混凝土轨枕开缝缘由以及预防举措

预应力混凝土轨枕在使用过程中发生了不少损伤,涉及到行车安全,拆换下的伤损轨枕,除了少量是由于行车、装卸事故等造成的机械性破损外,绝大部分则是由于产生各种各样的裂缝,担心其影响轨枕承载能力而被拆换的。

轨枕作为一种预应力混凝土结构,裂缝是难避免的,因此研究预应力混凝土轨枕裂缝的成因及其危害性,研究如何预防和控制裂缝,对提高混凝土轨枕的结构耐久性,延长轨枕的使用寿命,将是十分重要的。

1混凝土轨枕裂缝的类型

混凝土枕裂缝的类型有:轨下垂直横向裂缝(轨下正弯矩裂缝);枕中垂直(横向)裂缝(枕中正弯矩和负弯矩裂缝);轨枕顶面螺栓孔纵向裂缝;轨枕顶面螺栓孔处横裂(平行于钢轨方向);轨枕端部纵向裂缝;轨枕中部纵向裂缝;龟裂等。

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400mm,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裂缝。

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。

3裂缝对混凝土轨枕结构耐久性的影响

3.1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。

3.2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。

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。

3.3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。结果: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。

从多次调查结果可看出,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。

5混凝土轨枕裂缝的预防和控制

5.1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。

5.2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)。