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。

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400rnm，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)生如圖1、圖2所示的裂縫。此外當(dāng)預(yù)加應(yīng)力偏大而脫模時(shí)混凝土強(qiáng)度又不足時(shí)，軌枕端部就會(huì)產(chǎn)生如圖 5、圖6所示的縱向裂縫；列車運(yùn)行時(shí)對(duì)鋼軌的水平和縱向作用力和螺旋道釘引起的上拔力又會(huì)使軌枕螺栓道釘孔周圍產(chǎn)生如圖3、圖4所示的縱向裂縫和橫向裂縫。

由于預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕橫向裂縫（軌下正彎矩和枕中正、負(fù)彎矩）在計(jì)算和試驗(yàn)方面均已有諸多研究，而縱向裂縫的計(jì)算及試驗(yàn)卻很少涉及。在此，僅對(duì)端部縱向裂縫（或稱水平裂縫）作一分析：

根據(jù)清華大學(xué)研究，先張法高強(qiáng)鋼絲預(yù)應(yīng)力混凝土梁，當(dāng)預(yù)應(yīng)力值較高時(shí)，沿梁高離開(kāi)預(yù)應(yīng)力筋一段距離，靠近中和軸附近，在梁端面上出現(xiàn)拉應(yīng)力6Y，常引起端頭裂縫，如圖8所示。

通過(guò)20余根梁的模擬試驗(yàn)，建立了端面最大拉應(yīng)力計(jì)算公式：6Ymax＝k6 o

式中：6 o一梁端橫截面上平均壓應(yīng)力：6 o＝N／A （A為梁端橫截面積，N為混凝土預(yù)壓力）；

k一應(yīng)力系數(shù)，其變化規(guī)律可近似表達(dá)為：

k＝1／{18（e／h）2十0.25}

式中：e一集中力距底邊的距離；h一為端部梁高；

裂縫發(fā)生的位置C（裂縫與梁底面的距離）：√eh

梁的抗裂性驗(yàn)算必須滿足下式要求：6Ymax≤rf t

式中：f t一混凝土的抗拉強(qiáng)度；

r一塑性系數(shù)（一般取1.7）

將以上研究結(jié)果用來(lái)驗(yàn)算預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的端部拉應(yīng)力，得出表l.

由表1可見(jiàn)，預(yù)應(yīng)力引起的軌枕端面最大水平拉應(yīng)力6Ymax約為混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度的75~90％，并為考慮塑性變形后的混凝土抗拉強(qiáng)度的50％，僅此單一因素，軌枕單面是不會(huì)產(chǎn)生縱向裂縫的。但當(dāng)混凝土放張強(qiáng)度不足、溫差、干縮、堿集料反應(yīng)等因素附加作用時(shí)，則易造成6Ymax≤ft （物理化學(xué)作用時(shí)塑性變形不起作用），從而引起縱向裂縫。此外，螺旋道釘上拔力較大時(shí)，與預(yù)加應(yīng)力疊加，則容易造成釘孔縱裂。

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。

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。其中最為普遍的堿-硅酸反應(yīng)，方程式為：

SiO 2十2ROH十nH 20→R 2Sio 3（n十1）H 20（R為Na或K）

由于中國(guó)生產(chǎn)的水泥長(zhǎng)期對(duì)堿含量不作限制。采用高堿水泥可提高水泥產(chǎn)量，降低成本。而中國(guó)有一些地區(qū)的混凝土粗集料（石子）具有明顯的堿活性，二者結(jié)合在一起，容易形成堿集料反應(yīng)（AAR）破壞。這個(gè)問(wèn)題是從六十年代末期開(kāi)始，某工廠生產(chǎn)的預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕（以及橋梁）屢屢發(fā)生縱裂和龜裂，而又從結(jié)構(gòu)、工藝、鋪設(shè)養(yǎng)護(hù)條件進(jìn)行改進(jìn)還依然有縱裂、龜裂出現(xiàn)，直至八十年代末期，才開(kāi)始認(rèn)識(shí)并通過(guò)試驗(yàn)予以證實(shí)的。檢驗(yàn)過(guò)程是：先從軌枕混凝土中取芯樣，檢驗(yàn)項(xiàng)目包括：①肉眼或用立體顯微鏡觀察，再用偏反光顯微鏡觀察光薄片，一般AAR造成的破壞常會(huì)損傷集料顆粒，裂縫多從集料延伸至漿體，有時(shí)還能明顯觀察到集料顆料裂開(kāi)，或邊緣被撕裂。這一特征十分重要，因鹽腐蝕、化學(xué)腐蝕、鋼筋銹蝕、碳酸化、機(jī)械荷載等不會(huì)使集料顆粒受到損傷，因此這是AAR與其他破壞因素的主要特征；②依靠電子顯微鏡加上能譜分析可以測(cè)得堿硅酸鹽凝膠的化學(xué)成分，這是發(fā)生AAR的直接證明。另外，將混凝土的集料用機(jī)械方法和化學(xué)方法（一般是鹽酸溶液處理）分離出來(lái)，再用快速法和巖相法鑒定其堿活性，如對(duì)上海站所用寬軌枕以及濱綏線軌枕鑒定其堿活性，用壓蒸快速法測(cè)得部分活性集料的膨脹值如表 2.

從表2中可看出，砂不具有堿活性，而粗集料中活性較大者膨脹率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)0.1％，接近于0.4％，然后采用綜合判定，可證實(shí)AAR破壞的可信程度。

鐵科院曾對(duì)中國(guó)華東、華南、華中、華北、西南、西北、東北各地區(qū)的15家軌枕廠現(xiàn)行使用的粗集料進(jìn)行堿活性檢驗(yàn)，先用巖相法評(píng)定出可疑集料，采用壓蒸快速法鑒定有10家廠的集料有潛在活性，以后再采用普通砂漿棒法和混凝土柱法，匯總后最終評(píng)定為5家。

粗集料有堿活性，分別分布在華北、華中、西南、西北地區(qū)。由此可見(jiàn)，AAR引起的軌枕龜裂，縱裂問(wèn)題不容忽視。

綜上所述，縱向裂縫主要由內(nèi)因（材料、結(jié)構(gòu)、工藝因素）所致，外因（荷載及凍融、干濕循環(huán)）僅是促其發(fā)展，橫向裂縫則是內(nèi)因（預(yù)應(yīng)力配筋，斷面及混凝土強(qiáng)度）與外因（荷載及軌枕支承條件）綜合作用所致。

 裂縫對(duì)混凝土軌枕結(jié)構(gòu)耐久性的影響

（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。

（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。

中國(guó)建工四局科研所等八單位曾調(diào)查華南、華東、西南、西北的48項(xiàng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程，裂縫寬度為0.13，1，2，4，9mm，有的達(dá)規(guī)范規(guī)定的30倍之多。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除在氯化物含量較高環(huán)境中，鋼筋有較大銹蝕外，其余均末發(fā)生銹蝕，日本為探索預(yù)應(yīng)力混凝土接觸網(wǎng)支柱產(chǎn)生裂縫后的耐久性問(wèn)題，曾將已有裂縫的支柱自然置于冬（— 10 ~ —18℃）夏（16~36℃）的環(huán)境中進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)二十余年的反復(fù)凍融試驗(yàn)，從長(zhǎng)期的觀測(cè)總結(jié)中，可看出裂縫寬度沒(méi)有擴(kuò)展，混凝土的碳酸化也是輕微的，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部鋼筋銹蝕。

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）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)。從表3 的試驗(yàn)結(jié)果可看出：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。

另?yè)?jù)八十年代昆明鐵路局的調(diào)查，螺旋道釘孔頂面縱裂寬度不超過(guò)lmm的軌枕使用十年，通過(guò)總重2.6噸，大都仍能保持軌距。剖開(kāi)縱裂軌枕，內(nèi)部鋼筋一般均末銹蝕，但沿釘孔縱裂寬度達(dá)3mm以上，裂縫長(zhǎng)度從釘孔延伸至兩端變截面時(shí)，將對(duì)軌距保持能力造成影響。

從多次調(diào)查及表3試驗(yàn)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 混凝土軌枕裂縫的預(yù)防和控制

軌枕作為一種預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，要想完全杜絕裂縫是很難做到的。但裂縫畢竟是有害的。為此，應(yīng)當(dāng)竭盡全力來(lái)防止裂縫的出現(xiàn)。

預(yù)防和控制裂縫，可以從三方面入手：

（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。

（2）加強(qiáng)生產(chǎn)管理，嚴(yán)格操作工藝

九十年代以后，中國(guó)混凝土軌枕工廠的上級(jí)管理部門對(duì)工藝操作提出按《技術(shù)條件》和《檢查細(xì)則》嚴(yán)格要求，如嚴(yán)格混凝土配合比，確保振動(dòng)密實(shí)和混凝土強(qiáng)度 （包括放張強(qiáng)度），特別是蒸汽養(yǎng)護(hù)，要求預(yù)養(yǎng)時(shí)間≥2h，升溫速度≤20℃／h，恒溫速度≤60℃，脫模時(shí)軌枕表面與環(huán)境溫度之差≤20~40℃，有的工廠還在軌枕脫模存放的三天內(nèi)進(jìn)行澆水養(yǎng)護(hù)。這些措施對(duì)于減少軌枕裂縫，特別是龜裂及縱裂，將是十分有利的。

（3）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）o例如：當(dāng)水泥含堿量高達(dá)1％，軌枕混凝土的水泥用量為500kg／m3時(shí)，則混凝土的含堿量為500×1％＝5kg／m3.即使不摻減水劑，亦已大大超過(guò)3kg／m3的安全限值；當(dāng)水泥含堿量為0.6％時(shí)，減水劑含堿量為5％，摻量為1％時(shí)，則混凝土含堿量為500×0.6％十500×1％×5％＝3.25kg／m3＞3kg／m3（安全限值），因此，這時(shí)混凝土的最大水泥用量就降為460kg／m3，因?yàn)?60×0.6％十460×1％×5％＝2.99kg／m3≈3kg／m3（安全限值），而不是通常技術(shù)條件中規(guī)定的500kg／m3.廣西金固建筑科技有限責(zé)任加固公司責(zé)任編輯:http://www.hzymjy.com/