岩土工程师:预应力混凝土轨枕的裂缝及结构耐久性2

　　2 混凝土轨枕裂缝的成因

　　混凝土轨枕裂缝的生成可以从结构、工艺、材料等方面探讨，也可从设计、制造、铺设、使用等方面研究。在此，仅从物理、化学、力学的角度进行分析。

　　2.1 力学因素

　　混凝土轨枕所受弯矩的大小不仅与枕上动压力有关，而且与枕下道碴支承状态有关。原先设计规定铺设和养护时应使轨枕中间部分掏空400rnm，掏空部分道碴顶面应低于枕底30mm，避免负弯矩过大而产生枕中上部横裂。近年来要求中间不掏空，即中间应垫满浮碴。设计时假设中间部分的支承反力应为轨下部分的 3/4(掏空时为0)。与一般的预应力混凝土制品不同的是轨枕的支承状态随着列车的运行及养护维修条件而不断变化，一旦当支承状态与枕上垂直动压力力联合作用引起的弯矩超过设计限值时，则轨枕的相应部分就会产生如图1、图2所示的裂缝。此外当预加应力偏大而脱模时混凝土强度又不足时，轨枕端部就会产生如图 5、图6所示的纵向裂缝;列车运行时对钢轨的水平和纵向作用力和螺旋道钉引起的上拔力又会使轨枕螺栓道钉孔周围产生如图3、图4所示的纵向裂缝和横向裂缝。

　　由于预应力混凝土轨枕横向裂缝(轨下正弯矩和枕中正、负弯矩)在计算和试验方面均已有诸多研究，而纵向裂缝的计算及试验却很少涉及。在此，仅对端部纵向裂缝(或称水平裂缝)作一分析：

　　根据清华大学研究，先张法高强钢丝预应力混凝土梁，当预应力值较高时，沿梁高离开预应力筋一段距离，靠近中和轴附近，在梁端面上出现拉应力6Y，常引起端头裂缝，如图8所示。

　　通过20余根梁的模拟试验，建立了端面最大拉应力计算公式：6Ymax=k6 o

　　式中：6 o一梁端横截面上平均压应力：6 o=N/A (A为梁端横截面积，N为混凝土预压力);

　　k一应力系数，其变化规律可近似表达为：

　　k=1/{18(e/h)2十0.25}

　　式中：e一集中力距底边的距离;h一为端部梁高;

　　裂缝发生的位置C(裂缝与梁底面的距离)：√eh

　　梁的抗裂性验算必须满足下式要求：6Ymax≤rf t

　　式中：f t一混凝土的抗拉强度;

　　r一塑性系数(一般取1.7)

　　将以上研究结果用来验算预应力混凝土轨枕的端部拉应力，得出表l.

　　由表1可见，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.

　　砂不具有碱活性，而粗集料中活性较大者膨胀率已远远超过0.1%，接近于0.4%，然后采用综合判定，可证实AAR破坏的可信程度。

　　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。

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