高速鐵路III型軌枕裂紋成因淺析

李忠成 田博 呂瀚昌

摘 要：我國高速鐵路軌道形式分為有砟軌道和無砟軌道兩種，其中有砟軌道均采用III型預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕。隨著使用年限的增加，軌枕病害隨之而來，要避免軌道板病害的產(chǎn)生，必須從各個(gè)環(huán)節(jié)注重，采取相應(yīng)的措施，提前治理預(yù)防軌枕病害的產(chǎn)生，本文對高速鐵路III型軌枕裂紋成因進(jìn)行簡要分析。

關(guān)鍵詞：軌枕;裂紋;防治

一、混凝土軌枕分類及概述

高速鐵路軌枕功能是承受來自鋼軌的各向壓力、把力傳遞給道床、有效地保持軌道幾何尺寸，以及保持好水平位移。軌枕類型按照材質(zhì)可分為木枕、混凝土枕、鋼枕、樹脂枕，按照使用目的可分為普通軌枕、岔枕、橋枕，按照結(jié)構(gòu)型式又可分為整體式、組合式、 半枕、寬軌枕，按照構(gòu)造及鋪設(shè)方法可分為橫向軌枕、縱向軌枕和短枕。中國預(yù)應(yīng)力混凝土枕從研究、生產(chǎn)到推廣應(yīng)用，已持續(xù)了半個(gè)多世紀(jì)，產(chǎn)量超過1億根。目前，我國鐵路混凝土枕主要有I型混凝土枕、II型混凝土枕和III型混凝土枕。其中，高速鐵路正線都是采用III型混凝土枕。III型混凝土枕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為軸重23噸，每公里配置1667根，枕型尺寸設(shè)計(jì)優(yōu)化，加寬軌底，增加支撐面積，提高線路穩(wěn)定性和承載力。

二、裂縫對III型混凝土軌枕使用壽命影響

由于除了站區(qū)外絕大多數(shù)軌道結(jié)構(gòu)都處于露天室外，混凝土本身的密實(shí)性會(huì)讓水和空氣不會(huì)滲入其內(nèi)部，但是當(dāng)軌枕裂縫發(fā)展到一定寬度后，裂縫深度達(dá)到保護(hù)層，水和空氣會(huì)逐漸滲入鋼筋之中。裂紋有所發(fā)展，造成鋼筋銹蝕。鐵銹是一種鐵化合物，體積膨脹比鋼筋大四倍。混凝土內(nèi)部應(yīng)力導(dǎo)致混凝土進(jìn)一步開裂，降低了預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土的粘結(jié)力，從而影響III型混凝土軌枕的承載力。軌枕中鋼筋腐蝕速率與鋼筋所處環(huán)境的堿度有關(guān)。酸度越弱，鋼筋防腐效果越佳。當(dāng)結(jié)構(gòu)混凝土出現(xiàn)裂縫時(shí)，水進(jìn)入鋼筋，引起氧化、鋼筋腐蝕，空氣進(jìn)入裂縫，引起混凝土碳化，降低PH值，加深鋼筋腐蝕。研究表明，只有當(dāng)結(jié)構(gòu)混凝土裂縫達(dá)到一定寬度時(shí)，水和空氣才能滲入裂縫中，從而引起鋼筋的腐蝕。根據(jù)國內(nèi)外規(guī)范，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)允許裂縫寬度為0.1mm至0.3mm，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)不允許裂縫均勻。其目的是保證不銹鋼棒的腐蝕。

三、高速鐵路III型混凝土軌枕裂紋類型

1.縱向和橫向裂紋：這種裂紋發(fā)生在III型混凝土軌枕兩側(cè)的下部。一般來說，裂縫較小，寬度小于0.1mm，長度不超過中和軸。鋼軌接頭處的III型混凝土軌枕，軌下垂直裂縫率為60%。裂紋的寬度和長度比鋼軌下的要嚴(yán)重。III型混凝土軌枕中的正、負(fù)力矩裂縫相互連接形成圓裂縫，有的III型混凝土軌枕出現(xiàn)多條圓裂縫。

2.III型混凝土軌枕頂部螺栓孔的裂縫：這種裂縫通常從螺栓孔的起點(diǎn)逐漸延伸到III型混凝土軌枕的中間和末端。其中一些總是被分割到最后，導(dǎo)致分割。嚴(yán)重情況下的裂縫寬度為3mm至5 mm。沿III型混凝土軌枕頂部的螺栓孔縱裂是預(yù)應(yīng)力混凝土III型混凝土軌枕中最常見的裂縫。它不僅擁有運(yùn)營多年的III型混凝土軌枕，而且還擁有備用III型混凝土軌枕，甚至是尚未生產(chǎn)的III型混凝土軌枕。軌枕中產(chǎn)生的橫向裂紋，多數(shù)與其線路上列車所運(yùn)行的方向同向。

3.枕端中間縱向裂紋：端部縱向裂紋部分出現(xiàn)在枕端頂部和底部，部分出現(xiàn)在枕端兩側(cè)，與鋼筋大致平行。III型混凝土軌枕中部的縱向裂縫出現(xiàn)在III型混凝土軌枕中部的頂部和側(cè)面，與鋼筋方向平行。裂紋長度可達(dá)30mm至110mm，寬度約為0.5mm至3mm，最大可達(dá)5mm。

4.高速鐵路III型混凝土枕失效：高速鐵路III型混凝土枕失效標(biāo)準(zhǔn)是，斷裂明顯，環(huán)縫寬度大于0.5mm，承軌槽表面破碎，肩部嚴(yán)重?fù)p傷，縱向裂縫寬度大于0.5mm，長度大于全長的一半，兩釘孔間的裂縫寬度承軌槽間距大于0.5mm，延伸至III型混凝土軌枕端部或III型混凝土軌枕中部;承軌槽裂紋錯(cuò)開，造成嚴(yán)重的雜物和鋼筋。根據(jù)規(guī)定，當(dāng)III型混凝土軌枕發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)將III型混凝土軌枕從線路上更換下來，以保證行車安全。根據(jù)對調(diào)查和試驗(yàn)的研究分析，隨著車輛密度的增加，從軌道上更換III型混凝土軌枕的難度越來越大。如今，隨著混凝土修補(bǔ)材料和修補(bǔ)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們認(rèn)為只有裂縫才能使III型混凝土軌枕失效，因?yàn)镮II型混凝土軌枕的承載力和其他性能并未降低，但是軌枕裂縫及其發(fā)展后產(chǎn)生的危害，會(huì)隨著時(shí)間的推移給線路質(zhì)量甚至安全帶來不可忽視的影響。

四、高速鐵路III型混凝土軌枕裂縫原因分析

1.外部環(huán)境因素：III型混凝土軌枕的制作與鋪設(shè)、冷熱、干濕、凍融等對作業(yè)過程的影響。當(dāng)蒸汽養(yǎng)護(hù)過程中溫度迅速升高，且恒溫很高時(shí)，混凝土中空氣、水、水泥、砂、石等不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，混凝土的初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很低，熱膨脹系數(shù)較高。溫度使空氣和水膨脹大，造成混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，易造成III型混凝土軌枕表面，特別是III型混凝土軌枕端部。頭部表面的混凝土開裂、松動(dòng)。在出廠時(shí)，只有輕微裂紋或隱性裂紋的III型混凝土軌枕會(huì)受到振動(dòng)、沖擊和疲勞載荷，以及外部環(huán)境干燥和濕潤周期的變化、凍融周期的影響，這也會(huì)增加裂紋的寬度和長度。

2.III型混凝土軌枕混凝土保護(hù)層因素：①III型混凝土軌枕制作過程中鋼筋位置不準(zhǔn)確，使得其保護(hù)層厚度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn);②混凝土澆筑過程中，沖擊不密實(shí)，鋼筋布置過密，鋼筋處混凝土不密實(shí)，模板接縫不嚴(yán)，造成蜂窩、麻面、漏漿，穿孔?；炷帘砻婧蛢?nèi)部;③混凝土保護(hù)層裂縫是由于養(yǎng)護(hù)不良或混凝土使用過程中的收縮、徐變、荷載等因素引起的。

3.搬運(yùn)和運(yùn)輸規(guī)則：①III型混凝土軌枕應(yīng)分開分批存放，不合格III型混凝土軌枕應(yīng)分開存放;②軌枕在儲(chǔ)運(yùn)過程中應(yīng)水平放置枕底朝下。每兩層用木條或其他墊子墊一次。墊層的厚度取決于III型混凝土軌枕的形狀，但I(xiàn)II型混凝土軌枕之間應(yīng)留有一定的間隙，墊層應(yīng)上下對齊;③裝卸III型混凝土軌枕時(shí)，應(yīng)采用吊裝方法。嚴(yán)禁碰撞、碰撞、墜落和投擲;④臥鋪運(yùn)輸要固定好，嚴(yán)禁碰撞。

4.裂縫觀測方法：①采用帶照明裝置的五倍放大鏡觀察裂紋;②裂紋高度測量的應(yīng)用精度為1 mm;③在距離受試截面兩側(cè)拉伸邊緣15 mm處測量裂紋位置;④用20倍讀數(shù)放大鏡和照明裝置觀察裂紋寬度，讀數(shù)精度為0.01mm。

結(jié)語：

高速鐵路的軌道形式可分為有砟軌道與無砟軌道，我國的高速鐵路有砟軌道均采用III型預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕。隨著使用年限的增加，有砟軌道軌枕病害隨之而來。本文主要針對高速鐵路III型混凝土軌枕病害類型，分析高速鐵路III型混凝土軌枕病害特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際病害進(jìn)行分析，從而從根本上對病害進(jìn)行分析解決并制定預(yù)防措施。本著安全第一、預(yù)防為主、綜合治理的方針，確保營業(yè)線鐵設(shè)備和運(yùn)行安全，在技術(shù)上可靠、經(jīng)濟(jì)上合理、滿足工期要求、注意節(jié)約能源、合理利用機(jī)具、保證行車安全前提下合理制定軌道維修計(jì)劃，提高設(shè)備使用壽命。

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