預應力混凝土軌枕的裂縫及結構耐久性

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2011年10月27日 星期四
    汪加蔚 白 玲(鐵道部科學研究院 北京l00081)
    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
    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?？紤]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％?？傊?，軌枕頂面沿螺栓孔縱裂是預應力混凝土軌枕最為普遍存在的裂縫，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，最大可達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。