軌枕制造過程中裂紋產生的原因及控制措施

張 亮

(中鐵物資太原軌枕有限公司，山西 太原 030041)

軌枕制造過程中裂紋產生的原因及控制措施

張 亮

(中鐵物資太原軌枕有限公司，山西 太原 030041)

介紹了預應力混凝土軌枕制造過程裂紋特點,并就軌枕制造過程裂紋產生的原因作了分析,從選用水泥品種、外加劑、摻加料、控制混凝土的澆筑、預應力鋼筋定長和放張等方面提出了控制裂紋產生的措施，以提高構件的抗裂性能和剛度。

預應力混凝土軌枕，裂紋，原因，控制措施

鋼筋混凝土是由膠凝材料、集料、外加劑和水等拌合而成的混凝土與鋼筋一起組成的具有一定抗壓強度的材料，廣泛應用于建筑施工中。為了避免鋼筋混凝土結構的裂縫過早出現，充分利用高強度鋼筋的抗拉性能及高強度混凝土的抗壓性能，設法在混凝土結構或構件承受使用荷載前，通過施加外力，使得構件產生的拉應力減小，甚至處于壓應力狀態下，預應力鋼筋混凝土應運而生，目的是依靠鋼筋預壓應力來減小或抵消荷載所引起的混凝土拉應力，從而將結構構件的拉應力控制在較小范圍，甚至處于受壓狀態,以推遲混凝土裂紋的出現和開展，從而提高構件的抗裂性能和剛度。

然而，不管是鋼筋混凝土還是預應力鋼筋混凝土，其本身都是由不同材料組合在一起的非勻質體，在實際生產和施工過程中都會產生這樣或那樣的缺陷，這些缺陷的原始起因則是裂紋。這種裂紋產生的機理在于混凝土所承受的拉應力超過了其本身的抗拉強度。具體可歸結為溫度和濕度變化、外荷載產生的變形過大和施工方法不當等原因，預應力混凝土裂紋產生除上述原因外，還與預應力鋼筋混凝土用鋼筋束中鋼筋長度的誤差、作為輔筋用箍筋的安放位置、預應力混凝土構件鋼筋放張(先張法)過程中張拉力與混凝土強度關系(兩者關系如控制不好則可能造成混凝土構件產生裂紋)有關。

預應力混凝土軌枕制造過程產生的裂紋主要表現為：沿預應力筋方向的縱裂、垂直預應力筋方向的橫裂或環裂、預留孔周邊的釘孔裂紋和軌枕端部沿下排鋼筋方向的底裂。

1 預應力混凝土軌枕生產過程中裂紋產生的原因

1.1 混凝土自身體積的變化引起裂紋

由于化學反應產生的化學收縮、自收縮；濕度引起的干濕變形；溫度變形等，都會因為混凝土的體積變化而形成裂紋，產生這種裂紋主要因素有水灰比、混凝土的凝結時間、相對濕度、溫度變化等。

1.2 模型剛度不足

預應力混凝土軌枕鋼模型，它既是軌枕成型的模具，又是鋼筋在預應力施工中的受力床，混凝土軌枕生產的主要工序都在鋼模型中完成，因此鋼模型不僅要求足夠的強度和剛度，而且要求耐濕熱介質的腐蝕和巨大壓應力的疲勞荷載，制造混凝土軌枕用模型在經過反復張拉、蒸養過程中，模型將產生變形，其形式包括上拱、下撓、扭曲，模型變形將直接影響到張拉鋼筋束中每根鋼筋的受力，在放張時混凝土端面鋼筋處將產生剪力，當混凝土端面剪力較大，混凝土強度偏低或鋼筋混凝土保護層偏小時將在預應力鋼筋處混凝土產生裂紋，同時在蒸養完畢進行脫模時，混凝土頂部與空氣直接接觸其冷卻速度將快于底板處混凝土、收縮也將快于底板，而此時埋設于軌枕中鋼絲未切割，預應力尚未施加，混凝土抵不住這種大的拉應力，從而導致了頂部裂紋的產生。

2 裂紋的防治

1)在強度允許的情況下選用水化熱比較低的水泥。

不同的水泥，其早期水化所放出的熱量不同。在混凝土設計強度允許的情況下，我們應盡可能選用水化熱較小的水泥。這樣就會減少混凝土內外的溫差，從而減少溫度梯度而形成的裂紋。

2)合理控制水泥和水的用量。

混凝土配合比設計時，在保證滿足混凝土強度、耐久性和混凝土具有良好工作性的情況下，應盡可能的降低混凝土的單位水泥和水用量。根據大量的試驗資料表明,每立方米混凝土中的水泥用量,每增(減)10 kg,其水化熱將使混凝土的溫度相應升(降)1 ℃。因此,為控制混凝土溫升,降低溫度應力,避免溫度裂紋，盡量減少水泥的用量。對高強混凝土用水泥還應控制其比表面積小于350 m2/kg。

3)骨料的質量控制。

首先是骨料粒形與粒徑級配的控制，我們應嚴格控制骨料中針片狀的含量，使其在標準要求的范圍內，如果針片狀含量過高、粒徑級配不合理都會造成骨料的空隙率加大，從而影響混凝土的密實性，最終導致混凝土裂紋的產生。再者在使用骨料前還應進行減集料反應試驗，防止混凝土后期因減集料反應而產生裂紋。

4)鋼筋質量控制。

首先，選擇強度高及松弛低的鋼筋，保證鋼筋張拉力值，減少應力損失；其二，螺旋、刻痕鋼筋的外形尺寸能滿足與混凝土的粘結力；其三，同組張拉的鋼筋束中每根鋼筋的長度誤差應嚴格控制在標準范圍內；其四，嚴禁鋼筋超張拉。

5)摻加磨細礦渣粉。

磨細礦渣粉具有潛在活性，在水泥熟料和石膏等激發作用下，其活性被激發，其水化硬化作用而產生強度，磨細礦渣粉比表面積(350 m2/kg～500 m2/kg)比水泥比表面積(300 m2/kg～350 m2/kg)大,因此在混凝土拌合物中磨細礦渣粉可以替代原來的填充水或孔隙，填充在水泥顆粒之間，改善混凝土內部孔結構，提高混凝土密實度。磨細礦渣粉不僅對水泥有填充作用，而且能夠減少混凝土用水量，摻加的磨細礦渣粉比表面積高低直接影響到其活性的發揮，同一品種的磨細礦渣粉比表面積不同，其活性指數是不同的，42.5普通水泥3 d抗壓指標不小于23 MPa以上時，混凝土強度隨磨細礦渣粉摻入量的增加而下降，3 d抗壓強度下降尤為明顯但劈裂抗拉強度有所提高。由于磨細礦渣粉的早期填充作用和后期的活性填充作用，從而大大降低了混凝土中水泥的水化熱，延緩了水化熱峰值出現的時間，可有效控制混凝土溫度裂紋和收縮裂紋。

6)摻加外加劑。

高強混凝土中摻加的外加劑主要是萘系高效減水劑和聚羧酸高性能減水劑,它對水泥顆粒有明顯的分散效應,并能使水的表面張力降低,這樣不僅能使混凝土的和易性有明顯的改善,而且可減少15%～25%左右的拌合水,節省水泥10%～20%，混凝土強度提高15%～30%，從而降低水化熱。在實踐中發現萘系高效減水劑和聚羧酸高性能減水劑與同一廠家生產的同品種不同批次水泥的適應性相差很大，如做水泥凈漿流動度試驗，其流動度最大相差40 mm，但隨著減水劑摻量增加其凈漿流動度也會加大，如果將凈漿流動度低的水泥存放20 d左右再試驗，其流動度明顯變大，這種現象提醒我們即使同一廠家生產的同品種水泥不同批次也要進行凈漿流動度試驗，以確保水泥與減水劑的適應性。

7)摻加鋼纖維。

鋼纖維混凝土較普通混凝土有較好的抗裂性、韌性、抗沖擊、抗疲勞性，適量摻加鋼纖維可提高混凝土抗拉強度，對控制軌枕裂紋具有積極作用，特別是軌枕鋪設之后將承受較大的沖擊荷載，其正好利用了鋼纖維混凝土的較好抗沖擊性和塑性。

8)控制混凝土的澆筑溫度。

混凝土從攪拌機出料后,經攪拌車或其他工具運輸、卸料、振搗等工序后的混凝土溫度稱為混凝土澆筑溫度。在有條件的情況下,混凝土的澆筑溫度越低,對于降低混凝土內外溫差越有利。根據實踐,混凝土澆筑溫度和模型表面溫度控制在小于30 ℃為宜,這就要求在常規施工情況下,應該合理選擇澆筑時間,完善澆筑工藝,加強對混凝土的養護。

9)嚴格控制混凝土的蒸汽養護。

蒸養預應力混凝土軌枕產生的裂紋,絕大多數為軌枕端部底面預應力鋼筋周邊裂紋,這些裂紋是各種綜合原因產生的，在施工中若能加強混凝土軌枕的保濕、保溫養護,對防止混凝土產生裂紋具有重大的作用。a.控制蒸汽養護池溫度、濕度以減小混凝土的內外溫差(根據對蒸養軌枕枕芯和表面溫度測試其內外溫差大于15 ℃)，防止出現表面裂紋;b.保證養護靜停時間2 h～3 h、升/降溫速率小于15 ℃/h(使水泥順利水化,防止產生過大的溫度應力)和恒溫小于60 ℃，預應力混凝土軌枕脫模時應與外界溫差小于15 ℃，同時加強脫模軌枕的保溫(主要是冬季)和保濕工作。

10)加強混凝土的澆灌振搗，提高密實度。

預應力混凝土結構在預應力作用下，持續地產生徐變，同時結構暴露在大氣中，混凝土不斷收縮，這兩項變形同時存在互相影響，收縮使預應力混凝土結構產生收縮應力，這種收縮應力使混凝土產生徐變，預應力混凝土收縮和徐變很難分開，收縮和徐變與作用在混凝土上的預壓力成正比，和施加預壓力時混凝土強度成反比。因此施工中要嚴格控制骨料級配，加強骨料含水率測定(保證施工混凝土的水灰比穩定)，保證混凝土攪拌時間，定期對混凝土振動臺臺面的平整度、頻率、振幅、激振力進行測定，確保混凝土密實度、強度及鋼筋混凝土保護層的厚度。

11)模型和工裝控制。

鋼筋張拉到控制應力后，鋼筋張拉力便由錨固板承受，張拉力同時傳遞到模型，鋼筋錨固板、模型因受力而變形，此時鋼筋在錨固板內將產生微小的滑動，加之模型變形引起的鋼筋束應力不均，其結果使單根預應力鋼筋應力不均，造成放張時混凝土軌枕端面所受預應力壓力不均，鋼筋間產生剪力，當混凝土強度不足以抵抗此剪應力時混凝土軌枕端面將產生裂紋，這要求施工中應嚴格控制張拉用錨固板沉孔尺寸(錨固板經多次使用由于其沉孔與鋼筋的摩擦而將沉孔尺寸變大)和同組鋼筋束中每根鋼筋墩頭直徑和高度，且對模型定期和不定期校正，保證在用模型、工裝尺寸、軌枕混凝土鋼筋位置和軌枕厚度符合標準要求。

3 結語

微細裂紋在預應力混凝土軌枕制造過程中是一種偶發現象，但是裂紋的出現不僅會影響到結構的整體性和剛度，還會引起鋼筋的銹蝕，加速混凝土的碳化，降低混凝土的使用耐久性、抗疲勞和抗滲能力，給鐵路工程帶來極大的損害。因此在軌枕制造過程中應嚴格控制原材料、施工工藝和工裝配件，以杜絕裂紋的出現。

Cracking causes and control measures in sleeper manufacture process

ZHANG Liang

(TaiyuanSleeperCo.,Ltd,ChinaRailwayMaterials,Taiyuan030041,China)

The paper introduces prestressed concrete sleeper manufacture cracking features, analyzes cracks producing causes in sleeper manufacture process, and puts forward cracks controlling measures from aspects of cement selection, admixture, concrete grouting, prestressed steel length and tension and so on, with a view to improve structure cracks resisting performance and rigidity.

prestressed concrete sleeper, cracks, causes, control measure

1009-6825(2014)28-0142-02

2014-07-30

張 亮(1963- )，男，工程師

U213.3

A