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預應力混凝土軌枕在使用過程中發生了不少損傷,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有關。原先設計規定鋪設和養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隨著列車的運行及養護維修條件而不斷變化,一旦當支承狀態與枕上垂直動壓力聯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,不少工廠軌枕生產中蒸汽養護沒有預養時間,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,以及外界環境不斷變化著的干濕循環,凍融循環作用,也會使裂縫的寬度和長度發展。

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軌枕處在露天環境中,由于混凝土致密,水、氣不會滲入內部,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,在混凝土內部引起內應力,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。國內外規范規定,鋼筋混凝土結構的裂縫允許寬度為0.1~0.3mm(視不同介質環境),預應力混凝土結構甚至不允許出現裂縫,其目的都是為了保證鋼筋不銹蝕。但從國內外作的多次調查和試驗,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境,但底部有30cm厚的道渣墊層,不會浸泡在水中。根據調查分析,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的軌枕11根,常態軌枕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,還未發展到影響混凝土與鋼筋的握裹力。

從多次調查結果可看出,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

鐵路工務規程中關于軌枕失效標準,規定為:①明顯折裂;②環裂裂縫寬度超過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。筆者認為以上規定是合適的。按規定,軌枕達到失效,就應從線路上更換下來,以保證行車安全。但根據以上各種調查、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,除了根據可能出現的最大荷載,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,加強線路維修養護,使軌枕處于良好支承狀態也是防止軌枕軌下和枕中出現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,并與預應力鋼筋牢固綁扎在一起,從而發現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現有堿活性,但不少地區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)。