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。

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有關。原先設計規定鋪設和養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隨著列車的運行及養護維修條件而不斷變化，一旦當支承狀態與枕上垂直動壓力力聯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，建立了端面最大拉應力計算公式：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，其變化規律可近似表達為：

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（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最大水平拉應力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. 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護沒有預養時間，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，以及外界環境不斷變化著的干濕循環，凍融循環作用，也會使裂縫的寬度和長度發展。

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。其中最為普遍的堿-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）屢屢發生縱裂和龜裂，而又從結構、工藝、鋪設養護條件進行改進還依然有縱裂、龜裂出現，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、東北各地區的15家軌枕廠現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。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）僅是促其發展，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。

 裂縫對混凝土軌枕結構耐久性的影響

（1）軌枕處在露天環境中，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。國內外規范規定，鋼筋混凝土結構的裂縫允許寬度為0.1~ 0.3mm（視不同介質環境），預應力混凝土結構甚至不允許出現裂縫，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，有的達規范規定的30倍之多。結果發現，除在氯化物含量較高環境中，鋼筋有較大銹蝕外，其余均末發生銹蝕，日本為探索預應力混凝土接觸網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，未發現內部鋼筋銹蝕。

軌枕雖然也處于露天環境，但底部有30cm厚的道渣墊層，不會浸泡在水中。根據調查分析，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的軌枕11根，常態軌枕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，還未發展到影響混凝土與鋼筋的握裹力。

另據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。

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。

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，除了根據可能出現的最大荷載，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，加強線路維修養護，使軌枕處于良好支承狀態也是防止軌枕軌下和枕中出現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，從而發現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），特別是蒸汽養護，要求預養時間≥2h，升溫速度≤20℃／h，恒溫速度≤60℃，脫模時軌枕表面與環境溫度之差≤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現有堿活性，但不少地區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），而不是通常技術條件中規定的500kg／m3.梧州金固建筑科技有限責任加固公司責任編輯:http://www.ysmbh.com/