混凝土軌枕開(kāi)縫緣由以及預(yù)防舉措

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預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕在使用過(guò)程中發(fā)生了不少損傷,涉及到行車(chē)安全,拆換下的傷損軌枕,除了少量是由于行車(chē)、裝卸事故等造成的機(jī)械性破損外,絕大部分則是由于產(chǎn)生各種各樣的裂縫,擔(dān)心其影響軌枕承載能力而被拆換的。

軌枕作為一種預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),裂縫是難避免的,因此研究預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕裂縫的成因及其危害性,研究如何預(yù)防和控制裂縫,對(duì)提高混凝土軌枕的結(jié)構(gòu)耐久性,延長(zhǎng)軌枕的使用壽命,將是十分重要的。

1混凝土軌枕裂縫的類(lèi)型

混凝土枕裂縫的類(lèi)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(fù)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(jié)構(gòu)、工藝、材料等方面探討,也可從設(shè)計(jì)、制造、鋪設(shè)、使用等方面研究。在此,僅從物理、化學(xué)、力學(xué)的角度進(jìn)行分析。

2.1力學(xué)因素

混凝土軌枕所受彎矩的大小不僅與枕上動(dòng)壓力有關(guān),而且與枕下道碴支承狀態(tài)有關(guān)。原先設(shè)計(jì)規(guī)定鋪設(shè)和養(yǎng)護(hù)時(shí)應(yīng)使軌枕中間部分掏空400mm,掏空部分道碴頂面應(yīng)低于枕底30mm,避免負(fù)彎矩過(guò)大而產(chǎn)生枕中上部橫裂。近年來(lái)要求中間不掏空,即中間應(yīng)墊滿浮碴。設(shè)計(jì)時(shí)假設(shè)中間部分的支承反力應(yīng)為軌下部分的3/4(掏空時(shí)為0)。與一般的預(yù)應(yīng)力混凝土制品不同的是軌枕的支承狀態(tài)隨著列車(chē)的運(yùn)行及養(yǎng)護(hù)維修條件而不斷變化,一旦當(dāng)支承狀態(tài)與枕上垂直動(dòng)壓力聯(lián)合作用引起的彎矩超過(guò)設(shè)計(jì)限值時(shí),則軌枕的相應(yīng)部分就會(huì)產(chǎn)生裂縫。

2.2物理因素

物理因素系指軌枕制造和鋪設(shè)、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中受冷熱、干濕、凍融等的作用。當(dāng)蒸汽養(yǎng)護(hù)過(guò)程中升溫很快,恒溫溫度很高時(shí),由于混凝土中氣、水、水泥、砂石等不同材料熱膨脹系數(shù)不同,而混凝土初期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度又很低時(shí),高溫使氣、水大大膨脹,造成混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shí)間,不少工廠軌枕生產(chǎn)中蒸汽養(yǎng)護(hù)沒(méi)有預(yù)養(yǎng)時(shí)間,升溫很快,恒溫溫度高于95℃,脫模時(shí)軌枕端部混凝土腫脹、疏松情況常有發(fā)生。而且放張時(shí)混凝土強(qiáng)度很多低于35N/mm2(70%fcu),造成混凝土軌枕縱裂、龜裂現(xiàn)象較多。

當(dāng)出廠時(shí)僅有細(xì)微裂縫或僅有隱性微裂(肉眼看不見(jiàn))的軌枕,在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,受到振動(dòng)、沖擊、疲勞荷載的作用,以及外界環(huán)境不斷變化著的干濕循環(huán),凍融循環(huán)作用,也會(huì)使裂縫的寬度和長(zhǎng)度發(fā)展。

2.3化學(xué)因素

化學(xué)因素指鋼筋銹蝕、混凝土腐蝕、碳酸化、堿集料反應(yīng)等。對(duì)中國(guó)混凝土軌枕而言,其中堿集料反應(yīng)(AAR)引起的破壞不容忽視。堿集料反應(yīng)的三個(gè)條件是:活性集料、高堿水泥和水,其破壞機(jī)理是以上三種物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),在混凝土內(nèi)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(kāi)裂。

3裂縫對(duì)混凝土軌枕結(jié)構(gòu)耐久性的影響

3.1軌枕處在露天環(huán)境中,由于混凝土致密,水、氣不會(huì)滲入內(nèi)部,但當(dāng)裂縫開(kāi)展到一定寬度,且裂縫深度到達(dá)保護(hù)層時(shí),水、氣就會(huì)沿著裂縫逐步滲透到達(dá)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(nèi)部引起內(nèi)應(yīng)力,導(dǎo)致混凝土進(jìn)一步開(kāi)裂,并使預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕,其腐蝕速度(程度)與鋼筋所處環(huán)境的堿度(pH值)有關(guān),pH值越高,越能保護(hù)鋼筋不被腐蝕。當(dāng)結(jié)構(gòu)混凝土有裂縫時(shí),水進(jìn)入到鋼筋引起氧化,鋼筋銹蝕,氣進(jìn)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(dāng)有C1-和SO42-離子存在時(shí)會(huì)加劇。

3.2研究表明,結(jié)構(gòu)混凝土的裂縫只有達(dá)到一定寬度時(shí),水、氣才能滲入,引起鋼筋腐蝕。國(guó)內(nèi)外規(guī)范規(guī)定,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫允許寬度為0.1~0.3mm(視不同介質(zhì)環(huán)境),預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)甚至不允許出現(xiàn)裂縫,其目的都是為了保證鋼筋不銹蝕。但從國(guó)內(nèi)外作的多次調(diào)查和試驗(yàn),又證明裂縫寬度與鋼筋銹蝕沒(méi)有直接關(guān)系。

軌枕雖然也處于露天環(huán)境,但底部有30cm厚的道渣墊層,不會(huì)浸泡在水中。根據(jù)調(diào)查分析,表面寬度不超過(guò)lmm的裂縫,深度一般也達(dá)不到鋼筋位置。這種裂縫對(duì)其結(jié)構(gòu)性能是不會(huì)有影響的。

3.3調(diào)查研究還表明,縱向裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的影響一般要比橫向裂縫嚴(yán)重。因鋼筋混凝土構(gòu)件的縱向裂縫引起的鋼筋銹蝕會(huì)使保護(hù)層剝落,龜裂擴(kuò)展會(huì)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(tài)的軌枕11根,常態(tài)軌枕5根,逐根進(jìn)行軌下截面靜載抗裂強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果:①出現(xiàn)貫通裂縫的軌枕,大部分軌下截面的靜載抗裂強(qiáng)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(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度,與常態(tài)軌枕比較,一般無(wú)顯著差別。這說(shuō)明軌端部的縱裂和龜裂多是從表面開(kāi)始,還未發(fā)展到影響混凝土與鋼筋的握裹力。

從多次調(diào)查結(jié)果可看出,寬度和長(zhǎng)度都不大的裂縫對(duì)軌枕承載能力幾乎沒(méi)有影響。因此可以采用修補(bǔ)辦法將裂縫封閉,以提高結(jié)構(gòu)耐久性。中國(guó)鐵科院等單位研制的補(bǔ)縫膠、修補(bǔ)膠等用來(lái)修補(bǔ)裂縫軌枕,施工簡(jiǎn)單易行,造價(jià)低廉,對(duì)提高軌枕結(jié)構(gòu)耐久性,具有良好效果。

4關(guān)于混凝土軌枕失效標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識(shí)

鐵路工務(wù)規(guī)程中關(guān)于軌枕失效標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定為:①明顯折裂;②環(huán)裂裂縫寬度超過(guò)0.5mm;③承軌槽面壓潰,擋肩嚴(yán)重破損;④縱向裂縫寬度超過(guò)0.5mm,長(zhǎng)度超過(guò)全長(zhǎng)二分之一;⑤承軌槽間兩釘孔間裂縫寬度超過(guò)0.5mm,并延伸至軌枕端部或軌枕中部;⑥承軌槽裂紋交錯(cuò),嚴(yán)重掉塊露筋。筆者認(rèn)為以上規(guī)定是合適的。按規(guī)定,軌枕達(dá)到失效,就應(yīng)從線路上更換下來(lái),以保證行車(chē)安全。但根據(jù)以上各種調(diào)查、試驗(yàn)的研究分析,在行車(chē)密度增大,從線路上更換軌枕更加困難,而在混凝土補(bǔ)縫材料和補(bǔ)縫技術(shù)不斷發(fā)展的今天,僅是因?yàn)榱芽p而被認(rèn)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(shí)修補(bǔ)的方法,以避免裂縫發(fā)展和鋼筋銹蝕,保持結(jié)構(gòu)耐久性,延長(zhǎng)軌枕使用壽命,從而提高線路的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

5混凝土軌枕裂縫的預(yù)防和控制

5.1從力學(xué)角度,為防止橫向裂縫,除了根據(jù)可能出現(xiàn)的最大荷載,合理配置預(yù)應(yīng)力鋼筋外,還應(yīng)加強(qiáng)端部箍筋和道釘孔處螺旋筋的配置。此外,加強(qiáng)線路維修養(yǎng)護(hù),使軌枕處于良好支承狀態(tài)也是防止軌枕軌下和枕中出現(xiàn)橫向裂縫的重要條件。

箍筋和螺旋筋的設(shè)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(yù)應(yīng)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(yán)格將端部箍筋布置在離端頭30mm范圍內(nèi),并與預(yù)應(yīng)力鋼筋牢固綁扎在一起,從而發(fā)現(xiàn)對(duì)防止端部縱裂有很好效果。

5.2嚴(yán)格控制混凝土原材料

除了對(duì)水泥強(qiáng)度與安定性、集料的級(jí)配與含泥量等常規(guī)指標(biāo)嚴(yán)格控制外,還應(yīng)重點(diǎn)考慮堿集料反應(yīng)問(wèn)題。

中國(guó)天然河砂至今未發(fā)現(xiàn)有堿活性,但不少地區(qū)的粗集料卻有潛在堿活性,因此應(yīng)大力推廣應(yīng)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(yīng)注意控制最大水泥用量,以使軌枕混凝土的堿含量不超過(guò)安全限值(3kg/m3)。