工程预应力混凝土轨枕的裂缝及结构耐久性(2)

　　预应力引起的轨枕端面最大水平拉应力6Ymax约为混凝土设计抗拉强度的75~90%，并为考虑塑性变形后的混凝土抗拉强度的50%，仅此单一因素，轨枕单面是不会产生纵向裂缝的。但当混凝土放张强度不足、温差、干缩、碱集料反应等因素附加作用时，则易造成6Ymax≤ft (物理化学作用时塑性变形不起作用)，从而引起纵向裂缝。此外，螺旋道钉上拔力较大时，与预加应力叠加，则容易造成钉孔纵裂。

　　2.2 物理因素

　　物理因素系指轨枕制造和铺设、运营过程中受冷热、干湿、冻融等的作用。当蒸汽养护过程中升温很快，恒温温度很高时，由于混凝土中气、水、水泥、砂石等不同材料热膨胀系数不同，而混凝土初期结构强度又很低时，高温使气、水大大膨胀，造成混凝土内部结构缺陷，容易引起轨枕表面特别是端头表面的混凝土龟裂，疏松。

　　有一段时间，不少工厂轨枕生产中蒸汽养护没有预养时间，升温很快，恒温温度高于95℃，脱模时轨枕端部混凝土肿胀、疏松情况常有发生。而且放张时混凝土强度很多低于35N/mm2(70%fcu)，造成混凝土轨枕纵裂、龟裂现象较多。

　　当出厂时仅有细微裂缝或仅有隐性微裂(肉眼看不见)的轨枕，在运营过程中，受到振动、冲击、疲劳荷载的作用，以及外界环境不断变化着的干湿循环，冻融循环作用，也会使裂缝的宽度和长度发展。

　　2.3 化学因素

　　化学因素指钢筋锈蚀、混凝土腐蚀、碳酸化、碱集料反应等。对中国混凝土轨枕而言，其中碱集料反应(AAR)引起的破坏不容忽视。碱集料反应的三个条件是：活性集料、高碱水泥和水，其破坏机理是以上三种物质进行化学反应，在混凝土内集料与水泥石的界面上生成硅酸盐凝胶，体积膨胀，引起混凝土开裂。其中最为普遍的碱-硅酸反应，方程式为：

　　SiO 2十2ROH十nH 20→R 2Sio 3(n十1)H 20(R为Na或K)

　　由于中国生产的水泥长期对碱含量不作限制。采用高碱水泥可提高水泥产量，降低成本。而中国有一些地区的混凝土粗集料(石子)具有明显的碱活性，二者结合在一起，容易形成碱集料反应(AAR)破坏。这个问题是从六十年代末期开始，某工厂生产的预应力混凝土轨枕(以及桥梁)屡屡发生纵裂和龟裂，而又从结构、工艺、铺设养护条件进行改进还依然有纵裂、龟裂出现，直至八十年代末期，才开始认识并通过试验予以证实的。检验过程是：先从轨枕混凝土中取芯样，检验项目包括：①肉眼或用立体显微镜观察，再用偏反光显微镜观察光薄片，一般AAR造成的破坏常会损伤集料颗粒，裂缝多从集料延伸至浆体，有时还能明显观察到集料颗料裂开，或边缘被撕裂。这一特征十分重要，因盐腐蚀、化学腐蚀、钢筋锈蚀、碳酸化、机械荷载等不会使集料颗粒受到损伤，因此这是AAR与其他破坏因素的主要特征;②依靠电子显微镜加上能谱分析可以测得碱硅酸盐凝胶的化学成分，这是发生AAR的直接证明。另外，将混凝土的集料用机械方法和化学方法(一般是盐酸溶液处理)分离出来，再用快速法和岩相法鉴定其碱活性，如对上海站所用宽轨枕以及滨绥线轨枕鉴定其碱活性，用压蒸快速法测得部分活性集料的膨胀.

　　铁科院曾对中国华东、华南、华中、华北、西南、西北、东北各地区的15家轨枕厂现行使用的粗集料进行碱活性检验，先用岩相法评定出可疑集料，采用压蒸快速法鉴定有10家厂的集料有潜在活性，以后再采用普通砂浆棒法和混凝土柱法，汇总后最终评定为5家。

　　粗集料有碱活性，分别分布在华北、华中、西南、西北地区。由此可见，AAR引起的轨枕龟裂，纵裂问题不容忽视。

　　综上所述，纵向裂缝主要由内因(材料、结构、工艺因素)所致，外因(荷载及冻融、干湿循环)仅是促其发展，横向裂缝则是内因(预应力配筋，断面及混凝土强度)与外因(荷载及轨枕支承条件)综合作用所致。

　　3 裂缝对混凝土轨枕结构耐久性的影响

　　(1)轨枕处在露天环境中，由于混凝土致密，水、气不会渗入内部，但当裂缝开展到一定宽度，且裂缝深度到达保护层时，水、气就会沿着裂缝逐步渗透到达钢筋，引起钢筋腐蚀、生锈，铁锈是一种铁的化合物(氧化铁)，其体积膨胀4倍，在混凝土内部引起内应力，导致混凝土进一步开裂，并使预应力钢筋与混凝土的握裹力降低，从而影响轨枕的承载能力。

　　需要指出的是，混凝土结构中钢筋的腐蚀主要是电化学腐蚀，其腐蚀速度(程度)与钢筋所处环境的碱度 (pH值)有关，pH值越高，越能保护钢筋不被腐蚀。当结构混凝土有裂缝时，水进入到钢筋引起氧化，钢筋锈蚀，气进入裂缝引起混凝土碳酸化，降低pH值，加深钢筋腐蚀，而且这种腐蚀当有C1-和SO42-离子存在时会加剧。

　　(2)研究表明，结构混凝土的裂缝只有达到一定宽度时，水、气才能渗入，引起钢筋腐蚀。国内外规范规定，钢筋混凝土结构的裂缝允许宽度为0.1~ 0.3mm(视不同介质环境)，预应力混凝土结构甚至不允许出现裂缝，其目的都是为了保证钢筋不锈蚀。但从国内外作的多次调查和试验，又证明裂缝宽度与钢筋锈蚀没有直接关系。

　　中国建工四局科研所等八单位曾调查华南、华东、西南、西北的48项钢筋混凝土结构工程，裂缝宽度为0.13，1，2，4，9mm，有的达规范规定的30倍之多。结果发现，除在氯化物含量较高环境中，钢筋有较大锈蚀外，其余均末发生锈蚀，日本为探索预应力混凝土接触网支柱产生裂缝后的耐久性问题，曾将已有裂缝的支柱自然置于冬(— 10 ~ —18℃)夏(16~36℃)的环境中进行长达二十余年的反复冻融试验，从长期的观测总结中，可看出裂缝宽度没有扩展，混凝土的碳酸化也是轻微的，未发现内部钢筋锈蚀。

　　轨枕虽然也处于露天环境，但底部有30cm厚的道渣垫层，不会浸泡在水中。根据调查分析，表面宽度不超过lmm的裂缝，深度一般也达不到钢筋位置。这种裂缝对其结构性能是不会有影响的。

　　(3)调查研究还表明，纵向裂缝对结构耐久性的影响一般要比横向裂缝严重。因钢筋混凝土构件的纵向裂缝引起的钢筋锈蚀会使保护层剥落，龟裂扩展会引起混凝土疏松、掉块。笔者等曾从不同线路上抽取16根，其中带有不同纵裂状态的轨枕11根，常态轨枕5根，逐根进行轨下截面静载抗裂强度和疲劳强度试验。从表3 的试验结果可看出：①出现贯通裂缝的轨枕，大部分轨下截面的静载抗裂强度有比较明显的降低;②端部纵裂或龟裂的轨枕，静载抗裂强度及疲劳强度，与常态轨枕比较，一般无显著差别。这说明轨端部的纵裂和龟裂多是从表面开始，还未发展到影响混凝土与钢筋的握裹力。

　　另据八十年代昆明铁路局的调查，螺旋道钉孔顶面纵裂宽度不超过lmm的轨枕使用十年，通过总重2.6吨，大都仍能保持轨距。剖开纵裂轨枕，内部钢筋一般均末锈蚀，但沿钉孔纵裂宽度达3mm以上，裂缝长度从钉孔延伸至两端变截面时，将对轨距保持能力造成影响。

　　从多次调查及表3试验结果可看出，宽度和长度都不大的裂缝对轨枕承载能力几乎没有影响。因此可以采用修补办法将裂缝封闭，以提高结构耐久性。中国铁科院等单位研制的补缝胶、修补胶等用来修补裂缝轨枕，施工简单易行，造价低廉，对提高轨枕结构耐久性，具有良好效果。

　　4 混凝土轨枕裂缝的预防和控制

　　轨枕作为一种预应力混凝土结构，要想完全杜绝裂缝是很难做到的。但裂缝毕竟是有害的。为此，应当竭尽全力来防止裂缝的出现。

　　预防和控制裂缝，可以从三方面入手：

　　(1)从力学角度，为防止横向裂缝，除了根据可能出现的最大荷载，合理配置预应力钢筋外，还应加强端部箍筋和道钉孔处螺旋筋的配置。此外，加强线路维修养护，使轨枕处于良好支承状态也是防止轨枕轨下和枕中出现横向裂缝的重要条件。

　　箍筋和螺旋筋的设置有利于防止轨枕端部和中部纵裂以及钉孔裂缝，但目前箍筋本身不成整体，且与预应力钢筋只是松散搭接，在防止纵裂方面效果有限。有的工厂严格将端部箍筋布置在离端头30mm范围内，并与预应力钢筋牢固绑扎在一起，从而发现对防止端部纵裂有很好效果。

　　(2)加强生产管理，严格操作工艺

　　九十年代以后，中国混凝土轨枕工厂的上级管理部门对工艺操作提出按《技术条件》和《检查细则》严格要求，如严格混凝土配合比，确保振动密实和混凝土强度 (包括放张强度)，特别是蒸汽养护，要求预养时间≥2h，升温速度≤20℃/h，恒温速度≤60℃，脱模时轨枕表面与环境温度之差≤20~40℃，有的工厂还在轨枕脱模存放的三天内进行浇水养护。这些措施对于减少轨枕裂缝，特别是龟裂及纵裂，将是十分有利的。

　　(3)严格控制混凝土原材料

　　除了对水泥强度与安定性、集料的级配与含泥量等常规指标严格控制外，还应重点考虑碱集料反应问题。

　　中国天然河砂至今未发现有碱活性，但不少地区的粗集料却有潜在碱活性，因此应大力推广应用低碱水泥(含碱量≤0.6%)和低碱减水剂。在目前使用低碱水泥和低碱减水剂尚有困难的情况下，应注意控制最大水泥用量，以使轨枕混凝土的碱含量不超过安全限值(3kg/m3)o例如：当水泥含碱量高达1%，轨枕混凝土的水泥用量为500kg/m3时，则混凝土的含碱量为500×1%=5kg/m3.即使不掺减水剂，亦已大大超过3kg/m3的安全限值;当水泥含碱量为0.6%时，减水剂含碱量为5%，掺量为1%时，则混凝土含碱量为500×0.6%十500×1%×5%=3.25kg/m3>3kg/m3(安全限值)，因此，这时混凝土的最大水泥用量就降为460kg/m3，因为460×0.6%十460×1%×5%=2.99kg/m3≈3kg/m3(安全限值)，而不是通常技术条件中规定的500kg/m3.

　　5 关于混凝土轨枕失效标准的认识

　　铁路工务规程中关于轨枕失效标准，规定为：①明显折裂;②环裂裂缝宽度超过0.5mm;③承轨槽面压溃，挡肩严重破损;④纵向裂缝宽度超过0.5mm，长度超过全长二分之一;⑤承轨槽间两钉孔间裂缝宽度超过0.5mm，并延伸至轨枕端部或轨枕中部;⑥承轨槽裂纹交错，严重掉块露筋。笔者认为以上规定是合适的。按规定，轨枕达到失效，就应从线路上更换下来，以保证行车安全。但根据以上各种调查、试验的研究分析，在行车密度增大，从线路上更换轨枕更加困难，而在混凝土补缝材料和补缝技术不断发展的今天，仅是因为裂缝而被认为失效的轨枕，由于承载能力及其他使用性能并未降低，可以采用即时修补的方法，以避免裂缝发展和钢筋锈蚀，保持结构耐久性，延长轨枕使用寿命，从而提高线路的综合技术经济效益。

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