双块式轨枕挡肩裂纹原因分析及控制

2013-12-18,

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2013年4期

(中铁七局集团郑州工程有限公司，河南郑州 450052)

0 引言

随着高速铁路的快速发展，双块式无砟轨道由于其良好的轨道平顺性和持久可靠的稳定性，以及高效率的运能，极少的线路维量，社会经济效益显著等优点，在国内外受到高度的重视，越来越多的国家都在致力于其应用和发展[1]。在这种环境之下，双块式轨枕的预制技术也得到了快速发展，行业规范要求双块式轨枕不得出现承轨面与挡肩裂纹，双块式轨枕侧面不得出现与横截面平行的裂纹[2]。为了保证在轨枕预制时具有较高的效率和质量，对双块式轨枕的挡肩裂纹质量控制研究是非常必要的。

1 研究背景

中铁七局集团郑州工程有限公司贵广项目部广宁轨枕预制场主要承担新建贵阳至广州铁路广东省境内CRTSⅠ型双块式无砟轨道约40万根双块式轨枕的生产任务。轨枕生产按照《CRTS Ⅰ型双块式无砟轨道双块式轨枕结构设计》制造，图号为通线[2011]2351-I，轨枕型号为SK-2型，技术条件符合《客运专线铁路双块式无砟轨道双块式混凝土轨枕暂行技术条件》(科技基[2008]74号)的相关要求。

2 挡肩裂纹现象及原因初判

2.1 轨枕脱模机构及脱模原理

双块式轨枕采用冲击式脱模，其原理主要是根据惯性原理，轨枕与模具一起做自由落体运动，模具受阻停止下落，轨枕由于惯性继续下落并与模具脱离[3]，轨枕脱模结构示意如图1所示。

2.2 裂纹现象及原因初判

经过对挡肩出现裂纹的轨枕进行认真观察，发现挡肩出现裂纹的轨枕只有一端挡肩处出现裂纹，且出现裂纹侧挡肩均有不同程度的黑色印迹(如图2所示)。

图1 轨枕脱模机构示意图2 挡肩裂纹轨枕照片

通过以上现象不难推出，轨枕在脱模过程中由于两端不同步脱出致使一端轨枕挡肩被卡在模具里，而另一端已经脱出，从而由于轨枕自重等因素将轨枕拉裂。

3 裂纹原因深析

针对轨枕脱模两端不同步造成的轨枕挡肩裂纹现象，经过认真挖掘、分析，找出如下可能的原因：

3.1 轨枕脱模机构原因

(1)四个气囊放气不同步。模具送至脱模机构后，采用气动方式进行脱模，脱模机构气囊将模具顶起，并迅速排气，使模具快速下落撞击，轨枕靠自重下落脱模[4]。脱模机由四个气囊实现对模具的顶升，气囊由气阀进气、排气控制(一个气阀控制一端两个气囊)，气阀经长期使用其内部结构容易受损，两端气阀性能不一致造成两端脱模不同步。

(2)脱模平台四角不平。轨枕利用模具与脱模台的撞击靠其自重从模具中脱出，脱模平台四角不平导致模具四角受力不均，从而模具与平台直接撞击的一端轨枕先脱出，模具与平台之间存在缝隙的一端轨枕后脱出，后脱出的一端轨枕挡肩受拉导致轨枕挡肩裂纹。

(3)脱模机基础不均匀沉降。脱模机基础经长期冲击产生空洞和不均匀沉降，轨枕脱模时模具与脱模平台撞击导致模具出现反弹严重，增加脱模次数，而每增加一次脱模次数，冲击力对轨枕造成的损伤就增加一下，轨枕就越容易出现挡肩裂纹。

(4)压缩空气潮湿。广宁轨枕预制场位于广东省肇庆市，广东天气潮湿，由空压机输出的压缩空气含水分较大，空压机经多次使用后水分在输送管道内积留易堵塞气阀，使得压缩空气不能自由流动，气缸内进气量不同导致气囊顶升不同步，从而导致轨枕挡肩裂纹出现。

3.2 混凝土原因

(1)混凝土配合比选用不合理。按照规范要求，双块式轨枕脱模强度应不低于40 MPa，这就要求轨枕具有较高的早期强度。为节约成本，广宁轨枕预制场在轨枕C60配合比设计中采用了双掺(掺加粉煤灰和复合掺合料)，试验证明混凝土中掺加粉煤灰有利于提高混凝土和易性和耐久性，但不利于其早期强度的增长，轨枕脱模时易出现挡肩裂纹。

(2)混凝土养护时间不足。轨枕养护时间不足会导致脱模强度不满足规范要求，从而导致轨枕挡肩出现裂纹。但轨枕脱膜前均需试验室下发脱模通知单，待脱模强度达到要求后方可进行脱模作业，不存在养护时间不足的情况。

(3) 养护温湿度控制。双块式轨枕采用蒸汽养护，养护温度低，混凝土强度增加较慢，脱模强度达不到要求会导致轨枕脱模时断裂；而养护温度过高，混凝土内水分受高温影响随蒸汽散失较快，养护通道内部干燥，轨枕脱模时极易出现脆性断裂。因此，选择合适的轨枕养护温湿度对轨枕挡肩裂纹控制至关重要。

3.3 其他原因

(1)脱模剂喷涂不均匀。轨枕专用脱模剂采用空气压力喷枪以雾化状喷出，模具两端喷涂不均匀会导致轨枕与模具之间的摩擦力不同，轨枕脱模时两端不能同时脱出出现挡肩裂纹。对作业人员加强教育培训，规范作业人员操作，使脱模剂喷涂均匀，易于做到。

(2)定位轴性能不一。不同厂家生产的定位轴材质材质、尺寸均有所不同，脱模时对轨枕造成的阻力也不同，同一根轨枕采用不同厂家生产的定位轴会导致轨枕脱模不同步，但影响很小。

4 解决方案

从以上分析可以看出,造成双块式轨枕挡肩断裂的主要原因为：①脱模机基础不均匀沉降导致脱模次数增加；②脱模平台四角不平导致模具四角受力不均，从而轨枕两端脱模不同步；③四个气囊放气不同步导致轨枕两端脱模不同步；④压缩空气潮湿堵塞气阀导致轨枕脱模不同步；⑤混凝土配合比选用不合理；⑥养护温湿度控制不当影响混凝土养护质量。

针对这些主要原因主要采取如下解决方案：

(1)对脱模机基础进行加固。针对脱模机基础空洞及不均匀沉降这一问题，采用C50灌浆料(脱模机基础混凝土强度等级为C30)对基础空洞处进行处理，使基础密实、平整，并将脱模机四腿与预埋钢板焊接牢固，增加轨枕脱模时的撞击效果。采取措施后，轨枕脱模模具反弹现象得到了有效的控制，轨枕脱模次数从之前的7次减小到现在的4次，大大降低了轨枕脱模受损的几率。

(2)解决脱模平台四角不平问题。①安排技术人员采用支垫方式对脱模平台四角进行调平，保证脱模时模具四角同时接触脱模台，使模具受力均匀，轨枕同步脱出。②对脱模平台四角水平情况进行定期复检，发现异常及时整改。通过对脱模平台四角进行调平，双块式轨枕脱出后挡肩位置的黑色印迹得到了有效控制，外力对轨枕挡肩的撕拉大为减小。

(3)从气囊、气阀、压缩空气着手，保证气囊同步举升。①重新购置气囊，对破旧、损坏的气囊进行更换，保证四个气囊工作性能一致。②对脱模机两端气阀(如图3所示)进行定期检查，保证两端气阀进气、放气同步，使模具两端顶升同步，发现问题及时更换、维修。③针对广东地区空气潮湿问题，在空压机出口处增加空气干燥机(如图4所示)，避免潮湿空气堵塞气阀造成脱模时气囊放气不同步。

图3 气阀照片图4 空气干燥机照片

(4)更换混凝土配合比，加大水泥掺量。经反复试验发现，C60配合比中掺加粉煤灰可以节约水泥和细骨料,减少用水量,改善混凝土拌和物的和易性,减少水化热,提高混凝土耐久性。但粉煤灰的掺加不利于混凝土早期强度的增长，在同等养护时间下轨枕脱模强度相对全掺水泥时偏低，轨枕脱模时容易出现挡肩裂纹。为此，将原掺粉煤灰的配合比更换为全掺水泥的配合比。掺加粉煤灰的混凝土配合比为：水泥(336 kg)、粉煤灰(96 kg)、复合掺合料(48 kg)、砂(665 kg)、碎石(1 086 kg)、减水剂(3.84 kg)；配合比更换后全掺水泥的配合比为：水泥(418 kg)、复合掺合料(47 kg)、砂(669 kg)、碎石(1 188 kg)、减水剂(4.6 kg)。配合比更换后，轨枕在同养护条件下(蒸汽养护12 h)脱模强度由原来41 MPa提高到47 MPa，轨枕脱模强度的增加大大减小了轨枕脱模挡肩出现裂纹的机率。

(5)保证养护通道内部温湿度。轨枕采用蒸汽养护，随着蒸汽的散发养护通道内部较为干燥，轨枕脱模时易出现显性裂纹(脆性断裂)，对养护通道进行地面洒水保湿，保证养护通道湿度的同时避免了冷水直接洒在轨枕表面造成轨枕表面起皮。轨枕蒸汽养护参数的确定是一个不断优化的试验过程，蒸养的主要控制参数有：升温时间和升温速度，恒温时间和恒温温度，降温时间和降温速度。当混凝土制品的外形尺寸、原材料性能、混凝土配合比及其他工艺条件一定时，蒸养工艺是确定混凝土性能及制品质量的重要因素[5]。蒸养时间长，轨枕脱模强度高，但会制约生产效率；蒸养时间短，轨枕脱模强度低，导致轨枕挡肩裂纹出现机率增大。经反复试验确定如下蒸养参数：静停2 h，升温1.5 h(每10 min升2 ℃左右)，恒温6 h(恒温43～46 ℃)，降温1.5 h(每10 min降2 ℃左右)，同时对养护通道内部进行洒水，使地面始终保持潮湿状态，经实践证明，该蒸养参数满足施工现场生产需要。