岩土工程师专业辅导：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%，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。