预应力混凝土轨枕的裂缝及结构耐久性

摘要：我国的混凝土轨枕，由于裂缝的出现，造成的损伤非常严重。本文从物理、力学、化学的角度分析了混凝土轨枕的裂缝的类型、成因及其危害性，通过分析裂缝对轨枕耐久性和结构的影响，提出防止与控制混凝土轨枕裂缝出现的有效措施措施，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。

关键词：预应力；混凝土轨枕；裂缝；结构；耐久性

前言

随着铁路建设飞速发展，科技水平不断提高，轨枕生产对混凝土的各种性能要求越来越高，不仅要求混凝土工作性能好、强度指标高、耐久性好等，而且还要求有个好的外观。中国的预应力混凝土轨枕从生产到投入应用，产量超过一亿根，与外国的铺设里程相比，我国在数量上有很大的比例，在我国铁路运输事业中发挥了巨大的作用。使用三十余年，从运营线上更换损伤的轨枕在维修中非常的普遍，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。拆换的过程中制造、运输等大大消费了人力物力，常常使得轨枕的耗费超过自身价格的四到五倍。作为一种预应力的结构，裂缝是在所难免的，研究延长轨枕的使用寿命，控制和预防裂缝的出现，减小危害，有非常重要的意义。

1 预应力轨枕裂缝

1.1轨枕裂缝的类型。

对于预应力混凝土轨枕，裂缝的产生往往难以避免。轨下及枕中的正负弯矩裂缝，沿螺栓孔等处出现的各种类型纵向裂缝均有发生。沿螺栓孔纵裂在内的各类型纵向裂缝起初长度和宽度都很小，裂缝均存在不断发展的趋势，裂缝宽度从0.5mm―5mm不等，长度一直纵裂至两端，直至贯通。造成劈裂虽不同型号轨枕产生裂缝情况没有明显区别，但不同厂家，不同时间生产的轨枕，包括在同一线路区段的不同厂家轨枕纵裂缝的表现却有明显区别。

（1）轨下垂直横向裂缝(轨下正弯矩裂缝)。（2）枕中垂直(横向)裂缝(枕中正弯矩和负弯矩裂缝)。（3）轨枕顶面螺栓孔纵向裂缝。（4）轨枕顶面螺栓孔处横裂(平行于钢轨方向)（5）轨枕端部纵向裂缝。（6）轨枕中部纵向裂缝。（7）龟裂。轨枕端部、中部的顶面或侧面出现纵横交错、不规则的网状裂缝。

以上几种裂缝是在使用荷载的作用下轨枕截面的拉应变大多是大于混凝土极限拉伸值，作用于截面上的弯矩、剪力、轴向拉力以及产生的扭矩等这些荷载效应都可能引起轨枕产生裂缝。

1.2混凝土轨枕裂缝的成因

混凝土轨枕裂缝的生成过程比较普遍，不仅能从从材料、工艺、结构方面研究，也可以从使用、铺设、制造、设计等方面探讨。本文是从物理、化学、力学等角度来分析混凝土轨枕裂缝的成因。

（1）力学因素。混凝土轨枕所受弯矩的大小与枕下道碴支承状态有关。当预加应力偏大而脱模、混凝土强度又不足时，轨枕端部就会产生纵向裂缝；此外，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裂缝。

通过模拟试验，建立了端面最大拉应力计算公式：

式中： ――梁端横截面上平均压应力；

――为梁端横截面积

――为混凝土预压力

――应力系数，其变化规律可近似表达为：

式中： ――集中力距底边的距离

――为端部梁高

（2）混凝土的收缩变形。混凝土进入预养阶段，在空气中结硬时体积要进行收缩变形，这种变形不同程度地受到如预应力钢筋、箍筋等外界的约束作用，对于这些受到约束而不能自由伸缩的轨枕，混凝土的干缩就可能导致细小裂缝的产生。此外，在施工中人们往往为了施工方便，随意的控制用水量，常常大于试验室提供的配合比用水量，致使混凝土坍落度大，泌水现象明显，从而出现塑性收缩裂缝。

（3）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。混凝土从浇筑至硬化过程中，由于水泥的水化作用将产生并释放大量的水化热，造成轨枕内部温度较大，膨胀不一致，轨枕表面产生拉应力，内部产生压应力，当内外应力不均衡时便产生了裂缝；

（4）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。当骨料具有碱―碳酸盐反应时不得用作混凝土骨料，当具有碱―硅酸盐反应时混凝土中最大碱含量不得大于3kg／m3。碱―骨料化学变化引起的裂缝，如果混凝土中含有碱活性骨料和碱含量高的水泥，反应生成物遇水可产生膨胀，导致混凝土体积的变化而形成裂缝。

综上所述，纵向裂缝主要由材料、结构、工艺因素所致，荷载及冻融、干湿循环促其发展，横向裂缝则是由各种因素综合作用所致。

2裂缝对混凝土轨枕结构耐久性的影响

(1)腐蚀作用。混凝土结构中钢筋的腐蚀主要是电化学腐蚀，当结构混凝土有裂缝时，水进入到钢筋引起氧化，气进入裂缝引起混凝土碳酸化，降低pH值，加深钢筋腐蚀。轨枕处在露天环境中，由于混凝土致密，水、气不会渗入内部，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，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。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。

(2)裂缝只有达到一定宽度时，水、气才能引起钢筋腐蚀。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)，其目的都是为了保证钢筋不锈蚀。裂缝宽度与钢筋锈蚀没有直接关系。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。补缝胶、修补胶等用来修补裂缝轨枕，对提高轨枕结构耐久性，具有良好效果.

（3）纵向裂缝对结构耐久性的影响一般要比横向裂缝严重。可以采用修补办法将裂缝封闭，以提高结构耐久性。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。宽度和长度都不大的裂缝对轨枕承载能力几乎没有影响。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。

3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。为此，应当竭尽全力防治裂缝的出现。预防和控制裂缝可以从下四方面入手：

(1)为防止横向裂缝，除了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。合理配置预应力钢筋外，因为箍筋、螺旋筋的设置有利于防止轨枕的纵裂及钉孔处裂缝，有些轨型箍筋与预应力钢筋只是松散搭接，不成整体。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。

(2)充分认识裂缝的危害性。这就要求轨枕生产和使用单位的技术管理人员不断加强自身的学习和提高，加强各种材料对混凝土性能的影响、对混凝土结构组成、新工艺新过程的充分了解，才能正确使用、合理生产。

（3）在混凝土中使用矿物掺和料可提高混凝土的抗渗性、耐久性，较少收缩，降低胶凝材料的水化热，这些掺和料具有延迟和降低混凝土水化降温作用，改善泌水性能，抗裂能力优异无比。严格控制混凝土原材料。

4 结论

在实际应用中，裂缝的影响因素不止是化学因素、物理因素、力学因素等，还有许多因素作用十分明显，本文对裂缝的成因分析也是之阐述了几个方面。综合以上措施，有效地减少了混凝土轨枕裂缝的产生和发展。但混凝土轨枕裂缝的预防与控制是一项系统工程，要在提高控制技术和技术管理水平系统地、综合地运用各种预防措施，需要从设计、施工、材料、检测等各方面进行控制，并且以确保轨枕质量的提高，延长其使用寿命。

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