预应力混凝土轨枕裂缝的成因

2021-08-03郭兆杰

四川水泥 2021年8期

郭兆杰

（山东华邦建设集团有限公司，山东潍坊 262500）

0 引言

通过多年研究、推广生产和使用预应力混凝土轨枕，铁路工程取得了新的发展和优化。行车、装卸施工等都是造成铁路预应力混凝土轨枕发生裂缝的原因。混凝土轨枕一旦出现裂纹病害，会对轨枕的承载能力产生较大的影响，威胁铁路使用安全和使用寿命，为此，相关工作者和研究者需要加强对预应力混凝土轨枕裂缝成因和危害性的分析，采取有效的控制措施，将预应力混凝土轨枕的结构耐久性提高，同时延长其使用价值和使用寿命，保证铁路通车的安全。

1 预应力混凝土轨枕裂缝类型及成因分析

荷载作用和非荷载作用是引起预应力混凝土轨枕发生裂缝的主要两大因素[1]。

1.1 荷载因素造成的裂缝类型

第一，裂缝产生于钢轨的下方正，受到正弯矩作用而出现。

第二，裂缝产生于轨中弯矩。

第三，顶面钉孔发生的裂缝，包括纵向裂缝和横向裂缝。

第四，位于轨枕端部的裂缝。

第五，位于侧面或者顶面的裂缝，常常是龟裂状或者网状的纵横交错的裂缝。

在荷载作用下，混凝土轨枕的截面拉应力变大，当超过混凝土的抗拉伸极限值时会导致发生荷载效应，比如剪力、弯矩、扭矩等，进而导致轨枕截面出现混凝土裂缝问题。

图1 混凝土轨枕

1.2 非荷载因素导致的裂缝

第一，温度变化导致的温度裂缝。①在混凝土浇筑硬化过程中内部会释放和蓄积大量的热量，这些热量主要来自于水泥的水化作用产生的热量，导致混凝土轨枕存在较大的温差，进而导致混凝土轨枕内外无法均匀地膨胀，轨枕表面和内部分别产生拉应力和压应力，当超过混凝土受力极限后会发生裂缝现象。②在脱模阶段具有较高的轨枕温度导致环境温度和轨枕表面温度差炒股了规定的标准要求，进而导致混凝土表面的拉应力过大，表面发生了细微的裂纹。③施工人员在混凝土轨枕施工过程中没有充分关注温度因素，导致没有合理地布置新旧混凝土接触面，没有均匀地处理新旧混凝土。④在养护阶段采用的是蒸汽养护方式，但是由于没有合理控制养护温度，导致过快升温同时具有较高的恒温温度，和混凝土膨胀系数存在差异，加上混凝土初期缺乏足够的强度，导致混凝土内外出现较大的温度差，造成表面发生了疏松、龟裂等不良问题。此类问题通常在出厂时肉眼无法查看其是否存在裂缝，但是在具体使用阶段受到外力的影响、环境的影响导致裂缝蔓延、扩大、加深，继而出现肉眼可见的混凝土轨枕裂缝[2]。

第二，收缩裂缝。在完成浇筑、振捣后，需要采取有效的混凝土养护措施，在这个阶段，混凝土结构会发生干缩形变，预应力钢筋、箍筋等外界因素会约束这种变形程度，当约束力难以满足混凝土收缩形变要求后，会产生较为细小的混凝土干缩裂缝，这些裂缝通常不大，但是会在使用中扩大，严重影响轨枕的使用。相比于无挡肩的轨枕，有挡肩的轨枕裂缝要更多。此外，有的生产厂家为了便于施工没有严格地对混凝土配合比进行控制，用水量不合理，导致混凝土存在较大的坍落度，出现明显的泌水现象，会导致混凝土塑性收缩程度加大，进而引发干缩裂缝[3]。

第三，内部因素引起的轨枕混凝土裂缝。①水泥用量多。为了满足140mm-160mm的泵送混凝土坍落度标准，需要将水泥的用量、拌和水用量以及外加剂的用量适当增加，这就导致预应力混凝土轨枕的收缩值要远远超过普通的混凝土，增加了混凝土结构开裂发生的概率。②水化热。由于使用了较多的水泥和外加剂，导致混凝土初期有着较快的水化速度，产生较多的水化热，增加了降温的难度，同时受到自身温度应力的影响，导致发生温度裂缝。③碱-骨料的化学反应。如果混凝土配置中所用的水泥含有较高的碱活性骨料和建含量，或者韩勇可溶性硫酸盐那么会导致雨水发生具有膨胀性质的物质，混凝土会发生较为明显的体积变化，进而导致发生裂缝问题[4]。

2 预应力混凝土轨枕裂缝防治措施

作为一种混凝土结构，想要完全杜绝预应力混凝土轨枕裂缝是一件难上加难的事情，现如今混凝土结构裂缝是困扰建设事业的一大难题。但是预应力混凝土轨枕一旦发生裂缝问题必然会对铁路的安全通行产生不良影响，为此，需要相关工作人员加强预防轨枕裂缝问题。具体来讲，可以从如下方面进行预防和控制：

2.1 加强受力分析及预应力技术应用

一方面应当加强分析混凝土轨枕在使用中可能出现的最大荷载情况，避免发生横向裂缝、纵向裂缝。另一方面，可以充分发挥预应力技术的优势，合理配置预应力钢筋、箍筋、螺旋筋等。通过合理设置箍筋、螺旋筋能够达到混凝土轨枕纵向裂缝、钉孔出裂缝的预防效果。有的轨枕只是松散地搭接了箍筋和预应力钢筋，整体性不足，导致难以充分预防轨枕裂缝。设计人员可以通过合理布置箍筋，将箍筋和预应力钢筋牢固地结合在一起从而达到良好的预防端部裂缝的效果。

2.2 提高预应力混凝土轨枕的施工质量

所有生产施工人员都要树立质量意识，明确裂缝所产生的不良印象，在发展过程中不断应用新技术，轨枕施工质量水平，将自身学习能力提高强化，充分了解混凝土结构组成、各种材料对混凝土性能所产生的影响，加强学习新工艺、新技术，正确使用生产方式。

2.3 加强进场原材料的控制

混凝土的质量从很大程度上受到材料质量的影响，所以，应当加强把控进场材料的质量情况，做好水泥原材料的选择，尤其是要重视水泥的性能，积极使用微膨胀性、收缩小的硅酸盐水泥，将混凝土的抗裂能力提高。在选择骨料时，应当尽量选用低弹性模量的砂石，要保证骨料具有较小的膨胀系数、坚硬的质地，保证其表面整洁性，将骨料的级配提高，从而将空隙率和表面积降低，将水泥的用量尽量减小，保证在混凝土浇筑阶段不会产生大量水化热，将混凝土结构干缩尽量减小，做好混凝土开裂问题的控制[5]。在运输、装卸、堆放骨料过程中要注意做好防护措施，避免出现炉渣、树叶等物质，要按照国家规范的要求进行外加剂、预应力筋等材料的质量控制，同时要对外加剂和水泥的兼容性加强考虑。

2.4 掺和料的合理选用

防治预应力混凝土轨枕列裂缝的另一个途径就是合理应用微膨胀剂和矿物掺和料。微膨胀剂的抗渗性较强，可以达到补偿收缩膨胀式能力的效果，能够很好地控制混凝土的抗裂性。在混凝土材料中应用矿物掺和料能够将混凝土的抗渗性、耐久性大大提高，有助于控制结构收缩，可以达到混凝土水化降温作用延迟的效果，将泌水问题解决。

2.5 浇筑及抹面过程

在浇筑混凝土阶段，要注意充分做好振捣工作，避免发生漏振、过振的问题。通常按照20s的时间控制振捣时间，注意坚持快插慢拔的振捣方式。施工人员要紧跟在振捣工作后及时完成第一次抹面施工作业，达到提浆的效果，保证下一步施工作业的便捷。之后可以开始进行第二次抹面将凹凸不平的混凝土表面抹平[6]。如果施工所在环境存在较大的风或者较为强烈的光照那么需要用土工布、棉被等覆盖第二次抹面后的混凝土轨枕，避免混凝土水分流失过快。不过要注意在混凝土初凝前将覆盖物掀开避免混凝土和覆盖物粘结在一起。在初凝后可以将全部扣件和鱼尾板松开并且开始第三次抹面，达到压光的小工，同时压平发展出来的裂缝。最后，由施工人员检查混凝土轨枕是否存在裂缝问题，如果发现裂缝及时用长抹刀压光处理好，要重点对轨枕的四周和框架底部这些容易出现裂缝的部位加强关注。