預應力混凝土軌枕的裂縫及結構耐久性
摘要：本文綜述了從七十年代至九十年代對預應力混凝土軌枕裂縫的調查情況，從物理、力學、化學的角度分析了裂縫的成因。根據(jù)國內外文獻，并結合對預應力混凝土軌枕的調查和試驗研究結果，分析了裂縫對軌枕結構和耐久性的影響，提出了混凝土軌枕裂縫的防止與控制措施
關鍵詞：預應力 混凝土 軌枕 裂縫 堿集料反應 耐久性
0 引言
中國預應力混凝土軌枕從研究、生產到推廣應用，歷時四十年，產量逾億根，鋪設里程累計達七萬公里，與世界各國采用混凝土軌枕相比，數(shù)量上占有很大比例。使用三十余年來，混凝土軌枕發(fā)生了不少損傷，涉及到行車安全，從而經常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，除了少量是由于行車、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，將是十分重要的。
l 混凝土軌枕裂縫的類型及表現(xiàn)
1．1 混凝土枕裂縫的類型
1．1．1 軌下垂直橫向裂縫(軌下正彎矩裂縫)
這種裂縫出現(xiàn)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。1981年對筋69、弦69等軌枕調查結果表明，鋼軌接頭處的軌枕，其軌下垂直裂縫比例為60％；而鋼軌大腰處的軌下垂直裂縫比例，筋69和弦69分別為37％和20％。
1．1．2 枕中垂直(橫向)裂縫(枕中正彎矩和負彎矩裂縫)
1981年調查的69型軌枕(1971—1976年間生產)，筋69軌枕枕中正彎矩裂縫分別為34％和11％(不同區(qū)段)，弦69枕中裂縫分別為36％和13％(不同區(qū)段)。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(huán)向裂縫，個別軌枕有多道環(huán)向裂縫。 1991年調查的S—2(1986年生產)軌枕，枕中垂直裂縫約占調查裂縫軌枕的23．7％，其中鋼軌接頭處的軌枕，枕中垂直裂縫比率更高，占63％以上。
1．1．3 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。1975年及1981年調查的69型軌枕，沿螺栓孔縱裂的數(shù)量隨不同制造廠家和不同區(qū)段而有所不同。沿釘孔縱裂軌枕占調查軌枕總數(shù)的比例分別是0％、18％、20％、40％、48％等。1991年調查Ⅱ型軌枕共193889根，傷損軌枕有18682根，傷損率為9．6％，頂面沿螺栓孔縱裂占全部傷損軌枕的33．8％。總之，軌枕頂面沿螺栓孔縱裂是預應力混凝土軌枕*為普遍存在的裂縫，不僅運營數(shù)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。例如1975~1976年生產并鋪設于坦贊鐵路的預應力混凝土軌枕，1977年筆者在坦贊鐵路考察時發(fā)現(xiàn)沿頂面螺栓孔縱裂的預應力混凝土軌枕數(shù)量達20％。
1．1． 4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(xiàn)。從調查結果看，大多數(shù)橫裂方向與列車運行方向一致，即出現(xiàn)于復線鐵路的單向運行區(qū)段。
1．1．5 軌枕端部縱向裂縫
這種縱向裂縫有的出現(xiàn)在軌枕端部頂面和底面，也有的出現(xiàn)在端部兩側，大致與鋼筋(鋼絲)平行。
1．1．6 軌枕中部縱向裂縫
這種縱向裂縫發(fā)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，*大可達5mm。
1．1．7 龜裂
軌枕端部、中部的頂面或側面出現(xiàn)縱橫交錯、不規(guī)則的網(wǎng)狀裂縫。
1．2 裂縫的表現(xiàn)
(1)預應力混凝土軌枕產生裂縫較難避免。從七十、八十年代調查的69型軌枕和九十年代調查的Ⅱ型枕看，軌下及枕中的正負彎矩裂縫，沿螺栓孔等處出現(xiàn)的各種類型縱向裂縫均有發(fā)生，甚至坦贊鐵路的混凝土軌枕也有沿螺栓孔裂縫。
1975年筆者參加了對滬寧、京廣、東北各線的調查，被調查的軌枕共計51117根，縱裂軌枕總數(shù)為5450根，占10．6％。 1981年鐵道部曾組織對東北部分線路進行了分段調查，其縱裂、橫裂軌枕數(shù)量分別占調查區(qū)段軌構數(shù)量的11％、20％、37％、60％、83％不等。1991年鐵道部對20條干線的112km線路的193888根Ⅱ型軌枕進行調查，共發(fā)現(xiàn)裂縫軌枕18582根，損傷率為9．6％，其中軌枕頂面沿螺栓孔縱裂，頂面和側面縱裂、枕中頂面橫裂分別占裂縫軌枕總數(shù)的33．8％、15％、38．1％。
(2)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(fā)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。
(3)雖不同型號軌枕產生裂縫情況沒有明顯區(qū)別，但不同廠家，不同時間生產的軌枕，包括在同一線路區(qū)段的不同廠家軌枕縱裂縫的表現(xiàn)卻有明顯區(qū)別。例如有一J—l和S—2型軌枕混鋪地段，在同樣的鋪設條件，即線路的平、縱斷面，通過總重相同，J—1型枕雖比S—2型枕低一級，但傷損的根數(shù)，尤其是縱向裂縫卻少得多。但從總體來看，1968~1976年間生產的69型枕各類裂縫，特別是縱裂和龜裂的比例和程度要嚴重得多。
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(tài)有關。原先設計規(guī)定鋪設和養(yǎng)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(tài)隨著列車的運行及養(yǎng)護維修條件而不斷變化，一旦當支承狀態(tài)與枕上垂直動壓力力聯(lián)合作用引起的彎矩超過設計限值時，則軌枕的相應部分就會產生如圖1、圖2所示的裂縫。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生如圖3、圖4所示的縱向裂縫和橫向裂縫。
由于預應力混凝土軌枕橫向裂縫(軌下正彎矩和枕中正、負彎矩)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)清華大學研究，先張法高強鋼絲預應力混凝土梁，當預應力值較高時，沿梁高離開預應力筋一段距離，靠近中和軸附近，在梁端面上出現(xiàn)拉應力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*大拉應力計算公式：6Ymax＝k6 o
式中：6 o一梁端橫截面上平均壓應力：6 o＝N／A (A為梁端橫截面積，N為混凝土預壓力)；
k一應力系數(shù)，其變化規(guī)律可近似表達為：
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一混凝土的抗拉強度；
r一塑性系數(shù)(一般取1．7)
將以上研究結果用來驗算預應力混凝土軌枕的端部拉應力，得出表l。
由表1可見，預應力引起的軌枕端面*大水平拉應力6Ymax約為混凝土設計抗拉強度的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、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(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*為普遍的堿-硅酸反應，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(qū)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(fā)生縱裂和龜裂，而又從結構、工藝、鋪設養(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遠超過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*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，縱向裂縫主要由內因(材料、結構、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
(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。
需要指出的是，混凝土結構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，pH值越高，越能保護鋼筋不被腐蝕。當結構混凝土有裂縫時，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(guī)范規(guī)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(huán)境)，預應力混凝土結構甚至不允許出現(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。
中國建工四局科研所等八單位曾調查華南、華東、西南、西北的48項鋼筋混凝土結構工程，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，日本為探索預應力混凝土接觸網(wǎng)支柱產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。這種裂縫對其結構性能是不會有影響的。
(3)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。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。
從多次調查及表3試驗結果可看出，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o
4 混凝土軌枕裂縫的預防和控制
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(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*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(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，并與預應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(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，還應重點考慮堿集料反應問題。
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，因此應大力推廣應用低堿水泥(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，應注意控制*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*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)，而不是通常技術條件中規(guī)定的500kg／m3。
5 關于混凝土軌枕失效標準的認識
鐵路工務規(guī)程中關于軌枕失效標準，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，就應從線路上更換下來，以保證行車安全。但根據(jù)以上各種調查、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，保持結構耐久性，延長軌枕使用壽命，從而提高線路的綜合技術經濟效益。