轨枕破坏及养护措施

王茂龙，赵　龙，聂　飞(神华包神铁路有限责任公司)

轨枕破坏及养护措施

王茂龙，赵龙，聂飞
(神华包神铁路有限责任公司)

摘要:过去几十年，传统轨枕的破坏极大的增加了轨道养护的费用。缺乏对轨枕破坏的机理的理解成为管控这一问题的主要障碍。本文探讨混凝土轨枕破坏的机理，指出混凝土轨枕易发生轨座破坏，易受荷载和环境影响发生破坏，并提出问题的解决方案。此外，介绍了可以有效代替传统轨枕的新型材料。

关键词:安全文化;铁路养护

中图分类号:U216．2

文献标识码:C

文章编号:1008－3383(2015)04－0181－02

0　引言

近年来，随着铁路运输的迅速扩张，轨枕的需求也不断增长。结构混凝土国际联合会的一份报告指出，混凝土相比木质和钢铁是使用量最大的轨枕材料，比如中国的轨枕基本上都选用混凝土材料。此外，另一份报告显示，世界范围内的铁路有大约30亿根轨枕，其中超过4亿根是混凝土轨枕，其中约2%－5%的混凝土轨枕由于提前破坏儿需要更换。因此，铁路轨枕的提前破坏已经成为铁路养护的主要支出之一。本文旨在解释轨枕破坏的机理并提出控制这一问题的方法，指导运营单位有效进行养护工作以降低养护成本。

1　混凝土轨枕破坏机理

1．1轨座破坏

现代预应力混凝土轨枕破坏的原因之一是轨座破坏。磨损，水腐蚀，水压破坏，冻融破坏和化学腐蚀是导致轨座破坏的主要因素。其中轨座磨损是最主要的因素，其产生的机理:钢轨垫片和混凝土轨座之间的相互运动使混凝土轨座逐渐在摩擦力的作用下产生水泥废料，这些细小的磨损废料和水填充在轨座与钢轨垫片之间的空隙中使磨损更加严重。研究表明荷载从钢轨垫片传递到轨枕时，在钢轨垫片的接触面上有剪切力作用。一旦剪切力超过静摩擦力，就会产生钢轨垫片就会发生滑动进而将应力传递给混凝土。如果应力超出混凝土的疲劳容许应力一段时间，轨座破坏就会发生:在反复的荷载作用下，轨座位置处会有大量混凝土被磨损下来，最终导致轨道垫板下的表面不平。导致轨座磨损的原因有，水，轴重过大，扣件、路肩失效，线路曲线过大等。

1．2拉伸破坏

重载铁路中可能出现预应力轨枕的拉伸断裂。研究表明，轨枕罗威套管位置处由于存在预应力容易产生裂痕，因为预应力容易在罗威套管周围产生横向拉应力。使用过程中，诸如结冰和罗威套管中的石头的存在会使轨枕横向拉应力增大并引起竖向裂痕。

此外，轨枕表面由于拉应力产生的横向裂痕也会在使用过程中逐渐变大。

1．3高强度荷载

混凝土轨枕的弯曲裂缝经常出现在跨中位置，极大地降低了轨枕的抗弯刚度。而研究表明，混凝土轨枕的裂缝产生的主要原因是频繁的短期大轴重荷载作用。此外，这种现象与轮子或钢轨缺陷相关(比如车轮扁疤或钢轨锈蚀)，例如车轮扁疤可能导致机车在1～10 ms的时间内在在一个轨座上产生400 kN力。

1．4硫酸盐腐蚀

土，地下水和含有硫酸盐(钠钾镁钙)的混合物与水泥中的铝酸三钙或者氢氧化钙的反应会导致混凝土膨胀产生裂缝，并最终破坏。

这种由硫酸盐侵蚀可以导致混凝土轨枕破坏。钙矾石形成延迟不仅与混凝土固化温度有关还与水泥的成分(C3S，C3A，SO3，MgO)有关，并如果上述因素同时具备则反应在低于60℃时也可发生。

1．5碱混合物腐蚀

混凝土中的碱化物来源主要是普通水泥，此外还有可能是未清洗干净的包含氯化钠的沙子或者混合物(塑化剂)和混合水。含有硅化物的混合物与碱性混凝土中的氢氧根离子反应会导致破坏性的膨胀。研究表明，轨枕上表面的纵向平行裂缝和预应力混凝土轨枕的辐射性裂缝都与碱化物反应有关。

1．5酸腐蚀

混凝土中含有的普通混凝土易受到强酸腐蚀，其中氢氧化物Ca(OH)2在接触酸后变成钙酸盐。此外，硅钙水化合物和钙铝水化物也容易受到酸的侵蚀，进而导致硬化水泥遭到破坏。

1．6钢筋锈蚀

预应力混凝土枕木面临的另一个重要威胁时钢筋腐蚀。退化土质以及适当的空气湿度会使土在风的作用下覆盖枕木。随着时间推移，降雨会为混凝土内的钢筋腐蚀提供良好的条件，氯离子会侵入混凝土中并破坏钢筋外的氧化铁保护膜进而导致钢筋受到腐蚀。

1．7枕木内部结冰

有研究指出枕木中的水结冰会产生40 MPa的压力，相当于72～88 kN的力作用在相关区域，压力将最终导致枕木内部产生裂痕。

2　轨枕破坏的控制方法

2．1防止轨座磨损

通过对轨座部分包裹钢板可以减小轨座的磨损。尽管实验验证了这种方法可以有效的减小轨枕磨损，但是附加的钢板会大幅的增加轨枕的制作费用并且侵入钢板下的水会破坏轨座处的混凝土。因此在采用这种方法时需要谨慎处理这些问题。

通过在轨座区域涂抹环氧敷层同样被认为可以达到减小轨座磨损的目的。但是这种方法需要大量的劳动力，并且需要在进行环氧敷层操作时关闭线路，此外有可能这种敷层会随时间消耗掉。许多学者提出了替代方法:在轨座处混凝土添加粉煤灰和硅灰，在轨座区域引入钢纤维－注浆，应用多层抗磨垫板，在轨座区域添加合金等。这些通过改性混凝土来提高轨座抗摩擦能力的概念，旨在防止混凝土开裂和水透过裂缝渗透到混凝土内部。尽管这些改性方法可以提高混凝土的强度，但是它的抗摩擦能力需要进一步验证，更好

的替代方法需要进一步研究。

2．2控制纵向裂缝

罗威套管周围的高剪切应力是引起纵向裂缝的主要原因，通过在罗威套管内部使用特别的易膨胀混凝土，在套管外部使用普通混凝土(内部的膨胀使两部分接触面上产生径向应力)，使拉剪应力极大的减小。另一种方法是在轨枕中放置横向预应力筋，尤其是在罗威套管旁边来加强轨枕的横向强度。

3　新型材料轨枕

3．1无机矿物聚合物混凝土轨枕

粉煤灰混凝土可以有效地减弱碱混合物对混凝土的腐蚀，因为碱可以和粉煤灰中的非结晶成分发生化学反应产生的凝胶体可以增加混凝土密度，降低混凝土渗透能力并降低侵蚀剂的活性。此外，粉煤灰混凝土对于硫酸盐的腐蚀同样有良好的抵抗能力，因为混凝土当中没有大量的钙铝酸盐水合物反应物。

3．2复合材料轨枕

一种用可回收塑胶，旧轮胎，玻璃纤维和结构矿物填料制作的复合材料轨枕有良好的轨座摩擦抵抗能力，并且不受湿度环境的影响。然而，这种轨枕的价格是混凝土轨枕的两倍。日本采用过一种由泡沫和玻璃纤维制作的纤维增强发泡聚氨酯(FFU)合成材料轨枕。这种轨枕，并且这种轨枕对酸、碱和盐水都有很好的抵抗能力。对于养护和更换轨枕难度比较大的环境，有学者建议使用这些复合材料轨枕。

4　结论

本文针对混凝土枕木的提前破坏以及它们破坏机理理解的欠缺这一现状，旨在为结构设计人员、工程人员、运营人员提供指导，指出几种常见的枕木破坏原因以及几种控制枕木破坏的方法。

混凝土枕木破坏的两种主要形式是轨座破坏和纵向裂痕。通过在轨座位置包裹钢板、环氧薄膜，轨座混凝土中添加粉煤灰，养护时在轨座区域灌入钢纤维水泥浆，在轨座区加入防摩擦垫板，可以抑制轨座区域的破坏。此外，可以通过灌入特殊的膨胀混凝土到栓口区域同时引入横向预应力筋来防止纵向裂痕的产生。

无机矿物聚合物混凝土有效展现了良好抵抗化学腐蚀的工程性能，可以作为传统混凝土的替代品来制作枕木。新材料的抗摩擦和高强度能力可以有效的抵抗由于摩擦、荷载和疲劳引起的破坏，此外其优秀的耐久性同样预示着新材料在轨枕中的应用前景广阔。然而，仍然需要更多的研究工作来更好地使其可以经济地大范围地在铁路干线轨枕中使用。

参考文献:

［1］International Federation for Structural Concrete．fib bulletin 37: Precast concrete railway track systems，state－of－art report; 2006．

［2］Palomo A，Jiménez AF，Hombrados CL，Lleyda JL．Railway sleepers made of alkali activated fly ash concrete．Revista Ingeniería de Construcción 2007; 22: 75－80．

［3］Rezaie F，Shiri MR，Farnam SM．Experimental and numerical studies of longitudinal crack control for pre－stressed concrete sleepers．Eng Failure Anal2012; 26: 21－30．

［4］Remennikov AM，Kaewunruen S．Resistance of railway concrete sleepers to impact loading．In: 7th International conference on shock＆impact loadson structures Beijing，China．October 17– 19;2007．p．489－96．

收稿日期:2015－02－05