工程預應(yīng)力混凝土軌枕的裂縫及結(jié)構(gòu)耐久性(2)

　　預應(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)計抗拉強度的75~90%，并為考慮塑性變形后的混凝土抗拉強度的50%，僅此單一因素，軌枕單面是不會產(chǎn)生縱向裂縫的。但當混凝土放張強度不足、溫差、干縮、堿集料反應(yīng)等因素附加作用時，則易造成6Ymax≤ft (物理化學作用時塑性變形不起作用)，從而引起縱向裂縫。此外，螺旋道釘上拔力較大時，與預加應(yīng)力疊加，則容易造成釘孔縱裂。

　　2.2 物理因素

　　物理因素系指軌枕制造和鋪設(shè)、運營過程中受冷熱、干濕、凍融等的作用。當蒸汽養(yǎng)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(shù)不同，而混凝土初期結(jié)構(gòu)強度又很低時，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。

　　有一段時間，不少工廠軌枕生產(chǎn)中蒸汽養(yǎng)護沒有預養(yǎng)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(fā)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(xiàn)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(huán)境不斷變化著的干濕循環(huán)，凍融循環(huán)作用，也會使裂縫的寬度和長度發(fā)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(yīng)等。對中國混凝土軌枕而言，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(zhì)進行化學反應(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)

　　由于中國生產(chǎn)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(chǎn)量，降低成本。而中國有一些地區(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。這個問題是從六十年代末期開始，某工廠生產(chǎn)的預應(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)護條件進行改進還依然有縱裂、龜裂出現(xiàn)，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(fā)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，如對上海站所用寬軌枕以及濱綏線軌枕鑒定其堿活性，用壓蒸快速法測得部分活性集料的膨脹.

　　鐵科院曾對中國華東、華南、華中、華北、西南、西北、東北各地區(qū)的15家軌枕廠現(xiàn)行使用的粗集料進行堿活性檢驗，先用巖相法評定出可疑集料，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，AAR引起的軌枕龜裂，縱裂問題不容忽視。

　　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(預應(yīng)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(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、氣不會滲入內(nèi)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(nèi)部引起內(nèi)應(yīng)力，導致混凝土進一步開裂，并使預應(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，越能保護鋼筋不被腐蝕。當結(jié)構(gòu)混凝土有裂縫時，水進入到鋼筋引起氧化，鋼筋銹蝕，氣進入裂縫引起混凝土碳酸化，降低pH值，加深鋼筋腐蝕，而且這種腐蝕當有C1-和SO42-離子存在時會加劇。

　　(2)研究表明，結(jié)構(gòu)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(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。但從國內(nèi)外作的多次調(diào)查和試驗，又證明裂縫寬度與鋼筋銹蝕沒有直接關(guān)系。

　　中國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，日本為探索預應(yīng)力混凝土接觸網(wǎng)支柱產(chǎn)生裂縫后的耐久性問題，曾將已有裂縫的支柱自然置于冬(— 10 ~ —18℃)夏(16~36℃)的環(huán)境中進行長達二十余年的反復凍融試驗，從長期的觀測總結(jié)中，可看出裂縫寬度沒有擴展，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，不會浸泡在水中。根據(jù)調(diào)查分析，表面寬度不超過lmm的裂縫，深度一般也達不到鋼筋位置。這種裂縫對其結(jié)構(gòu)性能是不會有影響的。

　　(3)調(diào)查研究還表明，縱向裂縫對結(jié)構(gòu)耐久性的影響一般要比橫向裂縫嚴重。因鋼筋混凝土構(gòu)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。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，逐根進行軌下截面靜載抗裂強度和疲勞強度試驗。從表3 的試驗結(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，靜載抗裂強度及疲勞強度，與常態(tài)軌枕比較，一般無顯著差別。這說明軌端部的縱裂和龜裂多是從表面開始，還未發(fā)展到影響混凝土與鋼筋的握裹力。

　　另據(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lmm的軌枕使用十年，通過總重2.6噸，大都仍能保持軌距。剖開縱裂軌枕，內(nèi)部鋼筋一般均末銹蝕，但沿釘孔縱裂寬度達3mm以上，裂縫長度從釘孔延伸至兩端變截面時，將對軌距保持能力造成影響。

　　從多次調(diào)查及表3試驗結(jié)果可看出，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)耐久性，具有良好效果。

　　4 混凝土軌枕裂縫的預防和控制

　　軌枕作為一種預應(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)當竭盡全力來防止裂縫的出現(xiàn)。

　　預防和控制裂縫，可以從三方面入手：

　　(1)從力學角度，為防止橫向裂縫，除了根據(jù)可能出現(xiàn)的最大荷載，合理配置預應(yīng)力鋼筋外，還應(yīng)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(yǎng)護，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。有的工廠嚴格將端部箍筋布置在離端頭30mm范圍內(nèi)，并與預應(yīng)力鋼筋牢固綁扎在一起，從而發(fā)現(xiàn)對防止端部縱裂有很好效果。

　　(2)加強生產(chǎn)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(shù)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(yǎng)護，要求預養(yǎng)時間≥2h，升溫速度≤20℃/h，恒溫速度≤60℃，脫模時軌枕表面與環(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)進行澆水養(yǎng)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。

　　(3)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(guī)指標嚴格控制外，還應(yīng)重點考慮堿集料反應(yīng)問題。

　　中國天然河砂至今未發(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安全限值(3kg/m3)o例如：當水泥含堿量高達1%，軌枕混凝土的水泥用量為500kg/m3時，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3kg/m3的安全限值;當水泥含堿量為0.6%時，減水劑含堿量為5%，摻量為1%時，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，這時混凝土的最大水泥用量就降為460kg/m3，因為460×0.6%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.

　　5 關(guān)于混凝土軌枕失效標準的認識

　　鐵路工務(wù)規(guī)程中關(guān)于軌枕失效標準，規(guī)定為：①明顯折裂;②環(huán)裂裂縫寬度超過0.5mm;③承軌槽面壓潰，擋肩嚴重破損;④縱向裂縫寬度超過0.5mm，長度超過全長二分之一;⑤承軌槽間兩釘孔間裂縫寬度超過0.5mm，并延伸至軌枕端部或軌枕中部;⑥承軌槽裂紋交錯，嚴重掉塊露筋。筆者認為以上規(guī)定是合適的。按規(guī)定，軌枕達到失效，就應(yīng)從線路上更換下來，以保證行車安全。但根據(jù)以上各種調(diào)查、試驗的研究分析，在行車密度增大，從線路上更換軌枕更加困難，而在混凝土補縫材料和補縫技術(shù)不斷發(fā)展的今天，僅是因為裂縫而被認為失效的軌枕，由于承載能力及其他使用性能并未降低，可以采用即時修補的方法，以避免裂縫發(fā)展和鋼筋銹蝕，保持結(jié)構(gòu)耐久性，延長軌枕使用壽命，從而提高線路的綜合技術(shù)經(jīng)濟效益。

更多內(nèi)容訪問>> 注冊土木工程師(巖土)考試頻道   注冊土木工程師(巖土)考試論壇  巖土工程師課程試聽

·2010年注冊土木工程師（巖土）考試輔導招生簡章
·巖土工程師輔導現(xiàn)在報名任意專業(yè)知識贈送專業(yè)知識習題班
·老師輔導每天24小時不限時間隨時反復學習……