轨枕制造过程中裂纹产生的原因及控制措施

张 亮

(中铁物资太原轨枕有限公司，山西 太原 030041)

轨枕制造过程中裂纹产生的原因及控制措施

张 亮

(中铁物资太原轨枕有限公司，山西 太原 030041)

介绍了预应力混凝土轨枕制造过程裂纹特点,并就轨枕制造过程裂纹产生的原因作了分析,从选用水泥品种、外加剂、掺加料、控制混凝土的浇筑、预应力钢筋定长和放张等方面提出了控制裂纹产生的措施，以提高构件的抗裂性能和刚度。

预应力混凝土轨枕，裂纹，原因，控制措施

钢筋混凝土是由胶凝材料、集料、外加剂和水等拌合而成的混凝土与钢筋一起组成的具有一定抗压强度的材料，广泛应用于建筑施工中。为了避免钢筋混凝土结构的裂缝过早出现，充分利用高强度钢筋的抗拉性能及高强度混凝土的抗压性能，设法在混凝土结构或构件承受使用荷载前，通过施加外力，使得构件产生的拉应力减小，甚至处于压应力状态下，预应力钢筋混凝土应运而生，目的是依靠钢筋预压应力来减小或抵消荷载所引起的混凝土拉应力，从而将结构构件的拉应力控制在较小范围，甚至处于受压状态,以推迟混凝土裂纹的出现和开展，从而提高构件的抗裂性能和刚度。

然而，不管是钢筋混凝土还是预应力钢筋混凝土，其本身都是由不同材料组合在一起的非匀质体，在实际生产和施工过程中都会产生这样或那样的缺陷，这些缺陷的原始起因则是裂纹。这种裂纹产生的机理在于混凝土所承受的拉应力超过了其本身的抗拉强度。具体可归结为温度和湿度变化、外荷载产生的变形过大和施工方法不当等原因，预应力混凝土裂纹产生除上述原因外，还与预应力钢筋混凝土用钢筋束中钢筋长度的误差、作为辅筋用箍筋的安放位置、预应力混凝土构件钢筋放张(先张法)过程中张拉力与混凝土强度关系(两者关系如控制不好则可能造成混凝土构件产生裂纹)有关。

预应力混凝土轨枕制造过程产生的裂纹主要表现为：沿预应力筋方向的纵裂、垂直预应力筋方向的横裂或环裂、预留孔周边的钉孔裂纹和轨枕端部沿下排钢筋方向的底裂。

1 预应力混凝土轨枕生产过程中裂纹产生的原因

1.1 混凝土自身体积的变化引起裂纹

由于化学反应产生的化学收缩、自收缩；湿度引起的干湿变形；温度变形等，都会因为混凝土的体积变化而形成裂纹，产生这种裂纹主要因素有水灰比、混凝土的凝结时间、相对湿度、温度变化等。

1.2 模型刚度不足

预应力混凝土轨枕钢模型，它既是轨枕成型的模具，又是钢筋在预应力施工中的受力床，混凝土轨枕生产的主要工序都在钢模型中完成，因此钢模型不仅要求足够的强度和刚度，而且要求耐湿热介质的腐蚀和巨大压应力的疲劳荷载，制造混凝土轨枕用模型在经过反复张拉、蒸养过程中，模型将产生变形，其形式包括上拱、下挠、扭曲，模型变形将直接影响到张拉钢筋束中每根钢筋的受力，在放张时混凝土端面钢筋处将产生剪力，当混凝土端面剪力较大，混凝土强度偏低或钢筋混凝土保护层偏小时将在预应力钢筋处混凝土产生裂纹，同时在蒸养完毕进行脱模时，混凝土顶部与空气直接接触其冷却速度将快于底板处混凝土、收缩也将快于底板，而此时埋设于轨枕中钢丝未切割，预应力尚未施加，混凝土抵不住这种大的拉应力，从而导致了顶部裂纹的产生。

2 裂纹的防治

1)在强度允许的情况下选用水化热比较低的水泥。

不同的水泥，其早期水化所放出的热量不同。在混凝土设计强度允许的情况下，我们应尽可能选用水化热较小的水泥。这样就会减少混凝土内外的温差，从而减少温度梯度而形成的裂纹。

2)合理控制水泥和水的用量。

混凝土配合比设计时，在保证满足混凝土强度、耐久性和混凝土具有良好工作性的情况下，应尽可能的降低混凝土的单位水泥和水用量。根据大量的试验资料表明,每立方米混凝土中的水泥用量,每增(减)10 kg,其水化热将使混凝土的温度相应升(降)1 ℃。因此,为控制混凝土温升,降低温度应力,避免温度裂纹，尽量减少水泥的用量。对高强混凝土用水泥还应控制其比表面积小于350 m2/kg。

3)骨料的质量控制。

首先是骨料粒形与粒径级配的控制，我们应严格控制骨料中针片状的含量，使其在标准要求的范围内，如果针片状含量过高、粒径级配不合理都会造成骨料的空隙率加大，从而影响混凝土的密实性，最终导致混凝土裂纹的产生。再者在使用骨料前还应进行减集料反应试验，防止混凝土后期因减集料反应而产生裂纹。

4)钢筋质量控制。

首先，选择强度高及松弛低的钢筋，保证钢筋张拉力值，减少应力损失；其二，螺旋、刻痕钢筋的外形尺寸能满足与混凝土的粘结力；其三，同组张拉的钢筋束中每根钢筋的长度误差应严格控制在标准范围内；其四，严禁钢筋超张拉。

5)掺加磨细矿渣粉。

磨细矿渣粉具有潜在活性，在水泥熟料和石膏等激发作用下，其活性被激发，其水化硬化作用而产生强度，磨细矿渣粉比表面积(350 m2/kg～500 m2/kg)比水泥比表面积(300 m2/kg～350 m2/kg)大,因此在混凝土拌合物中磨细矿渣粉可以替代原来的填充水或孔隙，填充在水泥颗粒之间，改善混凝土内部孔结构，提高混凝土密实度。磨细矿渣粉不仅对水泥有填充作用，而且能够减少混凝土用水量，掺加的磨细矿渣粉比表面积高低直接影响到其活性的发挥，同一品种的磨细矿渣粉比表面积不同，其活性指数是不同的，42.5普通水泥3 d抗压指标不小于23 MPa以上时，混凝土强度随磨细矿渣粉掺入量的增加而下降，3 d抗压强度下降尤为明显但劈裂抗拉强度有所提高。由于磨细矿渣粉的早期填充作用和后期的活性填充作用，从而大大降低了混凝土中水泥的水化热，延缓了水化热峰值出现的时间，可有效控制混凝土温度裂纹和收缩裂纹。

6)掺加外加剂。

高强混凝土中掺加的外加剂主要是萘系高效减水剂和聚羧酸高性能减水剂,它对水泥颗粒有明显的分散效应,并能使水的表面张力降低,这样不仅能使混凝土的和易性有明显的改善,而且可减少15%～25%左右的拌合水,节省水泥10%～20%，混凝土强度提高15%～30%，从而降低水化热。在实践中发现萘系高效减水剂和聚羧酸高性能减水剂与同一厂家生产的同品种不同批次水泥的适应性相差很大，如做水泥净浆流动度试验，其流动度最大相差40 mm，但随着减水剂掺量增加其净浆流动度也会加大，如果将净浆流动度低的水泥存放20 d左右再试验，其流动度明显变大，这种现象提醒我们即使同一厂家生产的同品种水泥不同批次也要进行净浆流动度试验，以确保水泥与减水剂的适应性。

7)掺加钢纤维。

钢纤维混凝土较普通混凝土有较好的抗裂性、韧性、抗冲击、抗疲劳性，适量掺加钢纤维可提高混凝土抗拉强度，对控制轨枕裂纹具有积极作用，特别是轨枕铺设之后将承受较大的冲击荷载，其正好利用了钢纤维混凝土的较好抗冲击性和塑性。

8)控制混凝土的浇筑温度。

混凝土从搅拌机出料后,经搅拌车或其他工具运输、卸料、振捣等工序后的混凝土温度称为混凝土浇筑温度。在有条件的情况下,混凝土的浇筑温度越低,对于降低混凝土内外温差越有利。根据实践,混凝土浇筑温度和模型表面温度控制在小于30 ℃为宜,这就要求在常规施工情况下,应该合理选择浇筑时间,完善浇筑工艺,加强对混凝土的养护。

9)严格控制混凝土的蒸汽养护。

蒸养预应力混凝土轨枕产生的裂纹,绝大多数为轨枕端部底面预应力钢筋周边裂纹,这些裂纹是各种综合原因产生的，在施工中若能加强混凝土轨枕的保湿、保温养护,对防止混凝土产生裂纹具有重大的作用。a.控制蒸汽养护池温度、湿度以减小混凝土的内外温差(根据对蒸养轨枕枕芯和表面温度测试其内外温差大于15 ℃)，防止出现表面裂纹;b.保证养护静停时间2 h～3 h、升/降温速率小于15 ℃/h(使水泥顺利水化,防止产生过大的温度应力)和恒温小于60 ℃，预应力混凝土轨枕脱模时应与外界温差小于15 ℃，同时加强脱模轨枕的保温(主要是冬季)和保湿工作。

10)加强混凝土的浇灌振捣，提高密实度。

预应力混凝土结构在预应力作用下，持续地产生徐变，同时结构暴露在大气中，混凝土不断收缩，这两项变形同时存在互相影响，收缩使预应力混凝土结构产生收缩应力，这种收缩应力使混凝土产生徐变，预应力混凝土收缩和徐变很难分开，收缩和徐变与作用在混凝土上的预压力成正比，和施加预压力时混凝土强度成反比。因此施工中要严格控制骨料级配，加强骨料含水率测定(保证施工混凝土的水灰比稳定)，保证混凝土搅拌时间，定期对混凝土振动台台面的平整度、频率、振幅、激振力进行测定，确保混凝土密实度、强度及钢筋混凝土保护层的厚度。

11)模型和工装控制。

钢筋张拉到控制应力后，钢筋张拉力便由锚固板承受，张拉力同时传递到模型，钢筋锚固板、模型因受力而变形，此时钢筋在锚固板内将产生微小的滑动，加之模型变形引起的钢筋束应力不均，其结果使单根预应力钢筋应力不均，造成放张时混凝土轨枕端面所受预应力压力不均，钢筋间产生剪力，当混凝土强度不足以抵抗此剪应力时混凝土轨枕端面将产生裂纹，这要求施工中应严格控制张拉用锚固板沉孔尺寸(锚固板经多次使用由于其沉孔与钢筋的摩擦而将沉孔尺寸变大)和同组钢筋束中每根钢筋墩头直径和高度，且对模型定期和不定期校正，保证在用模型、工装尺寸、轨枕混凝土钢筋位置和轨枕厚度符合标准要求。

3 结语

微细裂纹在预应力混凝土轨枕制造过程中是一种偶发现象，但是裂纹的出现不仅会影响到结构的整体性和刚度，还会引起钢筋的锈蚀，加速混凝土的碳化，降低混凝土的使用耐久性、抗疲劳和抗渗能力，给铁路工程带来极大的损害。因此在轨枕制造过程中应严格控制原材料、施工工艺和工装配件，以杜绝裂纹的出现。

Cracking causes and control measures in sleeper manufacture process

ZHANG Liang

(TaiyuanSleeperCo.,Ltd,ChinaRailwayMaterials,Taiyuan030041,China)

The paper introduces prestressed concrete sleeper manufacture cracking features, analyzes cracks producing causes in sleeper manufacture process, and puts forward cracks controlling measures from aspects of cement selection, admixture, concrete grouting, prestressed steel length and tension and so on, with a view to improve structure cracks resisting performance and rigidity.

prestressed concrete sleeper, cracks, causes, control measure

1009-6825(2014)28-0142-02

2014-07-30

张 亮(1963- )，男，工程师

U213.3

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