國內(nèi)外預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕生產(chǎn)工藝分析

尤瑞林

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京100081

軌枕的作用是承受鋼軌傳遞下來的各向荷載并向下分散至下部基礎(chǔ)，同時有效保持軌道的軌距、軌向等幾何形態(tài)［1-2］。軌枕有多種分類方法，按外形可以分為整體式軌枕、雙塊式軌枕、梯子形軌枕、Y 形軌枕等；按材質(zhì)可以分為木枕、混凝土枕、鋼枕、復(fù)合材料軌枕等［3-4］；按支承鋼軌的方式可以分為橫向軌枕、縱向軌枕、短軌枕等［5］；按使用特征可以分為普通軌枕、橋枕、岔枕、伸縮調(diào)節(jié)器枕等［6］。

國內(nèi)有砟軌道主要采用整體式預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，其主要特點是強度大、穩(wěn)定性高、耐久性好［7］。目前世界鐵路網(wǎng)每年約需5億根混凝土軌枕。除北美地區(qū)由于自身資源條件原因仍普遍采用木枕外，混凝土已成為世界上絕大多數(shù)軌枕生產(chǎn)制造的首選材料［8-9］。

預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕生產(chǎn)工藝有多種分類方法。按施加預(yù)應(yīng)力的時間和方式可以分為先張法和后張法，按生產(chǎn)工序的實施方式可以分為長線臺座法和流水機組法，按預(yù)應(yīng)力的錨固傳遞方式可以分為預(yù)應(yīng)力鋼絲自錨固和錨固板錨固，按軌枕脫模的時機可以分為養(yǎng)護后脫模和即時脫模。國內(nèi)預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕主要采用長模流水機組法生產(chǎn)工藝［10-11］，這種生產(chǎn)工藝方法簡單，設(shè)備投資低，但存在用工量大、自動化程度低、生產(chǎn)環(huán)境較差、軌枕質(zhì)量穩(wěn)定性不高等不足。

本文對常用的長線臺座法、長模流水機組法、先張短模流水機組法、后張短模流水機組法以及即時脫模的短模流水機組法的工藝流程、技術(shù)特點以及生產(chǎn)注意事項進行對比分析，為預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕生產(chǎn)工藝的發(fā)展提供參考。

1 長線臺座法

長線臺座法指在混凝土臺座上用先張法生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的生產(chǎn)工藝［12］。混凝土臺座用來臨時固定預(yù)應(yīng)力鋼絲并在其上完成構(gòu)件生產(chǎn)全過程?；炷僚_座長度一般不小于50 m，常用的是100 ～120 m，國外也有長達200 m的臺座。

長線臺座法生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕過程中，預(yù)應(yīng)力鋼絲的張拉通常采取單根張拉或整體加單根部分張拉的方式，張拉后的預(yù)應(yīng)力鋼絲一般先錨固在臺座兩端的橫梁上，待混凝土養(yǎng)護達到一定強度后再將預(yù)應(yīng)力傳遞至混凝土軌枕內(nèi)，預(yù)應(yīng)力鋼絲與混凝土通過兩者之間黏結(jié)握裹力來傳遞預(yù)應(yīng)力。

北美地區(qū)預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕生產(chǎn)主要采用長線臺座法，中國及歐洲的部分預(yù)應(yīng)力混凝土岔枕也采用該生產(chǎn)工藝。生產(chǎn)車間如圖1所示。

圖1 長線臺座法生產(chǎn)車間

1.1 工藝流程及技術(shù)特點

工藝流程（圖2）：模型就位→安裝預(yù)埋件→預(yù)應(yīng)力鋼絲入?！A(yù)應(yīng)力鋼絲張拉→混凝土攪拌及灌注→混凝土振動密實→軌枕養(yǎng)護→預(yù)應(yīng)力鋼絲放張→鋼絲切割→軌枕脫模。

圖2 長線臺座法生產(chǎn)工藝

主要技術(shù)特點：

1）生產(chǎn)過程中模型固定，不需要大型動力設(shè)備，生產(chǎn)過程能耗相對較低；

2）生產(chǎn)臺位固定，工藝流程簡單，需要的人工量較小，通常一條生產(chǎn)線需要約20個工人；

3）由于模型內(nèi)鋼絲的長度較長，單根鋼絲在端部張拉盒中產(chǎn)生的鋼絲損耗料相對較小，利于節(jié)省材料成本；

4）混凝土振動密實過程中一般采用插入式振動棒和附著式振動設(shè)備，振動噪聲相對不高；

5）生產(chǎn)設(shè)備成本不高且移動性好，生產(chǎn)線的投入成本相對較低；

6）由于軌枕與模型一起在臺座上進行養(yǎng)護，模型無法周轉(zhuǎn)，生產(chǎn)效率相對較低。根據(jù)模型的長度及臺位的多少，軌枕的每班日生產(chǎn)量為500 ～800根。

1.2 生產(chǎn)中的注意事項

1）由于張拉過程中預(yù)應(yīng)力鋼絲錨固在臺座兩端的橫梁上，因此橫梁須具備足夠的剛度，以免造成鋼絲張拉后的預(yù)應(yīng)力損失。

2）由于模型中預(yù)應(yīng)力鋼絲較長，模具內(nèi)分隔板設(shè)計要合理，以免造成鋼絲張拉過程中預(yù)應(yīng)力損失。

3）由于預(yù)應(yīng)力鋼絲長度較長且在臺座上進行養(yǎng)護，蒸養(yǎng)過程中溫度的變化會引起鋼絲變形從而導(dǎo)致鋼絲的預(yù)應(yīng)力與設(shè)計預(yù)應(yīng)力有所差異。因此在放張過程中應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)線的情況，通過試驗測試找到適宜的放張溫度，確保鋼絲的預(yù)應(yīng)力值滿足設(shè)計要求。

2 長模流水機組法

流水機組法又稱機組流水法，是指完成各工序的工人和機組在工位上固定而制品隨同模型沿工藝流水線移動的生產(chǎn)工藝。根據(jù)軌枕模型的長短可分為：①短模流水機組法，模型長度為單根軌枕長度，如2×1（軌枕寬度方向根數(shù)×軌枕長度方向根數(shù)）模型、4× 1模型、5×1 模型等；②長模流水機組法，模型長度為2根及以上軌枕長度，如2×4模型、2×5模型等。

長模流水機組法通常采用先張法整體張拉預(yù)應(yīng)力鋼絲，并將預(yù)應(yīng)力鋼絲錨固至具有一定框架剛度的模型上，待混凝土養(yǎng)護至足夠強度以后再將預(yù)應(yīng)力施加到軌枕上。由于每排模型的軌枕不止一個，生產(chǎn)中不便于安裝錨固板，預(yù)應(yīng)力鋼絲與混凝土只能通過兩者之間的黏結(jié)握裹力來傳遞預(yù)應(yīng)力。

中國、東南亞國家、俄羅斯等主要采用長模流水機組法生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕。中國長模流水機組法通常采用 2 × 4 模型或 2 × 5 模型，生產(chǎn)線如圖 3所示。

圖3 長模流水機組法生產(chǎn)線

2.1 工藝流程及技術(shù)特點

長模流水機組法的主要工藝流程與長線臺座法相同，主要差異在于長模流水機組法工藝中軌枕隨模型在不同工位上流轉(zhuǎn)移動，如圖4所示。

圖4 長模流水機組法生產(chǎn)工藝

主要技術(shù)特點：

1）生產(chǎn)線上軌枕模型流轉(zhuǎn)速率快，生產(chǎn)效率較高；

2）由于采用整體張拉和放張的方式施加預(yù)應(yīng)力，生產(chǎn)線對不同類型軌枕的適用性好；

3）生產(chǎn)過程中模型在各工位流轉(zhuǎn)，因此需要一定的動力設(shè)備和吊裝設(shè)備，生產(chǎn)過程能耗相對較高；

4）雖然工藝流程簡單，但生產(chǎn)中自動化程度低，需要大量的人工，通常一條生產(chǎn)線需要約60個工人；

5）為適應(yīng)模型流轉(zhuǎn)且中間設(shè)置分隔板的工藝特點，長模流水機組法一般采用干硬性混凝土，要采用大振幅振搗方式來進行密實，因此生產(chǎn)過程中振動噪聲較大；

6）生產(chǎn)設(shè)備成本不高，生產(chǎn)線投入成本較低；

7）由于軌枕與模型在不同工位上進行快速流轉(zhuǎn)，軌枕的生產(chǎn)效率較高，軌枕的每班日生產(chǎn)量為1 000 ～1 500根。

2.2 生產(chǎn)中的注意事項

1）由于長模流水機組法在張拉過程中預(yù)應(yīng)力鋼絲錨固在模型上，模型必須具備足夠的剛度，同時還要考慮張拉力、自重等對模型變形造成的影響，以免造成鋼絲的絲位偏差和預(yù)應(yīng)力損失過大。

2）由于長模流水機組法通常采用整體張拉和放張的方式施加預(yù)應(yīng)力，因此應(yīng)嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力鋼絲的下料和墩頭的偏差，減小各鋼絲預(yù)應(yīng)力不均勻性。

3）生產(chǎn)過程中模型多次反復(fù)流轉(zhuǎn)、吊裝，可能產(chǎn)生變形，須加強對模型的監(jiān)測，避免模型變形導(dǎo)致的軌枕產(chǎn)品質(zhì)量波動。

3 先張短模流水機組法

根據(jù)預(yù)應(yīng)力施加時間的不同，短模流水機組法分為先張短模流水機組法和后張短模流水機組法。

先張短模流水機組法采用先張法整體張拉預(yù)應(yīng)力鋼絲，并將預(yù)應(yīng)力錨固至具有一定框架剛度的模型上，待混凝土養(yǎng)護至足夠強度以后再將預(yù)應(yīng)力施加到軌枕上。預(yù)應(yīng)力可以通過鋼絲與混凝土之間的黏結(jié)握裹力來傳遞，也可以通過錨固板來傳遞。

歐洲主要采用先張短模流水機組法生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，通常為 4 × 1 模型或 5 × 1 模型。生產(chǎn)線如圖5所示。

圖5 先張短模流水機組法生產(chǎn)線

3.1 工藝流程及技術(shù)特點

先張短模流水機組法的生產(chǎn)流程與長模流水機組法相同，主要區(qū)別是模型的長度，如圖6所示。由于采用單根軌枕的模型長度便于自動化設(shè)備的使用，因此短模流水機組法的自動化程度比長模流水機組法高。

圖6 先張短模流水機組法生產(chǎn)工藝

主要技術(shù)特點：

1）模型短，剛度較大，整體性好，軌枕的外形尺寸控制較好；

2）由于采用單根軌枕長度的模型，便于使用自動化設(shè)備，因此生產(chǎn)線的自動化程度較高；

3）采用帶錨固板的先張法短模流水機組生產(chǎn)時，可實現(xiàn)對單根鋼絲的張拉力控制，因此軌枕中各鋼絲預(yù)應(yīng)力的差異較??；

4）生產(chǎn)線上軌枕模型流轉(zhuǎn)速率稍高于長模流水機組法，但由于單個模型中軌枕數(shù)量少，相對生產(chǎn)效率不高。軌枕的每班日生產(chǎn)量為800 ～1 000根。

3.2 生產(chǎn)中的注意事項

1）預(yù)應(yīng)力通過鋼絲與混凝土之間黏結(jié)握裹力來傳遞時，須重點對鋼絲的下料、墩頭等帶來的偏差進行控制，避免因鋼絲長度偏差導(dǎo)致的各鋼絲間預(yù)應(yīng)力不均勻。

2）采用錨固板傳遞預(yù)應(yīng)力時，在生產(chǎn)線和生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計過程中要考慮對不同類型軌枕的適用性。

4 后張短模流水機組法

后張短模流水機組法采用后張法施加預(yù)應(yīng)力，在軌枕內(nèi)設(shè)置鋼絲通道，混凝土養(yǎng)護至足夠強度后再進行鋼絲張拉，并通過錨固板將預(yù)應(yīng)力施加到軌枕上。

歐洲部分混凝土軌枕廠家采用后張短模流水機組法來生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，通常采用4×1 模型或5×1模型。生產(chǎn)線如圖7所示。

圖7 后張短模流水機組法生產(chǎn)線

4.1 工藝流程及技術(shù)特點

后張短模流水機組法工藝的主要特點是采用短鋼模生產(chǎn)，混凝土養(yǎng)護至足夠強度后再進行鋼絲張拉，并通過錨固板將預(yù)應(yīng)力施加到軌枕上，其主要工藝流程如圖8所示。

圖8 后張短模流水機組法生產(chǎn)工藝

后張短模流水機組法與先張短模流水機組的主要技術(shù)特點類似，但由于采用后張法施加預(yù)應(yīng)力，軌枕的主筋通常采用帶有螺紋的預(yù)應(yīng)力鋼材。

4.2 生產(chǎn)中的注意事項

1）由于后張法短模流水機組法在軌枕體內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼材與混凝土之間是無黏結(jié)或者弱黏結(jié)狀態(tài)，因此須控制好錨固板和端部混凝土的狀態(tài)，以免影響軌枕預(yù)應(yīng)力施加效果。

2）嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力鋼材的質(zhì)量和張拉力，避免鋼材由于超張拉或材質(zhì)原因出現(xiàn)斷裂。

5 即時脫模的短模流水機組法

即時脫模的混凝土軌枕生產(chǎn)工藝是在模型中混凝土振搗成形后隨即將軌枕脫模，然后不帶鋼模地進行軌枕養(yǎng)護。一般采用后張法，通過端部設(shè)置錨固板的方式傳遞預(yù)應(yīng)力，模型長度一般為單根軌枕長度的短模。由于該工藝對軌枕混凝土的性能指標(biāo)要求較高，且脫模后軌枕外觀質(zhì)量控制較難，應(yīng)用范圍不廣。生產(chǎn)線如圖9所示。

圖9 即時脫模的短模流水機組法生產(chǎn)線

5.1 工藝流程及技術(shù)特點

即時脫模的短模流水機組法軌枕生產(chǎn)工藝流程與后張短模流水機組法相似，主要區(qū)別在于軌枕脫模的時間。常見的工藝流程如圖10所示。

圖10 即時脫模的短模流水機組法生產(chǎn)工藝

主要技術(shù)特點：

1）由于即時脫模后要求軌枕保持外形尺寸，因此一般軌枕塌落度較小，軌枕外觀質(zhì)量一般；

2）由于采用后張法施加預(yù)應(yīng)力，通常軌枕的主筋采用帶有螺紋的預(yù)應(yīng)力鋼材；

3）由于采用單根軌枕長度的模型，便于使用自動化設(shè)備，生產(chǎn)線自動化程度較高；

4）采用后張法施加預(yù)應(yīng)力可實現(xiàn)對單根鋼絲的張拉力控制，軌枕中各鋼絲之間預(yù)應(yīng)力的差異較小；

5）由于軌枕是不帶模型進行養(yǎng)護，因此軌枕自身在養(yǎng)護過程中的溫度和濕度更容易保持。

5.2 生產(chǎn)中注意事項

1）由于軌枕是在振搗完成后隨即進行養(yǎng)護，因此須嚴(yán)格控制混凝土的塌落度，確保脫模后軌枕外形尺寸不發(fā)生變化。

2）由于采用后張法施加預(yù)應(yīng)力，在軌枕體內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼材與混凝土之間是無黏結(jié)或者弱黏結(jié)狀態(tài)，因此須控制好錨固板和端部混凝土的狀態(tài)，以免影響軌枕預(yù)應(yīng)力施加效果。

3）須嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力鋼材的質(zhì)量和張拉力，避免鋼材由于超張拉或材質(zhì)原因出現(xiàn)斷裂。

6 結(jié)論

1）長線臺座法生產(chǎn)能耗相對較低，生產(chǎn)臺位固定，設(shè)備成本較低，人工量較少，但生產(chǎn)效率不高。生產(chǎn)過程中須確保臺座兩端橫梁的剛度，注意模具內(nèi)分隔板設(shè)計及養(yǎng)護溫度對預(yù)應(yīng)力鋼絲內(nèi)部應(yīng)力的影響。

2）長模流水機組法模型流轉(zhuǎn)速率快，生產(chǎn)效率較高，對不同類型軌枕的適用性好，但生產(chǎn)中自動化程度低，需要人工量大，車間生產(chǎn)環(huán)境較差。生產(chǎn)過程中須確保模型具備足夠的剛度，避免鋼模變形和預(yù)應(yīng)力鋼絲下料、整體張拉等造成的鋼絲內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失和不均勻。

3）先張短模流水機組法模型短，剛度較大，整體性好，生產(chǎn)自動化高，鋼絲內(nèi)預(yù)應(yīng)力控制好，但生產(chǎn)效率一般相對不高。采用鋼絲自錨固時須重點控制鋼絲的下料、墩頭等帶來的偏差，采用錨固板錨固時須在生產(chǎn)線和生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計過程中注意生產(chǎn)線對不同軌枕的適用性。

4）后張短模流水機組法技術(shù)特點與先張短模流水機組法類似，但由于采用后張法，軌枕的主筋通常采用帶有螺紋的預(yù)應(yīng)力鋼材。在生產(chǎn)過程中須控制好錨固板和端部混凝土的狀態(tài)，并嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力鋼材的質(zhì)量和張拉力，避免鋼材由于超張拉或材質(zhì)原因出現(xiàn)斷裂。

5）即時脫模的短模流水機組法工藝流程與后張短模流水機組法相似，主要區(qū)別在于軌枕脫模的時間。由于軌枕是不帶模型進行養(yǎng)護，養(yǎng)護過程中軌枕內(nèi)溫度和濕度更容易保持。在生產(chǎn)中須嚴(yán)格控制混凝土的塌落度、錨固板和端部混凝土的狀態(tài)以及鋼材內(nèi)的預(yù)應(yīng)力值。