摘 要：本文綜述了從七十年代至九十年代對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕裂縫的調(diào)查情況，從物理、力學(xué)、化學(xué)的角度分析了裂縫的成因。根據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)，并結(jié)合對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的調(diào)查和試驗(yàn)研究結(jié)果，分析了裂縫對(duì)軌枕結(jié)構(gòu)和耐久性的影響，提出了混凝土軌枕裂縫的防止與控制措施
關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力 混凝土 軌枕 裂縫 堿集料反應(yīng) 耐久性
引言
中國預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕從研究、生產(chǎn)到推廣應(yīng)用，歷時(shí)四十年，產(chǎn)量逾億根，鋪設(shè)里程累計(jì)達(dá)七萬公里，與世界各國采用混凝土軌枕相比，數(shù)量上占有很大比例。使用三十余年來，混凝土軌枕發(fā)生了不少損傷，涉及到行車安全，從而經(jīng)常考慮傷損軌枕是否應(yīng)從運(yùn)營線路上換下。但要換上新的軌枕，除要重新制造外，還要裝卸，運(yùn)輸并到線路上進(jìn)行換枕工作，·不僅需耗費(fèi)大量人力物力，有時(shí)還會(huì)影響行車，其耗費(fèi)往往是一根軌枕本身造價(jià)的四到五倍。
在使用三十余年來，拆換下的傷損軌枕，除了少量是由于行車、裝卸事故等造成的機(jī)械性破損外，絕大部分則是由于產(chǎn)生各種各樣的裂縫，擔(dān)心其影響軌枕承載能力而被拆換的。
軌枕作為一種預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，裂縫是難避免的，因此研究預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕裂縫的成因及其危害性，研究如何預(yù)防和控制裂縫，對(duì)提高混凝土軌枕的結(jié)構(gòu)耐久性，延長軌枕的使用壽命，將是十分重要的。
1 混凝土軌枕裂縫的類型及表現(xiàn)
1．1 混凝土枕裂縫的類型
1．1．1 軌下垂直橫向裂縫(軌下正彎矩裂縫)
這種裂縫出現(xiàn)在軌枕兩側(cè)下部，一般情況下，裂縫較小，寬度在0．1mm以下，長度未超過中和軸。1981年對(duì)筋69、弦69等軌枕調(diào)查結(jié)果表明，鋼軌接頭處的軌枕，其軌下垂直裂縫比例為60％；而鋼軌大腰處的軌下垂直裂縫比例，筋69和弦69分別為37％和20％。
1．1．2 枕中垂直(橫向)裂縫(枕中正彎矩和負(fù)彎矩裂縫)
1981年調(diào)查的69型軌枕(1971—1976年間生產(chǎn))，筋69軌枕枕中正彎矩裂縫分別為34％和11％(不同區(qū)段)，弦69枕中裂縫分別為36％和13％(不同區(qū)段)。裂縫的寬度及長度均比軌下裂縫嚴(yán)重，有的枕中正負(fù)彎矩裂縫連在一起形成環(huán)向裂縫，個(gè)別軌枕有多道環(huán)向裂縫。 1991年調(diào)查的S—2(1986年生產(chǎn))軌枕，枕中垂直裂縫約占調(diào)查裂縫軌枕的23．7％，其中鋼軌接頭處的軌枕，枕中垂直裂縫比率更高，占63％以上。
1．1．3 軌枕頂面螺栓孔縱向裂縫
這種裂縫通常從螺栓孔處為起點(diǎn)逐漸向軌枕中部和端部延伸，有的一直裂到端部，造成劈裂，嚴(yán)重者裂縫寬達(dá)3~5mm。1975年及1981年調(diào)查的69型軌枕，沿螺栓孔縱裂的數(shù)量隨不同制造廠家和不同區(qū)段而有所不同。沿釘孔縱裂軌枕占調(diào)查軌枕總數(shù)的比例分別是0％、18％、20％、40％、48％等。1991年調(diào)查Ⅱ型軌枕共193889根，傷損軌枕有18682根，傷損率為9．6％，頂面沿螺栓孔縱裂占全部傷損軌枕的33．8％。總之，軌枕頂面沿螺栓孔縱裂是預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕最為普遍存在的裂縫，不僅運(yùn)營數(shù)年的軌枕有，存在路邊備用的軌枕有， 甚至未出廠的軌枕也有；不僅國內(nèi)軌枕有，就連國外的軌枕也有。例如1975~1976年生產(chǎn)并鋪設(shè)于坦贊鐵路的預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，1977年筆者在坦贊鐵路考察時(shí)發(fā)現(xiàn)沿頂面螺栓孔縱裂的預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕數(shù)量達(dá)20％。
1．1． 4軌枕頂面螺栓孔處橫裂(平行于鋼軌方向)
69型軌枕和Ⅱ型枕都有這種裂縫出現(xiàn)。從調(diào)查結(jié)果看，大多數(shù)橫裂方向與列車運(yùn)行方向一致，即出現(xiàn)于復(fù)線鐵路的單向運(yùn)行區(qū)段。
1．1．5 軌枕端部縱向裂縫
這種縱向裂縫有的出現(xiàn)在軌枕端部頂面和底面，也有的出現(xiàn)在端部兩側(cè)，大致與鋼筋(鋼絲)平行。
1．1．6 軌枕中部縱向裂縫
這種縱向裂縫發(fā)生在軌枕中部的頂面和側(cè)面，平行于鋼筋方向，裂縫長度可達(dá)30~110mm，裂縫寬度約0．5~3mm，可達(dá)5mm。
1．1．7 龜裂
軌枕端部、中部的頂面或側(cè)面出現(xiàn)縱橫交錯(cuò)、不規(guī)則的網(wǎng)狀裂縫。
1．2 裂縫的表現(xiàn)
(1)預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕產(chǎn)生裂縫較難避免。從七十、八十年代調(diào)查的69型軌枕和九十年代調(diào)查的Ⅱ型枕看，軌下及枕中的正負(fù)彎矩裂縫，沿螺栓孔等處出現(xiàn)的各種類型縱向裂縫均有發(fā)生，甚至坦贊鐵路的混凝土軌枕也有沿螺栓孔裂縫。
1975年筆者參加了對(duì)滬寧、京廣、東北各線的調(diào)查，被調(diào)查的軌枕共計(jì)51117根，縱裂軌枕總數(shù)為5450根，占10．6％。 1981年鐵道部曾組織對(duì)東北部分線路進(jìn)行了分段調(diào)查，其縱裂、橫裂軌枕數(shù)量分別占調(diào)查區(qū)段軌構(gòu)數(shù)量的11％、20％、37％、60％、83％不等。1991年鐵道部對(duì)20條干線的112km線路的193888根Ⅱ型軌枕進(jìn)行調(diào)查，共發(fā)現(xiàn)裂縫軌枕18582根，損傷率為9．6％，其中軌枕頂面沿螺栓孔縱裂，頂面和側(cè)面縱裂、枕中頂面橫裂分別占裂縫軌枕總數(shù)的33．8％、15％、38．1％。
(2)包括沿螺栓孔縱裂在內(nèi)的各類型縱向裂縫起初長度和寬度都很小。隨著時(shí)間推移，不論是運(yùn)營線路上的軌枕還是未鋪設(shè)的備用軌枕，裂縫均存在不斷發(fā)展的趨勢(shì)，裂縫寬度從0．5mm—5mm不等，長度一直縱裂至兩端，直至貫通，造成劈裂。
(3)雖不同型號(hào)軌枕產(chǎn)生裂縫情況沒有明顯區(qū)別，但不同廠家，不同時(shí)間生產(chǎn)的軌枕，包括在同一線路區(qū)段的不同廠家軌枕縱裂縫的表現(xiàn)卻有明顯區(qū)別。例如有一J—l和S—2型軌枕混鋪地段，在同樣的鋪設(shè)條件，即線路的平、縱斷面，通過總重相同，J—1型枕雖比S—2型枕低一級(jí)，但傷損的根數(shù)，尤其是縱向裂縫卻少得多。但從總體來看，1968~1976年間生產(chǎn)的69型枕各類裂縫，特別是縱裂和龜裂的比例和程度要嚴(yán)重得多。
2 混凝土軌枕裂縫的成因
混凝土軌枕裂縫的生成可以從結(jié)構(gòu)、工藝、材料等方面探討，也可從設(shè)計(jì)、制造、鋪設(shè)、使用等方面研究。在此，僅從物理、化學(xué)、力學(xué)的角度進(jìn)行分析。
2．1 力學(xué)因素
混凝土軌枕所受彎矩的大小不僅與枕上動(dòng)壓力有關(guān)，而且與枕下道碴支承狀態(tài)有關(guān)。原先設(shè)計(jì)規(guī)定鋪設(shè)和養(yǎng)護(hù)時(shí)應(yīng)使軌枕中間部分掏空400rnm，掏空部分道碴頂面應(yīng)低于枕底30mm，避免負(fù)彎矩過大而產(chǎn)生枕中上部橫裂。近年來要求中間不掏空，即中間應(yīng)墊滿浮碴。設(shè)計(jì)時(shí)假設(shè)中間部分的支承反力應(yīng)為軌下部分的3／4(掏空時(shí)為0)。與一般的預(yù)應(yīng)力混凝土制品不同的是軌枕的支承狀態(tài)隨著列車的運(yùn)行及養(yǎng)護(hù)維修條件而不斷變化，一旦當(dāng)支承狀態(tài)與枕上垂直動(dòng)壓力力聯(lián)合作用引起的彎矩超過設(shè)計(jì)限值時(shí)，則軌枕的相應(yīng)部分就會(huì)產(chǎn)生如圖1、圖2所示的裂縫。此外當(dāng)預(yù)加應(yīng)力偏大而脫模時(shí)混凝土強(qiáng)度又不足時(shí)，軌枕端部就會(huì)產(chǎn)生如圖5、圖6所示的縱向裂縫；列車運(yùn)行時(shí)對(duì)鋼軌的水平和縱向作用力和螺旋道釘引起的上拔力又會(huì)使軌枕螺栓道釘孔周圍產(chǎn)生如圖3、圖4所示的縱向裂縫和橫向裂縫。
由于預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕橫向裂縫(軌下正彎矩和枕中正、負(fù)彎矩)在計(jì)算和試驗(yàn)方面均已有諸多研究，而縱向裂縫的計(jì)算及試驗(yàn)卻很少涉及。在此，僅對(duì)端部縱向裂縫(或稱水平裂縫)作一分析：
根據(jù)清華大學(xué)研究，先張法高強(qiáng)鋼絲預(yù)應(yīng)力混凝土梁，當(dāng)預(yù)應(yīng)力值較高時(shí)，沿梁高離開預(yù)應(yīng)力筋一段距離，靠近中和軸附近，在梁端面上出現(xiàn)拉應(yīng)力6Y，常引起端頭裂縫，如圖8所示。
通過20余根梁的模擬試驗(yàn)，建立了端面拉應(yīng)力計(jì)算公式：6Ymax＝k6 o
式中：6 o一梁端橫截面上平均壓應(yīng)力：6 o＝N／A (A為梁端橫截面積，N為混凝土預(yù)壓力)；
k一應(yīng)力系數(shù)，其變化規(guī)律可近似表達(dá)為：
k＝1／{18(e／h)2十0．25}
式中：e一集中力距底邊的距離；h一為端部梁高；
裂縫發(fā)生的位置C(裂縫與梁底面的距離)：√eh
梁的抗裂性驗(yàn)算必須滿足下式要求：6Ymax≤rf t
式中：f t一混凝土的抗拉強(qiáng)度；
r一塑性系數(shù)(一般取1．7)
將以上研究結(jié)果用來驗(yàn)算預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的端部拉應(yīng)力，得出表1。
由表1可見，預(yù)應(yīng)力引起的軌枕端面水平拉應(yīng)力6Ymax約為混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度的75~90％，并為考慮塑性變形后的混凝土抗拉強(qiáng)度的50％，單一因素，軌枕單面是不會(huì)產(chǎn)生縱向裂縫的。但當(dāng)混凝土放張強(qiáng)度不足、溫差、干縮、堿集料反應(yīng)等因素附加作用時(shí)，則易造成6Ymax≤ft (物理化學(xué)作用時(shí)塑性變形不起作用)，從而引起縱向裂縫。此外，螺旋道釘上拔力較大時(shí)，與預(yù)加應(yīng)力疊加，則容易造成釘孔縱裂。
2．2 物理因素
物理因素系指軌枕制造和鋪設(shè)、運(yùn)營過程中受冷熱、干濕、凍融等的作用。當(dāng)蒸汽養(yǎng)護(hù)過程中升溫很快，恒溫溫度很高時(shí)，由于混凝土中氣、水、水泥、砂石等不同材料熱膨脹系數(shù)不同，而混凝土初期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度又很低時(shí)，高溫使氣、水大大膨脹，造成混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，容易引起軌枕表面特別是端頭表面的混凝土龜裂，疏松。
有一段時(shí)間，不少工廠軌枕生產(chǎn)中蒸汽養(yǎng)護(hù)沒有預(yù)養(yǎng)時(shí)間，升溫很快，恒溫溫度高于95℃，脫模時(shí)軌枕端部混凝土腫脹、疏松情況常有發(fā)生。而且放張時(shí)混凝土強(qiáng)度很多低于35N／mm2(70％fcu)，造成混凝土軌枕縱裂、龜裂現(xiàn)象較多。
當(dāng)出廠時(shí)僅有細(xì)微裂縫或僅有隱性微裂(肉眼看不見)的軌枕，在運(yùn)營過程中，受到振動(dòng)、沖擊、疲勞荷載的作用，以及外界環(huán)境不斷變化著的干濕循環(huán)，凍融循環(huán)作用，也會(huì)使裂縫的寬度和長度發(fā)展。
2．3 化學(xué)因素
化學(xué)因素指鋼筋銹蝕、混凝土腐蝕、碳酸化、堿集料反應(yīng)等。對(duì)中國混凝土軌枕而言，其中堿集料反應(yīng)(AAR)引起的破壞不容忽視。堿集料反應(yīng)的三個(gè)條件是：活性集料、高堿水泥和水，其破壞機(jī)理是以上三種物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在混凝土內(nèi)集料與水泥石的界面上生成硅酸鹽凝膠，體積膨脹，引起混凝土開裂。其中最為普遍的堿-硅酸反應(yīng)，方程式為： SiO 2十2ROH十nH 20→R 2Sio 3(n十1)H 20(R為Na或K)
由于中國生產(chǎn)的水泥長期對(duì)堿含量不作限制。采用高堿水泥可提高水泥產(chǎn)量，降低成本。而中國有一些地區(qū)的混凝土粗集料(石子)具有明顯的堿活性，二者結(jié)合在一起，容易形成堿集料反應(yīng)(AAR)破壞。這個(gè)問題是從六十年代末期開始，某工廠生產(chǎn)的預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕(以及橋梁)屢屢發(fā)生縱裂和龜裂，而又從結(jié)構(gòu)、工藝、鋪設(shè)養(yǎng)護(hù)條件進(jìn)行改進(jìn)還依然有縱裂、龜裂出現(xiàn)，直至八十年代末期，才開始認(rèn)識(shí)并通過試驗(yàn)予以證實(shí)的。檢驗(yàn)過程是：先從軌枕混凝土中取芯樣，檢驗(yàn)項(xiàng)目包括：①肉眼或用立體顯微鏡觀察，再用偏反光顯微鏡觀察光薄片，一般AAR造成的破壞常會(huì)損傷集料顆粒，裂縫多從集料延伸至漿體，有時(shí)還能明顯觀察到集料顆料裂開，或邊緣被撕裂。這一特征十分重要，因鹽腐蝕、化學(xué)腐蝕、鋼筋銹蝕、碳酸化、機(jī)械荷載等不會(huì)使集料顆粒受到損傷，因此這是AAR與其他破壞因素的主要特征；②依靠電子顯微鏡加上能譜分析可以測(cè)得堿硅酸鹽凝膠的化學(xué)成分，這是發(fā)生AAR的直接證明。另外，將混凝土的集料用機(jī)械方法和化學(xué)方法(一般是鹽酸溶液處理)分離出來，再用快速法和巖相法鑒定其堿活性，如對(duì)上海站所用寬軌枕以及濱綏線軌枕鑒定其堿活性，用壓蒸快速法測(cè)得部分活性集料的膨脹值如表2。
從表2中可看出，砂不具有堿活性，而粗集料中活性較大者膨脹率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過0．1％，接近于0．4％，然后采用綜合判定，可證實(shí)AAR破壞的可信程度。
鐵科院曾對(duì)中國華東、華南、華中、華北、西南、西北、東北各地區(qū)的15家軌枕廠現(xiàn)行使用的粗集料進(jìn)行堿活性檢驗(yàn)，先用巖相法評(píng)定出可疑集料，采用壓蒸快速法鑒定有10家廠的集料有潛在活性，以后再采用普通砂漿棒法和混凝土柱法，匯總后最終評(píng)定為5家.
粗集料有堿活性，分別分布在華北、華中、西南、西北地區(qū)。由此可見，AAR引起的軌枕龜裂，縱裂問題不容忽視。
綜上所述，縱向裂縫主要由內(nèi)因(材料、結(jié)構(gòu)、工藝因素)所致，外因(荷載及凍融、干濕循環(huán))僅是促其發(fā)展，橫向裂縫則是內(nèi)因(預(yù)應(yīng)力配筋，斷面及混凝土強(qiáng)度)與外因(荷載及軌枕支承條件)綜合作用所致。
關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力 混凝土 軌枕 裂縫 堿集料反應(yīng) 耐久性
引言
中國預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕從研究、生產(chǎn)到推廣應(yīng)用，歷時(shí)四十年，產(chǎn)量逾億根，鋪設(shè)里程累計(jì)達(dá)七萬公里，與世界各國采用混凝土軌枕相比，數(shù)量上占有很大比例。使用三十余年來，混凝土軌枕發(fā)生了不少損傷，涉及到行車安全，從而經(jīng)常考慮傷損軌枕是否應(yīng)從運(yùn)營線路上換下。但要換上新的軌枕，除要重新制造外，還要裝卸，運(yùn)輸并到線路上進(jìn)行換枕工作，·不僅需耗費(fèi)大量人力物力，有時(shí)還會(huì)影響行車，其耗費(fèi)往往是一根軌枕本身造價(jià)的四到五倍。
在使用三十余年來，拆換下的傷損軌枕，除了少量是由于行車、裝卸事故等造成的機(jī)械性破損外，絕大部分則是由于產(chǎn)生各種各樣的裂縫，擔(dān)心其影響軌枕承載能力而被拆換的。
軌枕作為一種預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，裂縫是難避免的，因此研究預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕裂縫的成因及其危害性，研究如何預(yù)防和控制裂縫，對(duì)提高混凝土軌枕的結(jié)構(gòu)耐久性，延長軌枕的使用壽命，將是十分重要的。
1 混凝土軌枕裂縫的類型及表現(xiàn)
1．1 混凝土枕裂縫的類型
1．1．1 軌下垂直橫向裂縫(軌下正彎矩裂縫)
這種裂縫出現(xiàn)在軌枕兩側(cè)下部，一般情況下，裂縫較小，寬度在0．1mm以下，長度未超過中和軸。1981年對(duì)筋69、弦69等軌枕調(diào)查結(jié)果表明，鋼軌接頭處的軌枕，其軌下垂直裂縫比例為60％；而鋼軌大腰處的軌下垂直裂縫比例，筋69和弦69分別為37％和20％。
1．1．2 枕中垂直(橫向)裂縫(枕中正彎矩和負(fù)彎矩裂縫)
1981年調(diào)查的69型軌枕(1971—1976年間生產(chǎn))，筋69軌枕枕中正彎矩裂縫分別為34％和11％(不同區(qū)段)，弦69枕中裂縫分別為36％和13％(不同區(qū)段)。裂縫的寬度及長度均比軌下裂縫嚴(yán)重，有的枕中正負(fù)彎矩裂縫連在一起形成環(huán)向裂縫，個(gè)別軌枕有多道環(huán)向裂縫。 1991年調(diào)查的S—2(1986年生產(chǎn))軌枕，枕中垂直裂縫約占調(diào)查裂縫軌枕的23．7％，其中鋼軌接頭處的軌枕，枕中垂直裂縫比率更高，占63％以上。
1．1．3 軌枕頂面螺栓孔縱向裂縫
這種裂縫通常從螺栓孔處為起點(diǎn)逐漸向軌枕中部和端部延伸，有的一直裂到端部，造成劈裂，嚴(yán)重者裂縫寬達(dá)3~5mm。1975年及1981年調(diào)查的69型軌枕，沿螺栓孔縱裂的數(shù)量隨不同制造廠家和不同區(qū)段而有所不同。沿釘孔縱裂軌枕占調(diào)查軌枕總數(shù)的比例分別是0％、18％、20％、40％、48％等。1991年調(diào)查Ⅱ型軌枕共193889根，傷損軌枕有18682根，傷損率為9．6％，頂面沿螺栓孔縱裂占全部傷損軌枕的33．8％。總之，軌枕頂面沿螺栓孔縱裂是預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕最為普遍存在的裂縫，不僅運(yùn)營數(shù)年的軌枕有，存在路邊備用的軌枕有， 甚至未出廠的軌枕也有；不僅國內(nèi)軌枕有，就連國外的軌枕也有。例如1975~1976年生產(chǎn)并鋪設(shè)于坦贊鐵路的預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，1977年筆者在坦贊鐵路考察時(shí)發(fā)現(xiàn)沿頂面螺栓孔縱裂的預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕數(shù)量達(dá)20％。
1．1． 4軌枕頂面螺栓孔處橫裂(平行于鋼軌方向)
69型軌枕和Ⅱ型枕都有這種裂縫出現(xiàn)。從調(diào)查結(jié)果看，大多數(shù)橫裂方向與列車運(yùn)行方向一致，即出現(xiàn)于復(fù)線鐵路的單向運(yùn)行區(qū)段。
1．1．5 軌枕端部縱向裂縫
這種縱向裂縫有的出現(xiàn)在軌枕端部頂面和底面，也有的出現(xiàn)在端部兩側(cè)，大致與鋼筋(鋼絲)平行。
1．1．6 軌枕中部縱向裂縫
這種縱向裂縫發(fā)生在軌枕中部的頂面和側(cè)面，平行于鋼筋方向，裂縫長度可達(dá)30~110mm，裂縫寬度約0．5~3mm，可達(dá)5mm。
1．1．7 龜裂
軌枕端部、中部的頂面或側(cè)面出現(xiàn)縱橫交錯(cuò)、不規(guī)則的網(wǎng)狀裂縫。
1．2 裂縫的表現(xiàn)
(1)預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕產(chǎn)生裂縫較難避免。從七十、八十年代調(diào)查的69型軌枕和九十年代調(diào)查的Ⅱ型枕看，軌下及枕中的正負(fù)彎矩裂縫，沿螺栓孔等處出現(xiàn)的各種類型縱向裂縫均有發(fā)生，甚至坦贊鐵路的混凝土軌枕也有沿螺栓孔裂縫。
1975年筆者參加了對(duì)滬寧、京廣、東北各線的調(diào)查，被調(diào)查的軌枕共計(jì)51117根，縱裂軌枕總數(shù)為5450根，占10．6％。 1981年鐵道部曾組織對(duì)東北部分線路進(jìn)行了分段調(diào)查，其縱裂、橫裂軌枕數(shù)量分別占調(diào)查區(qū)段軌構(gòu)數(shù)量的11％、20％、37％、60％、83％不等。1991年鐵道部對(duì)20條干線的112km線路的193888根Ⅱ型軌枕進(jìn)行調(diào)查，共發(fā)現(xiàn)裂縫軌枕18582根，損傷率為9．6％，其中軌枕頂面沿螺栓孔縱裂，頂面和側(cè)面縱裂、枕中頂面橫裂分別占裂縫軌枕總數(shù)的33．8％、15％、38．1％。
(2)包括沿螺栓孔縱裂在內(nèi)的各類型縱向裂縫起初長度和寬度都很小。隨著時(shí)間推移，不論是運(yùn)營線路上的軌枕還是未鋪設(shè)的備用軌枕，裂縫均存在不斷發(fā)展的趨勢(shì)，裂縫寬度從0．5mm—5mm不等，長度一直縱裂至兩端，直至貫通，造成劈裂。
(3)雖不同型號(hào)軌枕產(chǎn)生裂縫情況沒有明顯區(qū)別，但不同廠家，不同時(shí)間生產(chǎn)的軌枕，包括在同一線路區(qū)段的不同廠家軌枕縱裂縫的表現(xiàn)卻有明顯區(qū)別。例如有一J—l和S—2型軌枕混鋪地段，在同樣的鋪設(shè)條件，即線路的平、縱斷面，通過總重相同，J—1型枕雖比S—2型枕低一級(jí)，但傷損的根數(shù)，尤其是縱向裂縫卻少得多。但從總體來看，1968~1976年間生產(chǎn)的69型枕各類裂縫，特別是縱裂和龜裂的比例和程度要嚴(yán)重得多。
2 混凝土軌枕裂縫的成因
混凝土軌枕裂縫的生成可以從結(jié)構(gòu)、工藝、材料等方面探討，也可從設(shè)計(jì)、制造、鋪設(shè)、使用等方面研究。在此，僅從物理、化學(xué)、力學(xué)的角度進(jìn)行分析。
2．1 力學(xué)因素
混凝土軌枕所受彎矩的大小不僅與枕上動(dòng)壓力有關(guān)，而且與枕下道碴支承狀態(tài)有關(guān)。原先設(shè)計(jì)規(guī)定鋪設(shè)和養(yǎng)護(hù)時(shí)應(yīng)使軌枕中間部分掏空400rnm，掏空部分道碴頂面應(yīng)低于枕底30mm，避免負(fù)彎矩過大而產(chǎn)生枕中上部橫裂。近年來要求中間不掏空，即中間應(yīng)墊滿浮碴。設(shè)計(jì)時(shí)假設(shè)中間部分的支承反力應(yīng)為軌下部分的3／4(掏空時(shí)為0)。與一般的預(yù)應(yīng)力混凝土制品不同的是軌枕的支承狀態(tài)隨著列車的運(yùn)行及養(yǎng)護(hù)維修條件而不斷變化，一旦當(dāng)支承狀態(tài)與枕上垂直動(dòng)壓力力聯(lián)合作用引起的彎矩超過設(shè)計(jì)限值時(shí)，則軌枕的相應(yīng)部分就會(huì)產(chǎn)生如圖1、圖2所示的裂縫。此外當(dāng)預(yù)加應(yīng)力偏大而脫模時(shí)混凝土強(qiáng)度又不足時(shí)，軌枕端部就會(huì)產(chǎn)生如圖5、圖6所示的縱向裂縫；列車運(yùn)行時(shí)對(duì)鋼軌的水平和縱向作用力和螺旋道釘引起的上拔力又會(huì)使軌枕螺栓道釘孔周圍產(chǎn)生如圖3、圖4所示的縱向裂縫和橫向裂縫。
由于預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕橫向裂縫(軌下正彎矩和枕中正、負(fù)彎矩)在計(jì)算和試驗(yàn)方面均已有諸多研究，而縱向裂縫的計(jì)算及試驗(yàn)卻很少涉及。在此，僅對(duì)端部縱向裂縫(或稱水平裂縫)作一分析：
根據(jù)清華大學(xué)研究，先張法高強(qiáng)鋼絲預(yù)應(yīng)力混凝土梁，當(dāng)預(yù)應(yīng)力值較高時(shí)，沿梁高離開預(yù)應(yīng)力筋一段距離，靠近中和軸附近，在梁端面上出現(xiàn)拉應(yīng)力6Y，常引起端頭裂縫，如圖8所示。
通過20余根梁的模擬試驗(yàn)，建立了端面拉應(yīng)力計(jì)算公式：6Ymax＝k6 o
式中：6 o一梁端橫截面上平均壓應(yīng)力：6 o＝N／A (A為梁端橫截面積，N為混凝土預(yù)壓力)；
k一應(yīng)力系數(shù)，其變化規(guī)律可近似表達(dá)為：
k＝1／{18(e／h)2十0．25}
式中：e一集中力距底邊的距離；h一為端部梁高；
裂縫發(fā)生的位置C(裂縫與梁底面的距離)：√eh
梁的抗裂性驗(yàn)算必須滿足下式要求：6Ymax≤rf t
式中：f t一混凝土的抗拉強(qiáng)度；
r一塑性系數(shù)(一般取1．7)
將以上研究結(jié)果用來驗(yàn)算預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的端部拉應(yīng)力，得出表1。
由表1可見，預(yù)應(yīng)力引起的軌枕端面水平拉應(yīng)力6Ymax約為混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度的75~90％，并為考慮塑性變形后的混凝土抗拉強(qiáng)度的50％，單一因素，軌枕單面是不會(huì)產(chǎn)生縱向裂縫的。但當(dāng)混凝土放張強(qiáng)度不足、溫差、干縮、堿集料反應(yīng)等因素附加作用時(shí)，則易造成6Ymax≤ft (物理化學(xué)作用時(shí)塑性變形不起作用)，從而引起縱向裂縫。此外，螺旋道釘上拔力較大時(shí)，與預(yù)加應(yīng)力疊加，則容易造成釘孔縱裂。
2．2 物理因素
物理因素系指軌枕制造和鋪設(shè)、運(yùn)營過程中受冷熱、干濕、凍融等的作用。當(dāng)蒸汽養(yǎng)護(hù)過程中升溫很快，恒溫溫度很高時(shí)，由于混凝土中氣、水、水泥、砂石等不同材料熱膨脹系數(shù)不同，而混凝土初期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度又很低時(shí)，高溫使氣、水大大膨脹，造成混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，容易引起軌枕表面特別是端頭表面的混凝土龜裂，疏松。
有一段時(shí)間，不少工廠軌枕生產(chǎn)中蒸汽養(yǎng)護(hù)沒有預(yù)養(yǎng)時(shí)間，升溫很快，恒溫溫度高于95℃，脫模時(shí)軌枕端部混凝土腫脹、疏松情況常有發(fā)生。而且放張時(shí)混凝土強(qiáng)度很多低于35N／mm2(70％fcu)，造成混凝土軌枕縱裂、龜裂現(xiàn)象較多。
當(dāng)出廠時(shí)僅有細(xì)微裂縫或僅有隱性微裂(肉眼看不見)的軌枕，在運(yùn)營過程中，受到振動(dòng)、沖擊、疲勞荷載的作用，以及外界環(huán)境不斷變化著的干濕循環(huán)，凍融循環(huán)作用，也會(huì)使裂縫的寬度和長度發(fā)展。
2．3 化學(xué)因素
化學(xué)因素指鋼筋銹蝕、混凝土腐蝕、碳酸化、堿集料反應(yīng)等。對(duì)中國混凝土軌枕而言，其中堿集料反應(yīng)(AAR)引起的破壞不容忽視。堿集料反應(yīng)的三個(gè)條件是：活性集料、高堿水泥和水，其破壞機(jī)理是以上三種物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在混凝土內(nèi)集料與水泥石的界面上生成硅酸鹽凝膠，體積膨脹，引起混凝土開裂。其中最為普遍的堿-硅酸反應(yīng)，方程式為： SiO 2十2ROH十nH 20→R 2Sio 3(n十1)H 20(R為Na或K)
由于中國生產(chǎn)的水泥長期對(duì)堿含量不作限制。采用高堿水泥可提高水泥產(chǎn)量，降低成本。而中國有一些地區(qū)的混凝土粗集料(石子)具有明顯的堿活性，二者結(jié)合在一起，容易形成堿集料反應(yīng)(AAR)破壞。這個(gè)問題是從六十年代末期開始，某工廠生產(chǎn)的預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕(以及橋梁)屢屢發(fā)生縱裂和龜裂，而又從結(jié)構(gòu)、工藝、鋪設(shè)養(yǎng)護(hù)條件進(jìn)行改進(jìn)還依然有縱裂、龜裂出現(xiàn)，直至八十年代末期，才開始認(rèn)識(shí)并通過試驗(yàn)予以證實(shí)的。檢驗(yàn)過程是：先從軌枕混凝土中取芯樣，檢驗(yàn)項(xiàng)目包括：①肉眼或用立體顯微鏡觀察，再用偏反光顯微鏡觀察光薄片，一般AAR造成的破壞常會(huì)損傷集料顆粒，裂縫多從集料延伸至漿體，有時(shí)還能明顯觀察到集料顆料裂開，或邊緣被撕裂。這一特征十分重要，因鹽腐蝕、化學(xué)腐蝕、鋼筋銹蝕、碳酸化、機(jī)械荷載等不會(huì)使集料顆粒受到損傷，因此這是AAR與其他破壞因素的主要特征；②依靠電子顯微鏡加上能譜分析可以測(cè)得堿硅酸鹽凝膠的化學(xué)成分，這是發(fā)生AAR的直接證明。另外，將混凝土的集料用機(jī)械方法和化學(xué)方法(一般是鹽酸溶液處理)分離出來，再用快速法和巖相法鑒定其堿活性，如對(duì)上海站所用寬軌枕以及濱綏線軌枕鑒定其堿活性，用壓蒸快速法測(cè)得部分活性集料的膨脹值如表2。
從表2中可看出，砂不具有堿活性，而粗集料中活性較大者膨脹率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過0．1％，接近于0．4％，然后采用綜合判定，可證實(shí)AAR破壞的可信程度。
鐵科院曾對(duì)中國華東、華南、華中、華北、西南、西北、東北各地區(qū)的15家軌枕廠現(xiàn)行使用的粗集料進(jìn)行堿活性檢驗(yàn)，先用巖相法評(píng)定出可疑集料，采用壓蒸快速法鑒定有10家廠的集料有潛在活性，以后再采用普通砂漿棒法和混凝土柱法，匯總后最終評(píng)定為5家.
粗集料有堿活性，分別分布在華北、華中、西南、西北地區(qū)。由此可見，AAR引起的軌枕龜裂，縱裂問題不容忽視。
綜上所述，縱向裂縫主要由內(nèi)因(材料、結(jié)構(gòu)、工藝因素)所致，外因(荷載及凍融、干濕循環(huán))僅是促其發(fā)展，橫向裂縫則是內(nèi)因(預(yù)應(yīng)力配筋，斷面及混凝土強(qiáng)度)與外因(荷載及軌枕支承條件)綜合作用所致。