预应力钢筋混凝土轨枕裂缝分析及防控_张永忠

20114预应力钢筋混凝土轨枕裂缝分析及防控

张永忠

（太原铁路局大同工务段，山西大同037005）

［摘要］混凝土轨枕裂缝的生成在此仅从物理、化学、力学的角度进行分析；混凝土轨枕裂缝的预防和控制裂缝从力学角度、加强生产管理，严格操作工艺、严格控制混凝土原材料三方面着手。

［关键词］预应力钢筋混凝土轨枕；裂缝；分析；防控

预应力钢筋混凝土轨枕因其使用寿命长、稳定性能好，可提高轨道的强度和稳定性，能保证均匀的轨道几何尺寸和轨道弹性，平顺性好，可以满足铁路高速、重载的要求，并减少了线路的养护工作量。现在在我国铁路线路上已经得到广泛应用。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，延长轨枕的使用寿命，对提高铁路轨道的稳定性，将是十分重要的。

1混凝土轨枕裂缝的类型

1）轨下垂直横向裂缝。这种裂缝出现在轨枕两侧下部，一般情况下，裂缝较小，宽度在0.1mm以下，长度未超过中和轴。1981年对Ⅰ型轨枕调查表明，钢轨接头处的轨枕，其轨下垂直裂缝比例为60％；而钢轨大腰处的轨下垂直裂缝比例为29％。

2）枕中垂直裂缝。1981年调查的Ⅰ型轨枕，其中筋69型轨枕枕中正负弯矩裂缝分别为34％和11％。裂缝的宽度及长度均比轨下裂缝严重，有的枕中正负弯矩裂缝连在一起形成环向裂缝，个别轨枕有多道环向裂缝。1991年调查的Ⅱ型轨枕，枕中垂直裂缝约占调查裂缝轨枕的23.7％，其中钢轨接头处的轨枕，枕中垂直裂缝比率更高，占63％以上。

3）轨枕顶面螺栓孔纵向裂缝。这种裂缝通常从螺栓孔处为起点逐渐向轨枕中部和端部延伸，有的一直裂到端部，造成劈裂，严重者裂缝宽达3~5mm。1975年及1981年调查的Ⅰ型轨枕，沿螺栓孔纵裂的轨枕数量占调查轨枕总数的比例最大为48％。1991年调查的Ⅱ型轨枕伤损率为9.6％，顶面沿螺栓孔纵裂占全部伤损轨枕的33.8％。总之，轨枕顶面沿螺栓孔纵裂是预应力混凝土轨枕最为普遍存在的裂缝。尤其是Ⅱ型轨枕大量铺设后，过早的出现各种裂缝伤损，以致失效的情况也有发生。

4）轨枕顶面螺栓孔处横裂。Ⅰ型轨枕和Ⅱ型轨枕都有这种裂缝出现。从调查结果看，大多数横裂方向与列车运行方向一致，即出现于复线铁路的单向运行区段。

5）轨枕端部纵向裂缝。这种纵向裂缝有的出现在轨枕端部顶面和底面，也有的出现在端部两侧，大致与钢筋（钢丝）平行。

6）轨枕中部纵向裂缝。这种纵向裂缝发生在轨枕中部的顶面和侧面，平行于钢筋方向，裂缝长度可达30~110mm，裂缝宽度约0.5~3mm，最大可达5mm。

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。

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。

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。原先设计铺设和养护时轨枕中间部分掏空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。随着Ⅱ型轨枕的大量使用，要求中间应垫满浮碴。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环形裂缝。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纵向裂缝和横向裂缝。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）物理因素。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。

3）化学因素。指钢筋锈蚀、混凝土腐蚀、碳酸化、碱集料反应等。对混凝土轨枕而言，其中碱集料反应引起的破坏不容忽视。一些地区的混凝土粗集料具有明显的碱活性，二者结合在一起，容易形成碱集料反应破坏。

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。

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，应当尽量来防止裂缝的出现。预防和控制裂缝，可以从三方面入手：

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。

2）加强生产管理，严格操作工艺。九十年代以后，中国混凝土轨枕工厂的上级管理部门对工艺操作提出按《技术条件》和《检查细则》严格要求，如严格混凝土配合比，确保振动密实和混凝土强度，特别是蒸汽养护，要求预养时间≥2h，升温速度≤20℃/h，恒温速度≤60℃，脱模时轨枕表面与环境温度之差≤20~40℃，有的工厂还在轨枕脱模存放的三天内进行浇水养护。这些措施对于减少轨枕裂缝，特别是龟裂及纵裂，将是十分有利的。

3）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）。

总之，通过以上三方面对混凝土轨枕裂缝的预防和控制措施，并且结合即时修补的方法，以避免裂缝发展。虽然可以延长混凝土轨枕的使用寿命，但远远满足不了目前铁路高速重载的发展需要，为了强化轨道结构，保持线路稳定，应该逐步推广使用新型的Ⅲ型轨枕，从而提高线路的综合技术经济效益。

［参考文献］

［１］黄柒怀．混凝土轨枕的伤损及防治意见．铁道标准设计．

［２］陈跃源．铁路轨道．北京：中国铁道出版．

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