曹基光

摘要：預應力混凝土軌枕在使用過程中發(fā)生了不少損傷，涉及到行車安全，拆換下的傷損軌枕，除了少量是由于行車、裝卸事故等造成的機械性破損外，絕大部分則是由于產(chǎn)生各種各樣的裂縫，擔心其影響軌枕承載能力而被拆換的。本文針對混凝土軌枕產(chǎn)生裂縫的原因和防治措施進行了闡述。

關鍵詞：混凝土軌枕；裂縫；原因；措施

預應力混凝土軌枕在使用過程中發(fā)生了不少損傷，涉及到行車安全，拆換下的傷損軌枕，除了少量是由于行車、裝卸事故等造成的機械性破損外，絕大部分則是由于產(chǎn)生各種各樣的裂縫，擔心其影響軌枕承載能力而被拆換的。

軌枕作為一種預應力混凝土結構，裂縫是難避免的，因此研究預應力混凝土軌枕裂縫的成因及其危害性，研究如何預防和控制裂縫，對提高混凝土軌枕的結構耐久性，延長軌枕的使用壽命，將是十分重要的。

1 混凝土軌枕裂縫的類型

混凝土枕裂縫的類型有：軌下垂直橫向裂縫(軌下正彎矩裂縫)；枕中垂直(橫向)裂縫(枕中正彎矩和負彎矩裂縫)；軌枕頂面螺栓孔縱向裂縫；軌枕頂面螺栓孔處橫裂(平行于鋼軌方向)；軌枕端部縱向裂縫；軌枕中部縱向裂縫；龜裂等。

2 混凝土軌枕裂縫的成因

混凝土軌枕裂縫的生成可以從結構、工藝、材料等方面探討，也可從設計、制造、鋪設、使用等方面研究。在此，僅從物理、化學、力學的角度進行分析。

2．1 力學因素

混凝土軌枕所受彎矩的大小不僅與枕上動壓力有關，而且與枕下道碴支承狀態(tài)有關。原先設計規(guī)定鋪設和養(yǎng)護時應使軌枕中間部分掏空400mm，掏空部分道碴頂面應低于枕底30mm，避免負彎矩過大而產(chǎn)生枕中上部橫裂。近年來要求中間不掏空，即中間應墊滿浮碴。設計時假設中間部分的支承反力應為軌下部分的3／4(掏空時為0)。與一般的預應力混凝土制品不同的是軌枕的支承狀態(tài)隨著列車的運行及養(yǎng)護維修條件而不斷變化，一旦當支承狀態(tài)與枕上垂直動壓力聯(lián)合作用引起的彎矩超過設計限值時，則軌枕的相應部分就會產(chǎn)生裂縫。

2．2 物理因素

物理因素系指軌枕制造和鋪設、運營過程中受冷熱、干濕、凍融等的作用。當蒸汽養(yǎng)護過程中升溫很快，恒溫溫度很高時，由于混凝土中氣、水、水泥、砂石等不同材料熱膨脹系數(shù)不同，而混凝土初期結構強度又很低時，高溫使氣、水大大膨脹，造成混凝土內(nèi)部結構缺陷，容易引起軌枕表面特別是端頭表面的混凝土龜裂，疏松。

有一段時間，不少工廠軌枕生產(chǎn)中蒸汽養(yǎng)護沒有預養(yǎng)時間，升溫很快，恒溫溫度高于95℃，脫模時軌枕端部混凝土腫脹、疏松情況常有發(fā)生。而且放張時混凝土強度很多低于35N/mm2(70％fcu)，造成混凝土軌枕縱裂、龜裂現(xiàn)象較多。

當出廠時僅有細微裂縫或僅有隱性微裂(肉眼看不見)的軌枕，在運營過程中，受到振動、沖擊、疲勞荷載的作用，以及外界環(huán)境不斷變化著的干濕循環(huán)，凍融循環(huán)作用，也會使裂縫的寬度和長度發(fā)展。

2．3 化學因素

化學因素指鋼筋銹蝕、混凝土腐蝕、碳酸化、堿集料反應等。對中國混凝土軌枕而言，其中堿集料反應(AAR)引起的破壞不容忽視。堿集料反應的三個條件是：活性集料、高堿水泥和水，其破壞機理是以上三種物質進行化學反應，在混凝土內(nèi)集料與水泥石的界面上生成硅酸鹽凝膠，體積膨脹，引起混凝土開裂。

3 裂縫對混凝土軌枕結構耐久性的影響

3.1 軌枕處在露天環(huán)境中，由于混凝土致密，水、氣不會滲入內(nèi)部，但當裂縫開展到一定寬度，且裂縫深度到達保護層時，水、氣就會沿著裂縫逐步滲透到達鋼筋，引起鋼筋腐蝕、生銹，鐵銹是一種鐵的化合物(氧化鐵)，其體積膨脹4倍，在混凝土內(nèi)部引起內(nèi)應力，導致混凝土進一步開裂，并使預應力鋼筋與混凝土的握裹力降低，從而影響軌枕的承載能力。

需要指出的是，混凝土結構中鋼筋的腐蝕主要是電化學腐蝕，其腐蝕速度(程度)與鋼筋所處環(huán)境的堿度(pH值)有關，pH值越高，越能保護鋼筋不被腐蝕。當結構混凝土有裂縫時，水進入到鋼筋引起氧化，鋼筋銹蝕，氣進入裂縫引起混凝土碳酸化，降低pH值，加深鋼筋腐蝕，而且這種腐蝕當有C1-和SO42-離子存在時會加劇。

3.2 研究表明，結構混凝土的裂縫只有達到一定寬度時，水、氣才能滲入，引起鋼筋腐蝕。國內(nèi)外規(guī)范規(guī)定，鋼筋混凝土結構的裂縫允許寬度為0．1~0．3mm(視不同介質環(huán)境)，預應力混凝土結構甚至不允許出現(xiàn)裂縫，其目的都是為了保證鋼筋不銹蝕。但從國內(nèi)外作的多次調(diào)查和試驗，又證明裂縫寬度與鋼筋銹蝕沒有直接關系。

軌枕雖然也處于露天環(huán)境，但底部有30cm厚的道渣墊層，不會浸泡在水中。根據(jù)調(diào)查分析，表面寬度不超過lmm的裂縫，深度一般也達不到鋼筋位置。這種裂縫對其結構性能是不會有影響的。

3.3 調(diào)查研究還表明，縱向裂縫對結構耐久性的影響一般要比橫向裂縫嚴重。因鋼筋混凝土構件的縱向裂縫引起的鋼筋銹蝕會使保護層剝落，龜裂擴展會引起混凝土疏松、掉塊。筆者等曾從不同線路上抽取16根，其中帶有不同縱裂狀態(tài)的軌枕11根，常態(tài)軌枕5根，逐根進行軌下截面靜載抗裂強度和疲勞強度試驗。結果:①出現(xiàn)貫通裂縫的軌枕，大部分軌下截面的靜載抗裂強度有比較明顯的降低；②端部縱裂或龜裂的軌枕，靜載抗裂強度及疲勞強度，與常態(tài)軌枕比較，一般無顯著差別。這說明軌端部的縱裂和龜裂多是從表面開始，還未發(fā)展到影響混凝土與鋼筋的握裹力。

從多次調(diào)查結果可看出，寬度和長度都不大的裂縫對軌枕承載能力幾乎沒有影響。因此可以采用修補辦法將裂縫封閉，以提高結構耐久性。中國鐵科院等單位研制的補縫膠、修補膠等用來修補裂縫軌枕，施工簡單易行，造價低廉，對提高軌枕結構耐久性，具有良好效果。

4 關于混凝土軌枕失效標準的認識

鐵路工務規(guī)程中關于軌枕失效標準，規(guī)定為：①明顯折裂；②環(huán)裂裂縫寬度超過0．5mm；③承軌槽面壓潰，擋肩嚴重破損；④縱向裂縫寬度超過0．5mm，長度超過全長二分之一；⑤承軌槽間兩釘孔間裂縫寬度超過0．5mm，并延伸至軌枕端部或軌枕中部；⑥承軌槽裂紋交錯，嚴重掉塊露筋。筆者認為以上規(guī)定是合適的。按規(guī)定，軌枕達到失效，就應從線路上更換下來，以保證行車安全。但根據(jù)以上各種調(diào)查、試驗的研究分析，在行車密度增大，從線路上更換軌枕更加困難，而在混凝土補縫材料和補縫技術不斷發(fā)展的今天，僅是因為裂縫而被認為失效的軌枕，由于承載能力及其他使用性能并未降低，可以采用即時修補的方法，以避免裂縫發(fā)展和鋼筋銹蝕，保持結構耐久性，延長軌枕使用壽命，從而提高線路的綜合技術經(jīng)濟效益。

5 混凝土軌枕裂縫的預防和控制

5.1 從力學角度，為防止橫向裂縫，除了根據(jù)可能出現(xiàn)的最大荷載，合理配置預應力鋼筋外，還應加強端部箍筋和道釘孔處螺旋筋的配置。此外，加強線路維修養(yǎng)護，使軌枕處于良好支承狀態(tài)也是防止軌枕軌下和枕中出現(xiàn)橫向裂縫的重要條件。

箍筋和螺旋筋的設置有利于防止軌枕端部和中部縱裂以及釘孔裂縫，但目前箍筋本身不成整體，且與預應力鋼筋只是松散搭接，在防止縱裂方面效果有限。有的工廠嚴格將端部箍筋布置在離端頭30mm范圍內(nèi)，并與預應力鋼筋牢固綁扎在一起，從而發(fā)現(xiàn)對防止端部縱裂有很好效果。

5.2 嚴格控制混凝土原材料

除了對水泥強度與安定性、集料的級配與含泥量等常規(guī)指標嚴格控制外，還應重點考慮堿集料反應問題。

中國天然河砂至今未發(fā)現(xiàn)有堿活性，但不少地區(qū)的粗集料卻有潛在堿活性，因此應大力推廣應用低堿水泥(含堿量≤0．6％)和低堿減水劑。在目前使用低堿水泥和低堿減水劑尚有困難的情況下，應注意控制最大水泥用量，以使軌枕混凝土的堿含量不超過安全限值(3kg/m3)。

參考文獻

[1]馬超,竇慧娟,牛紅凱.混凝土軌枕螺栓孔縱裂改進措施[J].鐵道建筑,2004,4.

[2]馬超,岳渠德,牛紅凱.軌枕預留螺栓孔縱裂原因及改進措施[J].石家莊鐵道學院學報,2002,1.