混凝土轨枕裂缝及伤损的主要形态

毛一凡

（大同煤矿集团有限责任公司煤炭运销总公司，山西 大同 037000）

预应力混凝土轨枕在使用以来，经常会发生损伤，涉及到行车安全，从而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，除了一部分是由于行车、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，将十分重要。

1 混凝土轨枕裂缝的类型及表现

1.1 混凝土枕裂缝的类型

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。

枕中垂直(横向)裂缝(枕中正弯矩和负弯矩裂缝)。这种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。

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。轨枕顶面沿螺栓孔纵裂是预应力混凝土轨枕最为普遍存在的裂缝，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。

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。

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。

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，最大可达5mm。

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

预应力混凝土轨枕产生裂缝较难避免。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。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。

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纵向裂缝和横向裂缝。

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。其中最为普遍的碱-硅酸反应，方程式为：SiO2+2ROH+nH2O→R2Sio3(n+1)H2O(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，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。

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。

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。 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.

4 其他混凝土轨枕伤损的主要形态

4.1 轨下截面压溃

轨枕轨下部分由于橡胶垫板损坏或串出，使钢轨直接作用于承轨槽，引起轨下部分混凝土压溃。有些轨枕由于轨下截面横向裂缝过大，混凝土受压区产生过大的压应力使混凝土压溃。

4.2 轨枕中间部分压溃

轨枕中间部分由于受了过大的正弯矩，不仅使轨枕中间部分的下部产生过大的裂缝，而且还引起截面受压区的过大压应力，致使混凝土压溃，这种情况一般发生在钢轨接头。有些轨枕由于中间部分承受了过大的负弯矩，不但引起中间部分的上部裂缝，而且还使中间截面下部受到过大的压应力以致压溃，甚至出现钢筋外露。

4.3 轨枕的龟裂

龟裂是轨枕表面纵横交错的细小裂纹，一般多发生在轨枕端部及中部顶面和侧面处。龟裂对轨枕的使用寿命影响也很大。

4.4 轨枕中间部分斜裂及扭伤 轨枕中间部分斜裂扭伤是指沿对角方向的破损。线路维修工作中的捣固作业，因在轨枕两侧进行对角捣固，过车时容易使轨枕中间部分产生斜裂或扭伤。据调查统计，因线路维修养护不当使轨枕中部扭断、折断的轨枕在伤损轨枕总数中占有一定的比例。

4.5 轨枕挡肩破损

轨枕挡肩承受由扣件传来的水平推力而产生破损，特别在小半径曲线上这种现象十 分普遍，有的采用加宽铁座仍不能解决问题，据统计，在半径为400m的曲线上，挡肩破损高达70%。另外，由于垫片损坏或在轨枕制造过程中挡肩部分的缺陷也可能造成挡肩破损。

4.6 轨枕的腐蚀 在长期放水地段和车辆装载有害介质散 落在轨枕上，都会造成轨枕的腐蚀，轻者混凝上表面出现麻点、脱层等现象，重者钢筋锈 蚀，并逐渐向里延伸。

4.7 轨枕底边掉块

手工捣固冲击轨枕底边使混凝土掉块，严重时掉块面积可多达100cm2，其结果是轨枕受力状况恶化，容易出现应力集中而造成其他各种伤损，并且削弱了轨道的稳定性。5混凝土轨枕裂缝和伤损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。

预防和控制裂缝裂缝和伤损，可以从三方面入手：

从力学角度，为防止横向裂缝，除了根据可能出现的最大荷载，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。

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。

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。

[1]陆庆.对混凝土轨枕裂缝质量问题的探讨[J].民营科技,2009-12-20.