路軌枕生產(chǎn)由于混凝土原料及配合比變更及非洲特殊環(huán)境等因素影響，在生產(chǎn)初期產(chǎn)生較多的質(zhì)量缺陷主要有氣孔、麻面及蜂窩、缺棱掉角、擋肩開(kāi)裂等[1～4]。

2.1 蜂窩

在肯尼亞蒙內(nèi)鐵路軌枕預(yù)制的初期，軌枕表面出現(xiàn)蜂窩缺陷，如圖1所示。橋枕成品則在承軌槽處出現(xiàn)大量的大蜂窩，其他部位未出現(xiàn)。

圖1 初期生產(chǎn)軌枕的氣孔與蜂窩

經(jīng)過(guò)研究分析，判斷軌枕表面產(chǎn)生這種缺陷的原因主要有：

①使用多孔火山巖作為混凝土粗骨料，而這種多孔火山巖用于混凝土中容易產(chǎn)生氣泡，使得混凝土呈現(xiàn)蜂窩結(jié)構(gòu)，這一表征與最初的分析一致；

②多孔火山巖骨料混凝土配合比不當(dāng)，例如粗細(xì)骨料、水泥、水、減水劑的比例不合理；

③脫模劑沒(méi)有噴涂均勻，導(dǎo)致軌枕表面出現(xiàn)大量密集的小氣孔；

④混凝土振搗的時(shí)間不夠，未能通過(guò)振搗排出氣泡，留在混凝土內(nèi)的氣泡造成蜂窩缺陷。

2.2 缺棱與掉角

軌枕預(yù)制初期生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)缺棱、掉角等缺陷。經(jīng)過(guò)研究分析，判斷軌枕表面產(chǎn)生此類缺陷原因主要有：

①軌枕混凝土攪拌不均勻，同時(shí)振搗不完全，造成軌枕棱角部分強(qiáng)度不足，在脫?；蜍壵黹g磕碰時(shí)產(chǎn)生缺棱掉角；

②模板側(cè)面和底面粗糙不光滑，使得軌枕脫模的阻力大，無(wú)法依靠軌枕自身重力來(lái)脫模；這種缺陷與國(guó)內(nèi)軌枕生產(chǎn)中出現(xiàn)的缺陷基本相同；

③軌枕模板內(nèi)部的潤(rùn)滑狀態(tài)不良，主要受脫模劑的種類、濃度、噴涂均勻度以及外界氣溫等因素的影響。

2.3 裂紋

干旱、大溫差是蒙內(nèi)鐵路經(jīng)行地區(qū)的典型氣候特征。同時(shí)，多孔火山巖骨料吸水率約為2.5%。為使軌枕混凝土能達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，施工單位一般通過(guò)提高水泥用量來(lái)彌補(bǔ)多孔骨料等當(dāng)?shù)卦牧霞昂导驹餆岬忍厥猸h(huán)境對(duì)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)的負(fù)面影響，但是這種方法又造成混凝土水化熱過(guò)高，軌枕開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)大大增加。

縱觀軌枕的生產(chǎn)流程，軌枕裂紋產(chǎn)生的原因主要有：

①原材料質(zhì)量不過(guò)關(guān)。如粗細(xì)骨料含泥量較大，粉煤灰保管不當(dāng)容易失效等；

②蒸汽養(yǎng)護(hù)升溫過(guò)快[5]，養(yǎng)護(hù)池溫度不均勻等，也是造成軌枕裂紋的關(guān)鍵因素；

③未按照混凝土配合比制備混凝土，或原材料拌和計(jì)量不準(zhǔn)。

2.4 掉肩

在脫模之初，自軌枕承軌槽根部產(chǎn)生的擋肩部位與軌枕主體間開(kāi)裂分離（見(jiàn)圖 2），即通常所稱的掉肩。掉肩使得軌枕直接報(bào)廢。

經(jīng)分析，造成開(kāi)裂的原因?yàn)椋很壵矸艔垥r(shí)張拉力過(guò)大，直接造成軌枕斷裂，或者放張回油過(guò)快，軌枕所受預(yù)應(yīng)力來(lái)不及均勻傳遞，使得張拉端兩根軌枕受力最大，造成靠張拉端兩根軌枕掉肩。

圖2 張拉端軌枕?yè)跫玳_(kāi)裂

3 軌枕質(zhì)量缺陷控制措施

針對(duì)出現(xiàn)的上述質(zhì)量缺陷，在進(jìn)行原材料優(yōu)選以及配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化研究的同時(shí)，調(diào)整軌枕生產(chǎn)工藝[6]，采取相應(yīng)的質(zhì)量控制措施。

3.1 蜂窩的控制

對(duì)于蜂窩缺陷，主要從配合比和工藝過(guò)程控制兩個(gè)方面進(jìn)行控制。

（1）配合比優(yōu)化

優(yōu)化設(shè)計(jì)多孔火山巖骨料混凝土的配合比，加強(qiáng)對(duì)配合比試驗(yàn)管理，保證各種材料投入的準(zhǔn)確性。由于粗骨料為多孔結(jié)構(gòu)，需要相對(duì)較多數(shù)量的河砂和水泥來(lái)裹覆和填充碎石之間的空隙和碎石表面的開(kāi)口空隙，因此需要綜合考慮摻和料、外加劑、碎石分級(jí)及水泥和河砂的加入量。通過(guò)對(duì)混凝土砂率、碎石級(jí)配、水泥、粉煤灰以及減水劑的成分適宜調(diào)整，使混凝土粘稠性降低，利于內(nèi)部氣體排出，從而減少混凝土外觀氣泡的同時(shí)提高多孔火山巖骨料預(yù)制混凝土軌枕耐久性和強(qiáng)度。

首先，采用粒徑為5～10 mm與10～20 mm兩級(jí)配，使其符合連續(xù)級(jí)配范圍，其中粒徑為5～10 mm小碎石占多孔火山巖骨料質(zhì)量的20%，粒徑為10～20 mm大碎石占多孔火山巖骨料質(zhì)量的80%，使大粒徑的碎石所占比重較大，其原因在于：可以降低碎石之間的空隙率和碎石表面的開(kāi)口空隙率，減少河砂及水泥的用量，降低成本。

其次，相對(duì)于常規(guī)的配比增加粉煤灰的加入量并對(duì)細(xì)度進(jìn)行調(diào)整，調(diào)節(jié)了混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，同時(shí)采用細(xì)煤粉灰可以降低粉煤灰的需水量，提高混凝土的流動(dòng)性，利于內(nèi)部氣體排出。

最后，采用長(zhǎng)分子鏈的聚羧酸系高性能減水劑，使其粘附與水泥顆粒上，依靠自身同種電荷相互排斥的物理特性增加混凝土的流動(dòng)性，利于內(nèi)部氣體排出，同時(shí)聚羧酸系高性能減水劑，能夠釋放混凝土顆粒包裹住的自由水，盡可能的在所需要混凝土流動(dòng)性上減少混凝土中水的摻量；當(dāng)減水劑5.87 kg時(shí)制備的多孔火山巖骨料預(yù)制混凝土，在增實(shí)因素1.2時(shí)，混凝土30 min增實(shí)因素?fù)p失減小，拌和物工作性能有所改善，混凝土黏度小流動(dòng)性能良好，得到的預(yù)制混凝土的表觀氣泡較小且數(shù)量少。

通過(guò)上述合理調(diào)配摻和料、外加劑、碎石分級(jí)及水泥和河砂的加入量，通過(guò)混凝土室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和可用于東非地區(qū)混凝土軌枕的多孔火山巖骨料混凝土配合比，其中每立方米混凝土中的原料重量比可采用如下配合比范圍：水泥410～420 kg、粉煤灰70～80 kg、河砂650～660 kg、多孔火山巖骨料1210～1 220 kg、水135～145 kg、減水劑5.5～6.5 kg、水膠比為0.28～0.29。推薦采用：水泥412kg、粉煤灰77 kg、砂656 kg、多孔火山巖骨料1 218 kg、水137 kg、減水劑5.87 kg、水膠比為0.286。

采用上述方案后，新拌混凝土和硬化混凝土的性能指標(biāo)如下：①新拌混凝土性能指標(biāo)：增實(shí)因素1.2、表觀密度2 560 kg/m3；②硬化混凝土性能指標(biāo)：混凝土在50℃下蒸養(yǎng)18 h抗壓強(qiáng)度47 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度77 MPa。

由此可以看出，軌枕用混凝土完全滿足我國(guó)混凝土軌枕的強(qiáng)度指標(biāo)要求。

（2）加強(qiáng)工藝過(guò)程控制

在工藝過(guò)程控制方面，主要采取以下措施：

①保持模板清潔，及時(shí)清除模板上的干硬水泥漿等雜物；

②加強(qiáng)脫模劑涂膜的標(biāo)準(zhǔn)化，強(qiáng)化軌枕生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量監(jiān)督，保證模板脫模劑噴涂均勻；

③加強(qiáng)混凝土振搗工序質(zhì)量監(jiān)督，要求必須將混凝土振搗均勻且氣泡完全排除，方可停止振搗。

采取配合比優(yōu)化和工藝過(guò)程控制兩個(gè)方面的措施后，軌枕氣孔明顯減少，如圖3所示。

圖3 采取控制措施后軌枕

3.2 缺棱掉角的控制

對(duì)于缺棱掉角缺陷，可以從以下三個(gè)方面進(jìn)行控制：

（1）加強(qiáng)混凝土制備工藝及混凝土振搗過(guò)程的質(zhì)量監(jiān)控，提高軌枕混凝土質(zhì)量及振搗質(zhì)量，在施工工藝上降低缺棱掉角缺陷的發(fā)生概率；

（2）每個(gè)施工循環(huán)及時(shí)檢查模板表面，及時(shí)打磨清理，每次循環(huán)模具清理完成之后，人工仔細(xì)清除模具內(nèi)的混凝土殘?jiān)?/p>

（3）調(diào)整脫模劑種類、濃度比例，加強(qiáng)脫模劑涂膜的標(biāo)準(zhǔn)化，強(qiáng)化軌枕生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量監(jiān)督，保證模板脫模劑噴涂均勻。

3.3 軌枕裂紋缺陷的控制

對(duì)于軌枕裂紋缺陷，可以從以下四個(gè)方面進(jìn)行控制：

（1）對(duì)原材料的來(lái)源進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，加強(qiáng)試驗(yàn)檢測(cè)管理，混凝土各項(xiàng)原材應(yīng)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求；

（2）嚴(yán)格執(zhí)行養(yǎng)護(hù)程序，每小時(shí)升溫不得超過(guò)15℃，每5 min做一次記錄；軌枕養(yǎng)護(hù)期間，灑水保濕3 d；

（3）嚴(yán)格按照混凝土施工配合比配料；

（4）嚴(yán)禁在較高應(yīng)力狀態(tài)下直接切割軌枕預(yù)應(yīng)力鋼筋。

3.4 擋肩開(kāi)裂的預(yù)防

對(duì)于軌枕開(kāi)裂，采取以下措施進(jìn)行控制：

（1）控制好放張力，確保其不大于軌枕的設(shè)計(jì)張拉力，使用自動(dòng)放張?jiān)O(shè)備，調(diào)節(jié)好回油速度，使預(yù)應(yīng)力均勻緩慢的傳遞到每根軌枕；

（2）在綁扎軌枕鋼筋時(shí)，在軌枕?yè)跫缥恢?，綁扎兩排豎向鋼絲（見(jiàn)圖4），固定兩端，以增加擋肩位置混凝土抗剪能力。

圖4 增設(shè)豎向鋼絲后的軌枕示意圖

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，在混凝土擋肩位置綁扎豎向鋼絲脫模后效果較好，基本沒(méi)有出現(xiàn)軌枕?yè)跫玳_(kāi)裂現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

采取上述技術(shù)措施后，肯尼亞蒙內(nèi)鐵路多孔骨料新Ⅱ型軌枕的缺陷發(fā)生概率大大降低，保證了蒙內(nèi)鐵路軌枕的生產(chǎn)質(zhì)量。