高速铁路III型轨枕裂纹成因浅析

李忠成 田博 吕瀚昌

摘 要：我国高速铁路轨道形式分为有砟轨道和无砟轨道两种，其中有砟轨道均采用III型预应力混凝土轨枕。随着使用年限的增加，轨枕病害随之而来，要避免轨道板病害的产生，必须从各个环节注重，采取相应的措施，提前治理预防轨枕病害的产生，本文对高速铁路III型轨枕裂纹成因进行简要分析。

关键词：轨枕;裂纹;防治

一、混凝土轨枕分类及概述

高速铁路轨枕功能是承受来自钢轨的各向压力、把力传递给道床、有效地保持轨道几何尺寸，以及保持好水平位移。轨枕类型按照材质可分为木枕、混凝土枕、钢枕、树脂枕，按照使用目的可分为普通轨枕、岔枕、桥枕，按照结构型式又可分为整体式、组合式、 半枕、宽轨枕，按照构造及铺设方法可分为横向轨枕、纵向轨枕和短枕。中国预应力混凝土枕从研究、生产到推广应用，已持续了半个多世纪，产量超过1亿根。目前，我国铁路混凝土枕主要有I型混凝土枕、II型混凝土枕和III型混凝土枕。其中，高速铁路正线都是采用III型混凝土枕。III型混凝土枕设计标准为轴重23吨，每公里配置1667根，枕型尺寸设计优化，加宽轨底，增加支撑面积，提高线路稳定性和承载力。

二、裂缝对III型混凝土轨枕使用寿命影响

由于除了站区外绝大多数轨道结构都处于露天室外，混凝土本身的密实性会让水和空气不会渗入其内部，但是当轨枕裂缝发展到一定宽度后，裂缝深度达到保护层，水和空气会逐渐渗入钢筋之中。裂纹有所发展，造成钢筋锈蚀。铁锈是一种铁化合物，体积膨胀比钢筋大四倍。混凝土内部应力导致混凝土进一步开裂，降低了预应力钢筋与混凝土的粘结力，从而影响III型混凝土轨枕的承载力。轨枕中钢筋腐蚀速率与钢筋所处环境的碱度有关。酸度越弱，钢筋防腐效果越佳。当结构混凝土出现裂缝时，水进入钢筋，引起氧化、钢筋腐蚀，空气进入裂缝，引起混凝土碳化，降低PH值，加深钢筋腐蚀。研究表明，只有当结构混凝土裂缝达到一定宽度时，水和空气才能渗入裂缝中，从而引起钢筋的腐蚀。根据国内外规范，钢筋混凝土结构允许裂缝宽度为0.1mm至0.3mm，预应力混凝土结构不允许裂缝均匀。其目的是保证不锈钢棒的腐蚀。

三、高速铁路III型混凝土轨枕裂纹类型

1.纵向和横向裂纹：这种裂纹发生在III型混凝土轨枕两侧的下部。一般来说，裂缝较小，宽度小于0.1mm，长度不超过中和轴。钢轨接头处的III型混凝土轨枕，轨下垂直裂缝率为60%。裂纹的宽度和长度比钢轨下的要严重。III型混凝土轨枕中的正、负力矩裂缝相互连接形成圆裂缝，有的III型混凝土轨枕出现多条圆裂缝。

2.III型混凝土轨枕顶部螺栓孔的裂缝：这种裂缝通常从螺栓孔的起点逐渐延伸到III型混凝土轨枕的中间和末端。其中一些总是被分割到最后，导致分割。严重情况下的裂缝宽度为3mm至5 mm。沿III型混凝土轨枕顶部的螺栓孔纵裂是预应力混凝土III型混凝土轨枕中最常见的裂缝。它不仅拥有运营多年的III型混凝土轨枕，而且还拥有备用III型混凝土轨枕，甚至是尚未生产的III型混凝土轨枕。轨枕中产生的横向裂纹，多数与其线路上列车所运行的方向同向。

3.枕端中间纵向裂纹：端部纵向裂纹部分出现在枕端顶部和底部，部分出现在枕端两侧，与钢筋大致平行。III型混凝土轨枕中部的纵向裂缝出现在III型混凝土轨枕中部的顶部和侧面，与钢筋方向平行。裂纹长度可达30mm至110mm，宽度约为0.5mm至3mm，最大可达5mm。

4.高速铁路III型混凝土枕失效：高速铁路III型混凝土枕失效标准是，断裂明显，环缝宽度大于0.5mm，承轨槽表面破碎，肩部严重损伤，纵向裂缝宽度大于0.5mm，长度大于全长的一半，两钉孔间的裂缝宽度承轨槽间距大于0.5mm，延伸至III型混凝土轨枕端部或III型混凝土轨枕中部;承轨槽裂纹错开，造成严重的杂物和钢筋。根据规定，当III型混凝土轨枕发生故障时，应将III型混凝土轨枕从线路上更换下来，以保证行车安全。根据对调查和试验的研究分析，随着车辆密度的增加，从轨道上更换III型混凝土轨枕的难度越来越大。如今，随着混凝土修补材料和修补技术的不断发展，人们认为只有裂缝才能使III型混凝土轨枕失效，因为III型混凝土轨枕的承载力和其他性能并未降低，但是轨枕裂缝及其发展后产生的危害，会随着时间的推移给线路质量甚至安全带来不可忽视的影响。

四、高速铁路III型混凝土軌枕裂缝原因分析

1.外部环境因素：III型混凝土轨枕的制作与铺设、冷热、干湿、冻融等对作业过程的影响。当蒸汽养护过程中温度迅速升高，且恒温很高时，混凝土中空气、水、水泥、砂、石等不同材料的热膨胀系数不同，混凝土的初始结构强度很低，热膨胀系数较高。温度使空气和水膨胀大，造成混凝土内部结构缺陷，易造成III型混凝土轨枕表面，特别是III型混凝土轨枕端部。头部表面的混凝土开裂、松动。在出厂时，只有轻微裂纹或隐性裂纹的III型混凝土轨枕会受到振动、冲击和疲劳载荷，以及外部环境干燥和湿润周期的变化、冻融周期的影响，这也会增加裂纹的宽度和长度。

2.III型混凝土轨枕混凝土保护层因素：①III型混凝土轨枕制作过程中钢筋位置不准确，使得其保护层厚度达不到标准;②混凝土浇筑过程中，冲击不密实，钢筋布置过密，钢筋处混凝土不密实，模板接缝不严，造成蜂窝、麻面、漏浆，穿孔。混凝土表面和内部;③混凝土保护层裂缝是由于养护不良或混凝土使用过程中的收缩、徐变、荷载等因素引起的。

3.搬运和运输规则：①III型混凝土轨枕应分开分批存放，不合格III型混凝土轨枕应分开存放;②轨枕在储运过程中应水平放置枕底朝下。每两层用木条或其他垫子垫一次。垫层的厚度取决于III型混凝土轨枕的形状，但III型混凝土轨枕之间应留有一定的间隙，垫层应上下对齐;③装卸III型混凝土轨枕时，应采用吊装方法。严禁碰撞、碰撞、坠落和投掷;④卧铺运输要固定好，严禁碰撞。

4.裂缝观测方法：①采用带照明装置的五倍放大镜观察裂纹;②裂纹高度测量的应用精度为1 mm;③在距离受试截面两侧拉伸边缘15 mm处测量裂纹位置;④用20倍读数放大镜和照明装置观察裂纹宽度，读数精度为0.01mm。

结语：

高速铁路的轨道形式可分为有砟轨道与无砟轨道，我国的高速铁路有砟轨道均采用III型预应力混凝土轨枕。随着使用年限的增加，有砟轨道轨枕病害随之而来。本文主要针对高速铁路III型混凝土轨枕病害类型，分析高速铁路III型混凝土轨枕病害特点，结合实际病害进行分析，从而从根本上对病害进行分析解决并制定预防措施。本着安全第一、预防为主、综合治理的方针，确保营业线铁设备和运行安全，在技术上可靠、经济上合理、满足工期要求、注意节约能源、合理利用机具、保证行车安全前提下合理制定轨道维修计划，提高设备使用寿命。

参考文献：

[1]《高速铁路工务安全规则》;铁运[2014]170号，中国铁道出版社

[2]《高速铁路无砟轨道维修规则》;铁运[2012]83号，中国铁道出版社

[3]《铁路线路修理规则》;铁运[2006]146号，中国铁道出版社

[4]《高速铁路轨道工程施工技术指南》;铁建设[2010]241号，中国铁道出版社