巖土工程師:預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的裂縫及結(jié)構(gòu)耐久性2

　　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(jié)構(gòu)、工藝、材料等方面探討，也可從設(shè)計、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。

　　2.1 力學(xué)因素

　　混凝土軌枕所受彎矩的大小不僅與枕上動壓力有關(guān)，而且與枕下道碴支承狀態(tài)有關(guān)。原先設(shè)計規(guī)定鋪設(shè)和養(yǎng)護(hù)時應(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)彎矩過大而產(chǎn)生枕中上部橫裂。近年來要求中間不掏空，即中間應(yīng)墊滿浮碴。設(shè)計時假設(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)與枕上垂直動壓力力聯(lián)合作用引起的彎矩超過設(shè)計限值時，則軌枕的相應(yīng)部分就會產(chǎn)生如圖1、圖2所示的裂縫。此外當(dāng)預(yù)加應(yīng)力偏大而脫模時混凝土強(qiáng)度又不足時，軌枕端部就會產(chǎn)生如圖 5、圖6所示的縱向裂縫;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(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)在計算和試驗方面均已有諸多研究，而縱向裂縫的計算及試驗卻很少涉及。在此，僅對端部縱向裂縫(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，沿梁高離開預(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20余根梁的模擬試驗，建立了端面最大拉應(yīng)力計算公式：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)果用來驗算預(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，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，則易造成6Ymax≤ft (物理化學(xué)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(yù)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(dāng)蒸汽養(yǎng)護(hù)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(qiáng)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(hù)沒有預(yù)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(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)出廠時僅有細(xì)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(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(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(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，才開始認(rèn)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(xué)腐蝕、鋼筋銹蝕、碳酸化、機(jī)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(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，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.

　　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0.1%，接近于0.4%，然后采用綜合判定，可證實AAR破壞的可信程度。

　　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(jìn)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(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。

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