预应力混凝土轨枕的裂缝及结构耐久性

预应力混凝土轨枕的裂缝及结构耐久性
摘要：本文综述了从七十年代至九十年代对预应力混凝土轨枕裂缝的调查情况，从物理、力学、化学的角度分析了裂缝的成因。根据国内外文献，并结合对预应力混凝土轨枕的调查和试验研究结果，分析了裂缝对轨枕结构和耐久性的影响，提出了混凝土轨枕裂缝的防止与控制措施
关键词：预应力 混凝土 轨枕 裂缝 碱集料反应 耐久性
0 引言
中国预应力混凝土轨枕从研究、生产到推广应用，历时四十年，产量逾亿根，铺设里程累计达七万公里，与世界各国采用混凝土轨枕相比，数量上占有很大比例。使用三十余年来，混凝土轨枕发生了不少损伤，涉及到行车安全，从而经常考虑伤损轨枕是否应从运营线路上换下。但要换上新的轨枕，除要重新制造外，还要装卸，运输并到线路上进行换枕工作，·不仅需耗费大量人力物力，有时还会影响行车，其耗费往往是一根轨枕本身造价的四到五倍。
在使用三十余年来，拆换下的伤损轨枕，除了少量是由于行车、装卸事故等造成的机械性破损外，绝大部分则是由于产生各种各样的裂缝，担心其影响轨枕承载能力而被拆换的。
轨枕作为一种预应力混凝土结构，裂缝是难避免的，因此研究预应力混凝土轨枕裂缝的成因及其危害性，研究如何预防和控制裂缝，对提高混凝土轨枕的结构耐久性，延长轨枕的使用寿命，将是十分重要的。
l 混凝土轨枕裂缝的类型及表现
1．1 混凝土枕裂缝的类型
1．1．1 轨下垂直横向裂缝(轨下正弯矩裂缝)
这种裂缝出现在轨枕两侧下部，一般情况下，裂缝较小，宽度在0．1mm以下，长度未超过中和轴。1981年对筋69、弦69等轨枕调查结果表明，钢轨接头处的轨枕，其轨下垂直裂缝比例为60％；而钢轨大腰处的轨下垂直裂缝比例，筋69和弦69分别为37％和20％。
1．1．2 枕中垂直(横向)裂缝(枕中正弯矩和负弯矩裂缝)
1981年调查的69型轨枕(1971—1976年间生产)，筋69轨枕枕中正弯矩裂缝分别为34％和11％(不同区段)，弦69枕中裂缝分别为36％和13％(不同区段)。裂缝的宽度及长度均比轨下裂缝严重，有的枕中正负弯矩裂缝连在一起形成环向裂缝，个别轨枕有多道环向裂缝。 1991年调查的S—2(1986年生产)轨枕，枕中垂直裂缝约占调查裂缝轨枕的23．7％，其中钢轨接头处的轨枕，枕中垂直裂缝比率更高，占63％以上。
1．1．3 轨枕顶面螺栓孔纵向裂缝
这种裂缝通常从螺栓孔处为起点逐渐向轨枕中部和端部延伸，有的一直裂到端部，造成劈裂，严重者裂缝宽达3~5mm。1975年及1981年调查的69型轨枕，沿螺栓孔纵裂的数量随不同制造厂家和不同区段而有所不同。沿钉孔纵裂轨枕占调查轨枕总数的比例分别是0％、18％、20％、40％、48％等。1991年调查Ⅱ型轨枕共193889根，伤损轨枕有18682根，伤损率为9．6％，顶面沿螺栓孔纵裂占全部伤损轨枕的33．8％。总之，轨枕顶面沿螺栓孔纵裂是预应力混凝土轨枕*为普遍存在的裂缝，不仅运营数年的轨枕有，存在路边备用的轨枕有，甚至未出厂的轨枕也有；不仅国内轨枕有，就连国外的轨枕也有。例如1975~1976年生产并铺设于坦赞铁路的预应力混凝土轨枕，1977年笔者在坦赞铁路考察时发现沿顶面螺栓孔纵裂的预应力混凝土轨枕数量达20％。
1．1． 4轨枕顶面螺栓孔处横裂(平行于钢轨方向)
69型轨枕和Ⅱ型枕都有这种裂缝出现。从调查结果看，大多数横裂方向与列车运行方向一致，即出现于复线铁路的单向运行区段。
1．1．5 轨枕端部纵向裂缝
这种纵向裂缝有的出现在轨枕端部顶面和底面，也有的出现在端部两侧，大致与钢筋(钢丝)平行。
1．1．6 轨枕中部纵向裂缝
这种纵向裂缝发生在轨枕中部的顶面和侧面，平行于钢筋方向，裂缝长度可达30~110mm，裂缝宽度约0．5~3mm，*大可达5mm。
1．1．7 龟裂
轨枕端部、中部的顶面或侧面出现纵横交错、不规则的网状裂缝。
1．2 裂缝的表现
(1)预应力混凝土轨枕产生裂缝较难避免。从七十、八十年代调查的69型轨枕和九十年代调查的Ⅱ型枕看，轨下及枕中的正负弯矩裂缝，沿螺栓孔等处出现的各种类型纵向裂缝均有发生，甚至坦赞铁路的混凝土轨枕也有沿螺栓孔裂缝。
1975年笔者参加了对沪宁、京广、东北各线的调查，被调查的轨枕共计51117根，纵裂轨枕总数为5450根，占10．6％。 1981年铁道部曾组织对东北部分线路进行了分段调查，其纵裂、横裂轨枕数量分别占调查区段轨构数量的11％、20％、37％、60％、83％不等。1991年铁道部对20条干线的112km线路的193888根Ⅱ型轨枕进行调查，共发现裂缝轨枕18582根，损伤率为9．6％，其中轨枕顶面沿螺栓孔纵裂，顶面和侧面纵裂、枕中顶面横裂分别占裂缝轨枕总数的33．8％、15％、38．1％。
(2)包括沿螺栓孔纵裂在内的各类型纵向裂缝起初长度和宽度都很小。随着时间推移，不论是运营线路上的轨枕还是未铺设的备用轨枕，裂缝均存在不断发展的趋势，裂缝宽度从0．5mm—5mm不等，长度一直纵裂至两端，直至贯通，造成劈裂。
(3)虽不同型号轨枕产生裂缝情况没有明显区别，但不同厂家，不同时间生产的轨枕，包括在同一线路区段的不同厂家轨枕纵裂缝的表现却有明显区别。例如有一J—l和S—2型轨枕混铺地段，在同样的铺设条件，即线路的平、纵断面，通过总重相同，J—1型枕虽比S—2型枕低一级，但伤损的根数，尤其是纵向裂缝却少得多。但从总体来看，1968~1976年间生产的69型枕各类裂缝，特别是纵裂和龟裂的比例和程度要严重得多。
2 混凝土轨枕裂缝的成因
混凝土轨枕裂缝的生成可以从结构、工艺、材料等方面探讨，也可从设计、制造、铺设、使用等方面研究。在此，仅从物理、化学、力学的角度进行分析。
2．1 力学因素
混凝土轨枕所受弯矩的大小不仅与枕上动压力有关，而且与枕下道碴支承状态有关。原先设计规定铺设和养护时应使轨枕中间部分掏空400rnm，掏空部分道碴顶面应低于枕底30mm，避免负弯矩过大而产生枕中上部横裂。近年来要求中间不掏空，即中间应垫满浮碴。设计时假设中间部分的支承反力应为轨下部分的3／4(掏空时为0)。与一般的预应力混凝土制品不同的是轨枕的支承状态随着列车的运行及养护维修条件而不断变化，一旦当支承状态与枕上垂直动压力力联合作用引起的弯矩超过设计限值时，则轨枕的相应部分就会产生如图1、图2所示的裂缝。此外当预加应力偏大而脱模时混凝土强度又不足时，轨枕端部就会产生如图5、图6所示的纵向裂缝；列车运行时对钢轨的水平和纵向作用力和螺旋道钉引起的上拔力又会使轨枕螺栓道钉孔周围产生如图3、图4所示的纵向裂缝和横向裂缝。
由于预应力混凝土轨枕横向裂缝(轨下正弯矩和枕中正、负弯矩)在计算和试验方面均已有诸多研究，而纵向裂缝的计算及试验却很少涉及。在此，仅对端部纵向裂缝(或称水平裂缝)作一分析：
根据清华大学研究，先张法高强钢丝预应力混凝土梁，当预应力值较高时，沿梁高离开预应力筋一段距离，靠近中和轴附近，在梁端面上出现拉应力6Y，常引起端头裂缝，如图8所示。
通过20余根梁的模拟试验，建立了端面*大拉应力计算公式：6Ymax＝k6 o
式中：6 o一梁端横截面上平均压应力：6 o＝N／A (A为梁端横截面积，N为混凝土预压力)；
k一应力系数，其变化规律可近似表达为：
k＝1／{18(e／h)2十0．25}
式中：e一集中力距底边的距离；h一为端部梁高；
裂缝发生的位置C(裂缝与梁底面的距离)：√eh
梁的抗裂性验算必须满足下式要求：6Ymax≤rf t
式中：f t一混凝土的抗拉强度；
r一塑性系数(一般取1．7)
将以上研究结果用来验算预应力混凝土轨枕的端部拉应力，得出表l。
由表1可见，预应力引起的轨枕端面*大水平拉应力6Ymax约为混凝土设计抗拉强度的75~90％，并为考虑塑性变形后的混凝土抗拉强度的50％，仅此单一因素，轨枕单面是不会产生纵向裂缝的。但当混凝土放张强度不足、温差、干缩、碱集料反应等因素附加作用时，则易造成6Ymax≤ft (物理化学作用时塑性变形不起作用)，从而引起纵向裂缝。此外，螺旋道钉上拔力较大时，与预加应力叠加，则容易造成钉孔纵裂。
2．2 物理因素
物理因素系指轨枕制造和铺设、运营过程中受冷热、干湿、冻融等的作用。当蒸汽养护过程中升温很快，恒温温度很高时，由于混凝土中气、水、水泥、砂石等不同材料热膨胀系数不同，而混凝土初期结构强度又很低时，高温使气、水大大膨胀，造成混凝土内部结构缺陷，容易引起轨枕表面特别是端头表面的混凝土龟裂，疏松。
有一段时间，不少工厂轨枕生产中蒸汽养护没有预养时间，升温很快，恒温温度高于95℃，脱模时轨枕端部混凝土肿胀、疏松情况常有发生。而且放张时混凝土强度很多低于35N／mm2(70％fcu)，造成混凝土轨枕纵裂、龟裂现象较多。
当出厂时仅有细微裂缝或仅有隐性微裂(肉眼看不见)的轨枕，在运营过程中，受到振动、冲击、疲劳荷载的作用，以及外界环境不断变化着的干湿循环，冻融循环作用，也会使裂缝的宽度和长度发展。
2．3 化学因素
化学因素指钢筋锈蚀、混凝土腐蚀、碳酸化、碱集料反应等。对中国混凝土轨枕而言，其中碱集料反应(AAR)引起的破坏不容忽视。碱集料反应的三个条件是：活性集料、高碱水泥和水，其破坏机理是以上三种物质进行化学反应，在混凝土内集料与水泥石的界面上生成硅酸盐凝胶，体积膨胀，引起混凝土开裂。其中*为普遍的碱-硅酸反应，方程式为：
SiO 2十2ROH十nH 20→R 2Sio 3(n十1)H 20(R为Na或K)
由于中国生产的水泥长期对碱含量不作限制。采用高碱水泥可提高水泥产量，降低成本。而中国有一些地区的混凝土粗集料(石子)具有明显的碱活性，二者结合在一起，容易形成碱集料反应(AAR)破坏。这个问题是从六十年代末期开始，某工厂生产的预应力混凝土轨枕(以及桥梁)屡屡发生纵裂和龟裂，而又从结构、工艺、铺设养护条件进行改进还依然有纵裂、龟裂出现，直至八十年代末期，才开始认识并通过试验予以证实的。检验过程是：先从轨枕混凝土中取芯样，检验项目包括：①肉眼或用立体显微镜观察，再用偏反光显微镜观察光薄片，一般AAR造成的破坏常会损伤集料颗粒，裂缝多从集料延伸至浆体，有时还能明显观察到集料颗料裂开，或边缘被撕裂。这一特征十分重要，因盐腐蚀、化学腐蚀、钢筋锈蚀、碳酸化、机械荷载等不会使集料颗粒受到损伤，因此这是AAR与其他破坏因素的主要特征；②依靠电子显微镜加上能谱分析可以测得碱硅酸盐凝胶的化学成分，这是发生AAR的直接证明。另外，将混凝土的集料用机械方法和化学方法(一般是盐酸溶液处理)分离出来，再用快速法和岩相法鉴定其碱活性，如对上海站所用宽轨枕以及滨绥线轨枕鉴定其碱活性，用压蒸快速法测得部分活性集料的膨胀值如表2。
从表2中可看出，砂不具有碱活性，而粗集料中活性较大者膨胀率已远远超过0．1％，接近于0．4％，然后采用综合判定，可证实AAR破坏的可信程度。
铁科院曾对中国华东、华南、华中、华北、西南、西北、东北各地区的15家轨枕厂现行使用的粗集料进行碱活性检验，先用岩相法评定出可疑集料，采用压蒸快速法鉴定有10家厂的集料有潜在活性，以后再采用普通砂浆棒法和混凝土柱法，汇总后*终评定为5家粗集料有碱活性，分别分布在华北、华中、西南、西北地区。由此可见，AAR引起的轨枕龟裂，纵裂问题不容忽视。
综上所述，纵向裂缝主要由内因(材料、结构、工艺因素)所致，外因(荷载及冻融、干湿循环)仅是促其发展，横向裂缝则是内因(预应力配筋，断面及混凝土强度)与外因(荷载及轨枕支承条件)综合作用所致。
3 裂缝对混凝土轨枕结构耐久性的影响
(1)轨枕处在露天环境中，由于混凝土致密，水、气不会渗入内部，但当裂缝开展到一定宽度，且裂缝深度到达保护层时，水、气就会沿着裂缝逐步渗透到达钢筋，引起钢筋腐蚀、生锈，铁锈是一种铁的化合物(氧化铁)，其体积膨胀4倍，在混凝土内部引起内应力，导致混凝土进一步开裂，并使预应力钢筋与混凝土的握裹力降低，从而影响轨枕的承载能力。
需要指出的是，混凝土结构中钢筋的腐蚀主要是电化学腐蚀，其腐蚀速度(程度)与钢筋所处环境的碱度(pH值)有关，pH值越高，越能保护钢筋不被腐蚀。当结构混凝土有裂缝时，水进入到钢筋引起氧化，钢筋锈蚀，气进入裂缝引起混凝土碳酸化，降低pH值，加深钢筋腐蚀，而且这种腐蚀当有C1-和SO42-离子存在时会加剧。
(2)研究表明，结构混凝土的裂缝只有达到一定宽度时，水、气才能渗入，引起钢筋腐蚀。国内外规范规定，钢筋混凝土结构的裂缝允许宽度为0．1~ 0．3mm(视不同介质环境)，预应力混凝土结构甚至不允许出现裂缝，其目的都是为了保证钢筋不锈蚀。但从国内外作的多次调查和试验，又证明裂缝宽度与钢筋锈蚀没有直接关系。
中国建工四局科研所等八单位曾调查华南、华东、西南、西北的48项钢筋混凝土结构工程，裂缝宽度为0．13，1，2，4，9mm，有的达规范规定的30倍之多。结果发现，除在氯化物含量较高环境中，钢筋有较大锈蚀外，其余均末发生锈蚀，日本为探索预应力混凝土接触网支柱产生裂缝后的耐久性问题，曾将已有裂缝的支柱自然置于冬(—10 ~ —18℃)夏(16~36℃)的环境中进行长达二十余年的反复冻融试验，从长期的观测总结中，可看出裂缝宽度没有扩展，混凝土的碳酸化也是轻微的，未发现内部钢筋锈蚀。
轨枕虽然也处于露天环境，但底部有30cm厚的道渣垫层，不会浸泡在水中。根据调查分析，表面宽度不超过lmm的裂缝，深度一般也达不到钢筋位置。这种裂缝对其结构性能是不会有影响的。
(3)调查研究还表明，纵向裂缝对结构耐久性的影响一般要比横向裂缝严重。因钢筋混凝土构件的纵向裂缝引起的钢筋锈蚀会使保护层剥落，龟裂扩展会引起混凝土疏松、掉块。笔者等曾从不同线路上抽取16根，其中带有不同纵裂状态的轨枕11根，常态轨枕5根，逐根进行轨下截面静载抗裂强度和疲劳强度试验。从表3的试验结果可看出：①出现贯通裂缝的轨枕，大部分轨下截面的静载抗裂强度有比较明显的降低；②端部纵裂或龟裂的轨枕，静载抗裂强度及疲劳强度，与常态轨枕比较，一般无显著差别。这说明轨端部的纵裂和龟裂多是从表面开始，还未发展到影响混凝土与钢筋的握裹力。
另据八十年代昆明铁路局的调查，螺旋道钉孔顶面纵裂宽度不超过lmm的轨枕使用十年，通过总重2．6吨，大都仍能保持轨距。剖开纵裂轨枕，内部钢筋一般均末锈蚀，但沿钉孔纵裂宽度达3mm以上，裂缝长度从钉孔延伸至两端变截面时，将对轨距保持能力造成影响。
从多次调查及表3试验结果可看出，宽度和长度都不大的裂缝对轨枕承载能力几乎没有影响。因此可以采用修补办法将裂缝封闭，以提高结构耐久性。中国铁科院等单位研制的补缝胶、修补胶等用来修补裂缝轨枕，施工简单易行，造价低廉，对提高轨枕结构耐久性，具有良好效果o
4 混凝土轨枕裂缝的预防和控制
轨枕作为一种预应力混凝土结构，要想完全杜绝裂缝是很难做到的。但裂缝毕竟是有害的。为此，应当竭尽全力来防止裂缝的出现。
预防和控制裂缝，可以从三方面入手：
(1)从力学角度，为防止横向裂缝，除了根据可能出现的*大荷载，合理配置预应力钢筋外，还应加强端部箍筋和道钉孔处螺旋筋的配置。此外，加强线路维修养护，使轨枕处于良好支承状态也是防止轨枕轨下和枕中出现横向裂缝的重要条件。
箍筋和螺旋筋的设置有利于防止轨枕端部和中部纵裂以及钉孔裂缝，但目前箍筋本身不成整体，且与预应力钢筋只是松散搭接，在防止纵裂方面效果有限。有的工厂严格将端部箍筋布置在离端头30mm范围内，并与预应力钢筋牢固绑扎在一起，从而发现对防止端部纵裂有很好效果。
(2)加强生产管理，严格操作工艺
九十年代以后，中国混凝土轨枕工厂的上级管理部门对工艺操作提出按《技术条件》和《检查细则》严格要求，如严格混凝土配合比，确保振动密实和混凝土强度(包括放张强度)，特别是蒸汽养护，要求预养时间≥2h，升温速度≤20℃／h，恒温速度≤60℃，脱模时轨枕表面与环境温度之差≤20~40℃，有的工厂还在轨枕脱模存放的三天内进行浇水养护。这些措施对于减少轨枕裂缝，特别是龟裂及纵裂，将是十分有利的。
(3)严格控制混凝土原材料
除了对水泥强度与安定性、集料的级配与含泥量等常规指标严格控制外，还应重点考虑碱集料反应问题。
中国天然河砂至今未发现有碱活性，但不少地区的粗集料却有潜在碱活性，因此应大力推广应用低碱水泥(含碱量≤0．6％)和低碱减水剂。在目前使用低碱水泥和低碱减水剂尚有困难的情况下，应注意控制*大水泥用量，以使轨枕混凝土的碱含量不超过安全限值(3kg／m3)o例如：当水泥含碱量高达1％，轨枕混凝土的水泥用量为500kg／m3时，则混凝土的含碱量为500×1％＝5kg／m3。即使不掺减水剂，亦已大大超过3kg／m3的安全限值；当水泥含碱量为0．6％时，减水剂含碱量为5％，掺量为1％时，则混凝土含碱量为500×0．6％十500×1％×5％＝3．25kg／m3＞3kg／m3(安全限值)，因此，这时混凝土的*大水泥用量就降为460kg／m3，因为460×0．6％十460×1％×5％＝2．99kg／m3≈3kg／m3(安全限值)，而不是通常技术条件中规定的500kg／m3。
5 关于混凝土轨枕失效标准的认识
铁路工务规程中关于轨枕失效标准，规定为：①明显折裂；②环裂裂缝宽度超过0．5mm；③承轨槽面压溃，挡肩严重破损；④纵向裂缝宽度超过0．5mm，长度超过全长二分之一；⑤承轨槽间两钉孔间裂缝宽度超过0．5mm，并延伸至轨枕端部或轨枕中部；⑥承轨槽裂纹交错，严重掉块露筋。笔者认为以上规定是合适的。按规定，轨枕达到失效，就应从线路上更换下来，以保证行车安全。但根据以上各种调查、试验的研究分析，在行车密度增大，从线路上更换轨枕更加困难，而在混凝土补缝材料和补缝技术不断发展的今天，仅是因为裂缝而被认为失效的轨枕，由于承载能力及其他使用性能并未降低，可以采用即时修补的方法，以避免裂缝发展和钢筋锈蚀，保持结构耐久性，延长轨枕使用寿命，从而提高线路的综合技术经济效益。