混凝土軌枕裂縫及傷損的主要形態

毛一凡

（大同煤礦集團有限責任公司煤炭運銷總公司，山西 大同 037000）

預應力混凝土軌枕在使用以來，經常會發生損傷，涉及到行車安全，從而考慮傷損軌枕是否應從運營線路上換下。但要換上新的軌枕，除要重新制造外，還要裝卸，運輸并到線路上進行換枕工作，·不僅需耗費大量人力物力，有時還會影響行車，其耗費往往是一根軌枕本身造價的四到五倍。在使用三十余年來，拆換下的傷損軌枕，除了一部分是由于行車、裝卸事故等造成的機械性破損外，絕大部分則是由于產生各種各樣的裂縫，擔心其影響軌枕承載能力而被拆換的。

軌枕作為一種預應力混凝土結構，裂縫是難避免的，因此研究預應力混凝土軌枕裂縫的成因及其危害性，研究如何預防和控制裂縫，對提高混凝土軌枕的結構耐久性，延長軌枕的使用壽命，將十分重要。

1 混凝土軌枕裂縫的類型及表現

1.1 混凝土枕裂縫的類型

軌下垂直橫向裂縫 (軌下正彎矩裂縫)。這種裂縫出現在軌枕兩側下部，一般情況下，裂縫較小，寬度在0.1mm以下，長度未超過中和軸。

枕中垂直(橫向)裂縫(枕中正彎矩和負彎矩裂縫)。這種裂縫的寬度及長度均比軌下裂縫嚴重，有的枕中正負彎矩裂縫連在一起形成環向裂縫，個別軌枕有多道環向裂縫。

軌枕頂面螺栓孔縱向裂縫。這種裂縫通常從螺栓孔處為起點逐漸向軌枕中部和端部延伸，有的一直裂到端部，造成劈裂，嚴重者裂縫寬達3～5mm。軌枕頂面沿螺栓孔縱裂是預應力混凝土軌枕最為普遍存在的裂縫，不僅運營數年的軌枕有，存在路邊備用的軌枕有，甚至未出廠的軌枕也有；不僅國內軌枕有，就連國外的軌枕也有。

軌枕頂面螺栓孔處橫裂 (平行于鋼軌方向)。69型軌枕和Ⅱ型枕都有這種裂縫出現。從調查結果看，大多數橫裂方向與列車運行方向一致，即出現于復線鐵路的單向運行區段。

軌枕端部縱向裂縫。這種縱向裂縫有的出現在軌枕端部頂面和底面，也有的出現在端部兩側，大致與鋼筋(鋼絲)平行。

軌枕中部縱向裂縫。這種縱向裂縫發生在軌枕中部的頂面和側面，平行于鋼筋方向，裂縫長度可達30～110mm，裂縫寬度約0.5～3mm，最大可達5mm。

龜裂。軌枕端部、中部的頂面或側面出現縱橫交錯、不規則的網狀裂縫。

1.2 裂縫的表現

預應力混凝土軌枕產生裂縫較難避免。包括沿螺栓孔縱裂在內的各類型縱向裂縫起初長度和寬度都很小。隨著時間推移，不論是運營線路上的軌枕還是未鋪設的備用軌枕，裂縫均存在不斷發展的趨勢，裂縫寬度從0.5mm-5mm不等，長度一直縱裂至兩端，直至貫通，造成劈裂。雖不同型號軌枕產生裂縫情況沒有明顯區別，但不同廠家，不同時間生產的軌枕，包括在同一線路區段的不同廠家軌枕縱裂縫的表現卻有明顯區別。

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構、工藝、材料等方面探討，也可從設計、制造、鋪設、使用等方面研究。在此，僅從物理、化學、力學的角度進行分析。

2.1 力學因素

混凝土軌枕所受彎矩的大小不僅與枕上動壓力有關，而且與枕下道碴支承狀態有關。原先設計規定鋪設和養護時應使軌枕中間部分掏空400rnm，掏空部分道碴頂面應低于枕底30mm，避免負彎矩過大而產生枕中上部橫裂。近年來要求中間不掏空，即中間應墊滿浮碴。設計時假設中間部分的支承反力應為軌下部分的3/4(掏空時為0)。與一般的預應力混凝土制品不同的是軌枕的支承狀態隨著列車的運行及養護維修條件而不斷變化，一旦當支承狀態與枕上垂直動壓力力聯合作用引起的彎矩超過設計限值時，則軌枕的相應部分就會產生裂縫。此外當預加應力偏大而脫模時混凝土強度又不足時，軌枕端部就會產生縱向裂縫；列車運行時對鋼軌的水平和縱向作用力和螺旋道釘引起的上拔力又會使軌枕螺栓道釘孔周圍產生縱向裂縫和橫向裂縫。

2.2 物理因素

物理因素系指軌枕制造和鋪設、運營過程中受冷熱、干濕、凍融等的作用。當蒸汽養護過程中升溫很快，恒溫溫度很高時，由于混凝土中氣、水、水泥、砂石等不同材料熱膨脹系數不同，而混凝土初期結構強度又很低時，高溫使氣、水大大膨脹，造成混凝土內部結構缺陷，容易引起軌枕表面特別是端頭表面的混凝土龜裂，疏松。

有一段時間，不少工廠軌枕生產中蒸汽養護沒有預養時間，升溫很快，恒溫溫度高于95℃，脫模時軌枕端部混凝土腫脹、疏松情況常有發生。而且放張時混凝土強度很多低于35N/mm2(70%fcu)，造成混凝土軌枕縱裂、龜裂現象較多。

當出廠時僅有細微裂縫或僅有隱性微裂(肉眼看不見)的軌枕，在運營過程中，受到振動、沖擊、疲勞荷載的作用，以及外界環境不斷變化著的干濕循環，凍融循環作用，也會使裂縫的寬度和長度發展。

2.3 化學因素

化學因素指鋼筋銹蝕、混凝土腐蝕、碳酸化、堿集料反應等。對中國混凝土軌枕而言，其中堿集料反應(AAR)引起的破壞不容忽視。堿集料反應的三個條件是：活性集料、高堿水泥和水，其破壞機理是以上三種物質進行化學反應，在混凝土內集料與水泥石的界面上生成硅酸鹽凝膠，體積膨脹，引起混凝土開裂。其中最為普遍的堿-硅酸反應，方程式為：SiO2+2ROH+nH2O→R2Sio3(n+1)H2O(R為Na或K)

由于中國生產的水泥長期對堿含量不作限制。采用高堿水泥可提高水泥產量，降低成本。而中國有一些地區的混凝土粗集料(石子)具有明顯的堿活性，二者結合在一起，容易形成堿集料反應(AAR)破壞。這個問題是從六十年代末期開始，某工廠生產的預應力混凝土軌枕(以及橋梁)屢屢發生縱裂和龜裂，而又從結構、工藝、鋪設養護條件進行改進還依然有縱裂、龜裂出現，直至八十年代末期，才開始認識并通過試驗予以證實的。檢驗過程是：先從軌枕混凝土中取芯樣，檢驗項目包括：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造成的破壞常會損傷集料顆粒，裂縫多從集料延伸至漿體，有時還能明顯觀察到集料顆料裂開，或邊緣被撕裂。這一特征十分重要，因鹽腐蝕、化學腐蝕、鋼筋銹蝕、碳酸化、機械荷載等不會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得堿硅酸鹽凝膠的化學成分，這是發生AAR的直接證明。另外，將混凝土的集料用機械方法和化學方法 (一般是鹽酸溶液處理)分離出來，再用快速法和巖相法鑒定其堿活性，綜上所述，縱向裂縫主要由內因(材料、結構、工藝因素)所致，外因(荷載及凍融、干濕循環)僅是促其發展，橫向裂縫則是內因(預應力配筋，斷面及混凝土強度)與外因(荷載及軌枕支承條件)綜合作用所致。

3 裂縫對混凝土軌枕結構耐久性的影響軌枕處在露天環境中，由于混凝土致密，水、氣不會滲入內部，但當裂縫開展到一定寬度，且裂縫深度到達保護層時，水、氣就會沿著裂縫逐步滲透到達鋼筋，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，在混凝土內部引起內應力，導致混凝土進一步開裂，并使預應力鋼筋與混凝土的握裹力降低，從而影響軌枕的承載能力。

研究表明，結構混凝土的裂縫只有達到一定寬度時，水、氣才能滲入，引起鋼筋腐蝕。國內外規范規定，鋼筋混凝土結構的裂縫允許寬度為 0.1～0.3mm(視不同介質環境)，預應力混凝土結構甚至不允許出現裂縫，其目的都是為了保證鋼筋不銹蝕。但從國內外作的多次調查和試驗，又證明裂縫寬度與鋼筋銹蝕沒有直接關系。

調查研究還表明，縱向裂縫對結構耐久性的影響一般要比橫向裂縫嚴重。因鋼筋混凝土構件的縱向裂縫引起的鋼筋銹蝕會使保護層剝落，龜裂擴展會引起混凝土疏松、掉塊。 寬度和長度都不大的裂縫對軌枕承載能力幾乎沒有影響。因此可以采用修補辦法將裂縫封閉，以提高結構耐久性。中國鐵科院等單位研制的補縫膠、修補膠等用來修補裂縫軌枕，施工簡單易行，造價低廉，對提高軌枕結構耐久性，具有良好效果.

4 其他混凝土軌枕傷損的主要形態

4.1 軌下截面壓潰

軌枕軌下部分由于橡膠墊板損壞或串出，使鋼軌直接作用于承軌槽，引起軌下部分混凝土壓潰。有些軌枕由于軌下截面橫向裂縫過大，混凝土受壓區產生過大的壓應力使混凝土壓潰。

4.2 軌枕中間部分壓潰

軌枕中間部分由于受了過大的正彎矩，不僅使軌枕中間部分的下部產生過大的裂縫，而且還引起截面受壓區的過大壓應力，致使混凝土壓潰，這種情況一般發生在鋼軌接頭。有些軌枕由于中間部分承受了過大的負彎矩，不但引起中間部分的上部裂縫，而且還使中間截面下部受到過大的壓應力以致壓潰，甚至出現鋼筋外露。

4.3 軌枕的龜裂

龜裂是軌枕表面縱橫交錯的細小裂紋，一般多發生在軌枕端部及中部頂面和側面處。龜裂對軌枕的使用壽命影響也很大。

4.4 軌枕中間部分斜裂及扭傷 軌枕中間部分斜裂扭傷是指沿對角方向的破損。線路維修工作中的搗固作業，因在軌枕兩側進行對角搗固，過車時容易使軌枕中間部分產生斜裂或扭傷。據調查統計，因線路維修養護不當使軌枕中部扭斷、折斷的軌枕在傷損軌枕總數中占有一定的比例。

4.5 軌枕擋肩破損

軌枕擋肩承受由扣件傳來的水平推力而產生破損，特別在小半徑曲線上這種現象十 分普遍，有的采用加寬鐵座仍不能解決問題，據統計，在半徑為400m的曲線上，擋肩破損高達70%。另外，由于墊片損壞或在軌枕制造過程中擋肩部分的缺陷也可能造成擋肩破損。

4.6 軌枕的腐蝕 在長期放水地段和車輛裝載有害介質散 落在軌枕上，都會造成軌枕的腐蝕，輕者混凝上表面出現麻點、脫層等現象，重者鋼筋銹 蝕，并逐漸向里延伸。

4.7 軌枕底邊掉塊

手工搗固沖擊軌枕底邊使混凝土掉塊，嚴重時掉塊面積可多達100cm2，其結果是軌枕受力狀況惡化，容易出現應力集中而造成其他各種傷損，并且削弱了軌道的穩定性。5混凝土軌枕裂縫和傷損的預防和控制軌枕作為一種預應力混凝土結構，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，應當竭盡全力來防止裂縫的出現。

預防和控制裂縫裂縫和傷損，可以從三方面入手：

從力學角度，為防止橫向裂縫，除了根據可能出現的最大荷載，合理配置預應力鋼筋外，還應加強端部箍筋和道釘孔處螺旋筋的配置。此外，加強線路維修養護，使軌枕處于良好支承狀態也是防止軌枕軌下和枕中出現橫向裂縫的重要條件。

加強生產管理，嚴格操作工藝。九十年代以后，中國混凝土軌枕工廠的上級管理部門對工藝操作提出按《技術條件》和《檢查細則》嚴格要求，如嚴格混凝土配合比，確保振動密實和混凝土強度(包括放張強度)，特別是蒸汽養護，要求預養時間≥2h，升溫速度≤20℃/h，恒溫速度≤60℃，脫模時軌枕表面與環境溫度之差≤20～40℃，有的工廠還在軌枕脫模存放的三天內進行澆水養護。這些措施對于減少軌枕裂縫，特別是龜裂及縱裂，將是十分有利的。

嚴格控制混凝土原材料。除了對水泥強度與安定性、集料的級配與含泥量等常規指 標嚴格控制外，還應重點考慮堿集料反應問題。

[1]陸慶.對混凝土軌枕裂縫質量問題的探討[J].民營科技,2009-12-20.