郭潤平，姜曉軍，王建西

(1.中國路橋工程有限責任公司，北京 100011；2.中交二公局鐵路工程有限公司，陜西 西安 710075； 3.石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043)

隨著“一帶一路”建設的深入推進，我國鐵路軌道工程技術走入東非地區(qū)。為實現軌道工程屬地化，降低建造成本，帶動東非地區(qū)經濟發(fā)展與就業(yè)，凡是能用當地原材料的，盡可能使用當地原材料。

東非地區(qū)主要分布玄武巖、凝灰?guī)r、頁巖、石灰?guī)r、砂巖。結合區(qū)內的巖石分布，混凝土骨料只能采用含有氣孔結構的玄武巖(屬于多孔火山巖)[1]。多孔火山巖作為軌枕的粗骨料，可能因氣孔結構影響其疲勞性能。因此，研究列車荷載反復作用下軌枕的疲勞性能有著重要的工程意義。

目前，國內外學者對混凝土軌枕疲勞試驗中軌枕裂縫擴展規(guī)律進行了一定程度的研究。汪加蔚等[2]從力學、物理、化學的角度分析了混凝土軌枕垂直裂縫產生的原因。徐蘊賢[3]分析了混凝土軌枕裂縫對混凝土結構和耐久性的影響。楊海威[4]分析了不同荷載作用下混凝土裂縫高度對使用壽命的影響規(guī)律。Parvez 等[5]通過試驗得出疲勞荷載作用下不同階段裂縫高度。宋玉普等[6]研究了疲勞荷載作用下梁內不同鋼筋的破壞關系。丁德來等[7]研究了局部鋼纖維混凝土軌枕的軌下疲勞性能，發(fā)現局部使用鋼纖維后軌下截面承受疲勞荷載的能力可提高43%。Sakdirat等[8]研究了沖擊荷載作用下軌枕軌下截面裂紋擴展規(guī)律。Zanuy 等[9]設計了適用于寬軌距線路的新型預應力混凝土軌枕,并通過疲勞試驗研究了這種軌枕中間截面疲勞裂紋擴展規(guī)律。

混凝土軌枕使用過程中會產生裂縫，國內現有相關規(guī)范對軌枕疲勞試驗后疲勞裂縫寬度評判標準進行了規(guī)定，但未規(guī)定疲勞裂縫擴展速率。由于多孔火山巖自身具有較多空洞，這些空洞是否會加速疲勞裂縫擴展，目前尚無相關研究。

本文對多孔火山巖粗骨料混凝土軌枕進行疲勞荷載試驗，研究該軌枕裂縫的產生及擴展情況，為軌枕裂縫傷損評估提供依據。

采用以玄武巖為粗骨料的混凝土軌枕，依據我國現行規(guī)范TB/T 2190—2013《混凝土枕》[10]確定外形尺寸，進行軌枕外觀檢查。粗骨料密度為 2 950 kg/m3，滿足規(guī)范中規(guī)定的不小于 2 600 kg/m3的要求?；炷僚浜媳纫姳?。

表1 混凝土配合比 kg/m3

1 軌枕疲勞試驗

1.1 試驗標準

文獻[11]按照TB/T 1878—2002《預應力混凝土枕疲勞試驗方法》[12]的規(guī)定，對以多孔火山巖為粗骨料的混凝土軌枕進行了軌枕截面的疲勞強度試驗，表明我國現行規(guī)范可用于混凝土軌枕疲勞試驗。多孔火山巖粗骨料混凝土軌枕采用新Ⅱ型軌枕設計圖(研線0322)進行生產。該設計中規(guī)定：垂向荷載軌下截面檢驗值是180 kN，枕中截面檢驗值是135 kN。

1.2 試驗設備

本次試驗依據TB/T 1878—2002的規(guī)定，使用伺服疲勞試驗機進行。采用GOM-ARAMIS三維光學應變測量儀對軌枕裂縫產生前后的應變進行非接觸量測。采用HPCS-1型裂縫測寬儀對軌枕裂縫不同發(fā)展階段的寬度進行量測。軌枕疲勞試驗中測試儀器布置如圖1所示。試驗前對多孔火山巖粗骨料混凝土軌枕進行編號，檢測軌下截面裂縫發(fā)展規(guī)律的3根混凝土軌枕編號依次為W1，W2，W3，檢測枕中截面裂縫發(fā)展規(guī)律的3根混凝土軌枕編號依次為W4,W5,W6。

圖1 軌枕疲勞試驗中測試儀器布置

1.3 試驗設計

主要測試內容為軌枕軌下截面與枕中截面在疲勞荷載作用下的裂縫高度、寬度和裂縫位置。疲勞試驗開始以前先預加載，檢驗加載設備、光學應變測量儀性能是否正常，以剔除原始條件的不確定性，隨后連續(xù)加載。

在軌枕疲勞荷載試驗中，對W1，W2，W3號軌枕軌下截面按垂向荷載最大值180 kN，最小值36 kN進行正弦波加載，加載頻率7Hz，加載200萬次。對W4,W5,W6號軌枕枕中截面按疲勞荷載最大值135 kN，最小值27 kN 進行正弦波加載，加載頻率7 Hz，加載200萬次。

加載初始階段，每1萬次使用光學應變測量儀對荷載部分進行量測，通過光學應變測量儀數據處理系統(tǒng)觀察各階段裂縫擴展情況。累計加載5萬次后，每10萬次進行1次量測，觀察各階段裂縫擴展情況。在所有軌枕試驗過程中，記錄疲勞荷載值、初始裂縫產生時間、裂縫擴展情況等。

2 試驗結果與分析

完成200萬次疲勞試驗后，W1號軌枕未產生裂縫；W2，W3，W4，W5，W6號軌枕在疲勞荷載1萬次時產生裂縫，但最終裂紋寬度未達到TB/T 1878—2002中的失效標準。

2.1 軌下截面裂縫的擴展規(guī)律

對于混凝土軌枕，水泥砂漿和骨料之間存在空洞，材料性能相對薄弱，疲勞裂縫會先在這些地方萌生。當軌下截面承受的彎矩大于該截面抗裂強度時，軌枕就會產生裂縫。圖2是光學應變測量儀拍攝的W2號軌枕軌下截面微小橫向裂縫(高27.702 mm)，此時加載1萬次，裂縫處于萌生階段。

圖2 W2號軌枕軌下截面橫向裂縫(單位：mm)

W2號軌枕軌下截面裂縫高度隨加載次數變化曲線見圖3?？梢姡杭虞d1萬次時產生微小裂縫(高27.70 mm，裂縫尖端位于混凝土保護層內)，隨后裂縫以較快的速度擴展，當加載10萬次時裂縫高度達到47.34 mm，隨后裂縫擴展速率逐漸減小。加載50萬次時裂縫高度58.78 mm。加載50萬次～100萬次時裂縫基本不再擴展。加載200萬次時裂縫高度59.78 mm。

圖3 W2號軌枕軌下截面裂縫高度隨加載次數變化曲線

圖4 軌下截面預應力筋配筋高度示意(單位:mm)

加載200萬次后卸載回零，5 min內用裂縫測寬儀對軌枕軌下截面兩側裂縫寬度進行量測，W1，W2和W3號軌枕最大殘余裂縫寬度均小于0.05 mm，滿足規(guī)范要求；疲勞試驗中所產生的裂縫位于軌枕軌下截面中心線位置。

軌下截面預應力筋配筋高度如圖4所示，最下排預應力筋距底面垂直距離為43 mm，與加載10萬次時裂縫高度47.34 mm基本吻合。加載10萬次后軌枕軌下截面裂縫擴展速率開始逐漸減小。這是由于裂縫擴展至最下排預應力筋高度時混凝土退出工作。

由圖3和圖4可知：①沿高度方向裂縫擴展速率與加載次數成非線性關系；②當裂縫擴展至最下排預應力筋處時，裂縫擴展速率逐漸減小，最終裂縫高度低于中和軸高度，未擴展到受壓區(qū)；③最大殘余裂縫寬度滿足規(guī)范要求。

2.2 枕中截面裂縫擴展規(guī)律

圖5 W6號軌枕枕中截面裂縫高度隨加載次數變化曲線

依據我國鐵路混凝土軌枕使用經驗，軌枕中間若長期承受較大的負彎矩，會導致枕中截面的上半部出現裂縫。枕中截面預應力筋高度示意如圖6，最下排預應力筋距枕中截面頂面38 mm。

圖6 枕中截面預應力筋高度示意(單位：mm)

由圖5和圖6可知：加載0～40萬次時W6號軌枕枕中截面裂紋尖端主要處于混凝土保護層內，加載40萬次時裂縫擴展至最下排預應力筋處；隨后，因需克服預應力筋的預壓力裂縫擴展速率有所減小?；炷敛牧系牟痪鶆蛐砸彩菍е抡碇薪孛媪芽p擴展速率呈現非線性的原因。

加載200萬次后卸載回零，5 min內用裂縫測寬儀對枕中截面兩側裂縫寬度進行量測。W4，W5和W6號軌枕最大殘余裂縫寬度均小于0.05 mm，滿足規(guī)范要求。疲勞試驗中產生的裂縫位于加載點下方枕中截面中心線。

W4,W5,W6號軌枕裂縫擴展規(guī)律基本相同，但是3根軌枕裂縫高度突變發(fā)生在不同加載次數時。

3 結論和建議

通過對6根軌枕進行疲勞荷載試驗，探究了多孔火山巖粗骨料混凝土軌枕裂縫的擴展規(guī)律，得到以下結論和建議：

1)多孔火山巖粗骨料混凝土軌枕疲勞裂縫擴展速率隨著預應力筋高度變化而變化。在疲勞荷載作用下裂縫尖端處于軌枕混凝土保護層內時裂縫擴展速率較大；當裂縫尖端擴展至預應力筋上方后，受到預應力筋的影響，裂縫擴展速率逐漸減小。

2)隨著加載次數的增多，軌枕裂縫高度逐漸增大但逐漸趨于穩(wěn)定，多數情況下最終裂縫高度小于中和軸高度，軌枕產生的裂縫并不影響軌枕的正常使用。

3)徐變也是預應力混凝土的重要性能之一，建議對多孔火山巖粗骨料混凝土軌枕徐變進一步試驗研究。