3 裂縫對混凝土軌枕結(jié)構(gòu)耐久性的影響
(1)軌枕處在露天環(huán)境中，由于混凝土致密，水、氣不會滲入內(nèi)部，但當裂縫開展到一定寬度，且裂縫深度到達保護層時，水、氣就會沿著裂縫逐步滲透到達鋼筋，引起鋼筋腐蝕、生銹，鐵銹是一種鐵的化合物(氧化鐵)，其體積膨脹4倍，在混凝土內(nèi)部引起內(nèi)應力，導致混凝土進一步開裂，并使預應力鋼筋與混凝土的握裹力降低，從而影響軌枕的承載能力。
需要指出的是，混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕主要是電化學腐蝕，其腐蝕速度(程度)與鋼筋所處環(huán)境的堿度 (pH值)有關，pH值越高，越能保護鋼筋不被腐蝕。當結(jié)構(gòu)混凝土有裂縫時，水進入到鋼筋引起氧化，鋼筋銹蝕，氣進入裂縫引起混凝土碳酸化，降低pH值，加深鋼筋腐蝕，而且這種腐蝕當有C1-和SO42-離子存在時會加劇。
(2)研究表明，結(jié)構(gòu)混凝土的裂縫只有達到一定寬度時，水、氣才能滲入，引起鋼筋腐蝕。國內(nèi)外規(guī)范規(guī)定，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫允許寬度為0.1~ 0.3mm(視不同介質(zhì)環(huán)境)，預應力混凝土結(jié)構(gòu)甚至不允許出現(xiàn)裂縫，其目的都是為了保證鋼筋不銹蝕。但從國內(nèi)外作的多次調(diào)查和試驗，又證明裂縫寬度與鋼筋銹蝕沒有直接關系。
中國建工四局科研所等八單位曾調(diào)查華南、華東、西南、西北的48項鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程，裂縫寬度為0.13，1，2，4，9mm，有的達規(guī)范規(guī)定的30倍之多。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除在氯化物含量較高環(huán)境中，鋼筋有較大銹蝕外，其余均末發(fā)生銹蝕，日本為探索預應力混凝土接觸網(wǎng)支柱產(chǎn)生裂縫后的耐久性問題，曾將已有裂縫的支柱自然置于冬(— 10 ~ —18℃)夏(16~36℃)的環(huán)境中進行長達二十余年的反復凍融試驗，從長期的觀測總結(jié)中，可看出裂縫寬度沒有擴展，混凝土的碳酸化也是輕微的，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部鋼筋銹蝕。
軌枕雖然也處于露天環(huán)境，但底部有30cm厚的道渣墊層，不會浸泡在水中。根據(jù)調(diào)查分析，表面寬度不超過lmm的裂縫，深度一般也達不到鋼筋位置。這種裂縫對其結(jié)構(gòu)性能是不會有影響的。
(3)調(diào)查研究還表明，縱向裂縫對結(jié)構(gòu)耐久性的影響一般要比橫向裂縫嚴重。因鋼筋混凝土構(gòu)件的縱向裂縫引起的鋼筋銹蝕會使保護層剝落，龜裂擴展會引起混凝土疏松、掉塊。筆者等曾從不同線路上抽取16根，其中帶有不同縱裂狀態(tài)的軌枕11根，常態(tài)軌枕5根，逐根進行軌下截面靜載抗裂強度和疲勞強度試驗。從表3 的試驗結(jié)果可看出：①出現(xiàn)貫通裂縫的軌枕，大部分軌下截面的靜載抗裂強度有比較明顯的降低;②端部縱裂或龜裂的軌枕，靜載抗裂強度及疲勞強度，與常態(tài)軌枕比較，一般無顯著差別。這說明軌端部的縱裂和龜裂多是從表面開始，還未發(fā)展到影響混凝土與鋼筋的握裹力。
另據(jù)八十年代昆明鐵路局的調(diào)查，螺旋道釘孔頂面縱裂寬度不超過lmm的軌枕使用十年，通過總重2.6噸，大都仍能保持軌距。剖開縱裂軌枕，內(nèi)部鋼筋一般均末銹蝕，但沿釘孔縱裂寬度達3mm以上，裂縫長度從釘孔延伸至兩端變截面時，將對軌距保持能力造成影響。
從多次調(diào)查及表3試驗結(jié)果可看出，寬度和長度都不大的裂縫對軌枕承載能力幾乎沒有影響。因此可以采用修補辦法將裂縫封閉，以提高結(jié)構(gòu)耐久性。中國鐵科院等單位研制的補縫膠、修補膠等用來修補裂縫軌枕，施工簡單易行，造價低廉，對提高軌枕結(jié)構(gòu)耐久性，具有良好效果。
4 混凝土軌枕裂縫的預防和控制
軌枕作為一種預應力混凝土結(jié)構(gòu)，要想完全杜絕裂縫是很難做到的。但裂縫畢竟是有害的。為此，應當竭盡全力來防止裂縫的出現(xiàn)。
預防和控制裂縫，可以從三方面入手：
(1)從力學角度，為防止橫向裂縫，除了根據(jù)可能出現(xiàn)的荷載，合理配置預應力鋼筋外，還應加強端部箍筋和道釘孔處螺旋筋的配置。此外，加強線路維修養(yǎng)護，使軌枕處于良好支承狀態(tài)也是防止軌枕軌下和枕中出現(xiàn)橫向裂縫的重要條件。
箍筋和螺旋筋的設置有利于防止軌枕端部和中部縱裂以及釘孔裂縫，但目前箍筋本身不成整體，且與預應力鋼筋只是松散搭接，在防止縱裂方面效果有限。有的工廠嚴格將端部箍筋布置在離端頭30mm范圍內(nèi)，并與預應力鋼筋牢固綁扎在一起，從而發(fā)現(xiàn)對防止端部縱裂有很好效果。
(2)加強生產(chǎn)管理，嚴格操作工藝
九十年代以后，中國混凝土軌枕工廠的上級管理部門對工藝操作提出按《技術(shù)條件》和《檢查細則》嚴格要求，如嚴格混凝土配合比，確保振動密實和混凝土強度 (包括放張強度)，特別是蒸汽養(yǎng)護，要求預養(yǎng)時間≥2h，升溫速度≤20℃/h，恒溫速度≤60℃，脫模時軌枕表面與環(huán)境溫度之差≤20~40℃，有的工廠還在軌枕脫模存放的三天內(nèi)進行澆水養(yǎng)護。這些措施對于減少軌枕裂縫，特別是龜裂及縱裂，將是十分有利的。
(3)嚴格控制混凝土原材料
除了對水泥強度與安定性、集料的級配與含泥量等常規(guī)指標嚴格控制外，還應重點考慮堿集料反應問題。
中國天然河砂至今未發(fā)現(xiàn)有堿活性，但不少地區(qū)的粗集料卻有潛在堿活性，因此應大力推廣應用低堿水泥(含堿量≤0.6%)和低堿減水劑。在目前使用低堿水泥和低堿減水劑尚有困難的情況下，應注意控制水泥用量，以使軌枕混凝土的堿含量不超過安全限值(3kg/m3)o例如：當水泥含堿量高達1%，軌枕混凝土的水泥用量為500kg/m3時，則混凝土的含堿量為500×1%=5kg/m3.即使不摻減水劑，亦已大大超過3kg/m3的安全限值;當水泥含堿量為0.6%時，減水劑含堿量為5%，摻量為1%時，則混凝土含堿量為500×0.6%十500×1%×5%=3.25kg/m3>3kg/m3(安全限值)，因此，這時混凝土的水泥用量就降為460kg/m3，因為460×0.6%十460×1%×5%=2.99kg/m3≈3kg/m3(安全限值)，而不是通常技術(shù)條件中規(guī)定的500kg/m3.
5 關于混凝土軌枕失效標準的認識
鐵路工務規(guī)程中關于軌枕失效標準，規(guī)定為：①明顯折裂;②環(huán)裂裂縫寬度超過0.5mm;③承軌槽面壓潰，擋肩嚴重破損;④縱向裂縫寬度超過0.5mm，長度超過全長二分之一;⑤承軌槽間兩釘孔間裂縫寬度超過0.5mm，并延伸至軌枕端部或軌枕中部;⑥承軌槽裂紋交錯，嚴重掉塊露筋。筆者認為以上規(guī)定是合適的。按規(guī)定，軌枕達到失效，就應從線路上更換下來，以保證行車安全。但根據(jù)以上各種調(diào)查、試驗的研究分析，在行車密度增大，從線路上更換軌枕更加困難，而在混凝土補縫材料和補縫技術(shù)不斷發(fā)展的今天，僅是因為裂縫而被認為失效的軌枕，由于承載能力及其他使用性能并未降低，可以采用即時修補的方法，以避免裂縫發(fā)展和鋼筋銹蝕，保持結(jié)構(gòu)耐久性，延長軌枕使用壽命，從而提高線路的綜合技術(shù)經(jīng)濟效益。
(1)軌枕處在露天環(huán)境中，由于混凝土致密，水、氣不會滲入內(nèi)部，但當裂縫開展到一定寬度，且裂縫深度到達保護層時，水、氣就會沿著裂縫逐步滲透到達鋼筋，引起鋼筋腐蝕、生銹，鐵銹是一種鐵的化合物(氧化鐵)，其體積膨脹4倍，在混凝土內(nèi)部引起內(nèi)應力，導致混凝土進一步開裂，并使預應力鋼筋與混凝土的握裹力降低，從而影響軌枕的承載能力。
需要指出的是，混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕主要是電化學腐蝕，其腐蝕速度(程度)與鋼筋所處環(huán)境的堿度 (pH值)有關，pH值越高，越能保護鋼筋不被腐蝕。當結(jié)構(gòu)混凝土有裂縫時，水進入到鋼筋引起氧化，鋼筋銹蝕，氣進入裂縫引起混凝土碳酸化，降低pH值，加深鋼筋腐蝕，而且這種腐蝕當有C1-和SO42-離子存在時會加劇。
(2)研究表明，結(jié)構(gòu)混凝土的裂縫只有達到一定寬度時，水、氣才能滲入，引起鋼筋腐蝕。國內(nèi)外規(guī)范規(guī)定，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫允許寬度為0.1~ 0.3mm(視不同介質(zhì)環(huán)境)，預應力混凝土結(jié)構(gòu)甚至不允許出現(xiàn)裂縫，其目的都是為了保證鋼筋不銹蝕。但從國內(nèi)外作的多次調(diào)查和試驗，又證明裂縫寬度與鋼筋銹蝕沒有直接關系。
中國建工四局科研所等八單位曾調(diào)查華南、華東、西南、西北的48項鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程，裂縫寬度為0.13，1，2，4，9mm，有的達規(guī)范規(guī)定的30倍之多。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除在氯化物含量較高環(huán)境中，鋼筋有較大銹蝕外，其余均末發(fā)生銹蝕，日本為探索預應力混凝土接觸網(wǎng)支柱產(chǎn)生裂縫后的耐久性問題，曾將已有裂縫的支柱自然置于冬(— 10 ~ —18℃)夏(16~36℃)的環(huán)境中進行長達二十余年的反復凍融試驗，從長期的觀測總結(jié)中，可看出裂縫寬度沒有擴展，混凝土的碳酸化也是輕微的，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部鋼筋銹蝕。
軌枕雖然也處于露天環(huán)境，但底部有30cm厚的道渣墊層，不會浸泡在水中。根據(jù)調(diào)查分析，表面寬度不超過lmm的裂縫，深度一般也達不到鋼筋位置。這種裂縫對其結(jié)構(gòu)性能是不會有影響的。
(3)調(diào)查研究還表明，縱向裂縫對結(jié)構(gòu)耐久性的影響一般要比橫向裂縫嚴重。因鋼筋混凝土構(gòu)件的縱向裂縫引起的鋼筋銹蝕會使保護層剝落，龜裂擴展會引起混凝土疏松、掉塊。筆者等曾從不同線路上抽取16根，其中帶有不同縱裂狀態(tài)的軌枕11根，常態(tài)軌枕5根，逐根進行軌下截面靜載抗裂強度和疲勞強度試驗。從表3 的試驗結(jié)果可看出：①出現(xiàn)貫通裂縫的軌枕，大部分軌下截面的靜載抗裂強度有比較明顯的降低;②端部縱裂或龜裂的軌枕，靜載抗裂強度及疲勞強度，與常態(tài)軌枕比較，一般無顯著差別。這說明軌端部的縱裂和龜裂多是從表面開始，還未發(fā)展到影響混凝土與鋼筋的握裹力。
另據(jù)八十年代昆明鐵路局的調(diào)查，螺旋道釘孔頂面縱裂寬度不超過lmm的軌枕使用十年，通過總重2.6噸，大都仍能保持軌距。剖開縱裂軌枕，內(nèi)部鋼筋一般均末銹蝕，但沿釘孔縱裂寬度達3mm以上，裂縫長度從釘孔延伸至兩端變截面時，將對軌距保持能力造成影響。
從多次調(diào)查及表3試驗結(jié)果可看出，寬度和長度都不大的裂縫對軌枕承載能力幾乎沒有影響。因此可以采用修補辦法將裂縫封閉，以提高結(jié)構(gòu)耐久性。中國鐵科院等單位研制的補縫膠、修補膠等用來修補裂縫軌枕，施工簡單易行，造價低廉，對提高軌枕結(jié)構(gòu)耐久性，具有良好效果。
4 混凝土軌枕裂縫的預防和控制
軌枕作為一種預應力混凝土結(jié)構(gòu)，要想完全杜絕裂縫是很難做到的。但裂縫畢竟是有害的。為此，應當竭盡全力來防止裂縫的出現(xiàn)。
預防和控制裂縫，可以從三方面入手：
(1)從力學角度，為防止橫向裂縫，除了根據(jù)可能出現(xiàn)的荷載，合理配置預應力鋼筋外，還應加強端部箍筋和道釘孔處螺旋筋的配置。此外，加強線路維修養(yǎng)護，使軌枕處于良好支承狀態(tài)也是防止軌枕軌下和枕中出現(xiàn)橫向裂縫的重要條件。
箍筋和螺旋筋的設置有利于防止軌枕端部和中部縱裂以及釘孔裂縫，但目前箍筋本身不成整體，且與預應力鋼筋只是松散搭接，在防止縱裂方面效果有限。有的工廠嚴格將端部箍筋布置在離端頭30mm范圍內(nèi)，并與預應力鋼筋牢固綁扎在一起，從而發(fā)現(xiàn)對防止端部縱裂有很好效果。
(2)加強生產(chǎn)管理，嚴格操作工藝
九十年代以后，中國混凝土軌枕工廠的上級管理部門對工藝操作提出按《技術(shù)條件》和《檢查細則》嚴格要求，如嚴格混凝土配合比，確保振動密實和混凝土強度 (包括放張強度)，特別是蒸汽養(yǎng)護，要求預養(yǎng)時間≥2h，升溫速度≤20℃/h，恒溫速度≤60℃，脫模時軌枕表面與環(huán)境溫度之差≤20~40℃，有的工廠還在軌枕脫模存放的三天內(nèi)進行澆水養(yǎng)護。這些措施對于減少軌枕裂縫，特別是龜裂及縱裂，將是十分有利的。
(3)嚴格控制混凝土原材料
除了對水泥強度與安定性、集料的級配與含泥量等常規(guī)指標嚴格控制外，還應重點考慮堿集料反應問題。
中國天然河砂至今未發(fā)現(xiàn)有堿活性，但不少地區(qū)的粗集料卻有潛在堿活性，因此應大力推廣應用低堿水泥(含堿量≤0.6%)和低堿減水劑。在目前使用低堿水泥和低堿減水劑尚有困難的情況下，應注意控制水泥用量，以使軌枕混凝土的堿含量不超過安全限值(3kg/m3)o例如：當水泥含堿量高達1%，軌枕混凝土的水泥用量為500kg/m3時，則混凝土的含堿量為500×1%=5kg/m3.即使不摻減水劑，亦已大大超過3kg/m3的安全限值;當水泥含堿量為0.6%時，減水劑含堿量為5%，摻量為1%時，則混凝土含堿量為500×0.6%十500×1%×5%=3.25kg/m3>3kg/m3(安全限值)，因此，這時混凝土的水泥用量就降為460kg/m3，因為460×0.6%十460×1%×5%=2.99kg/m3≈3kg/m3(安全限值)，而不是通常技術(shù)條件中規(guī)定的500kg/m3.
5 關于混凝土軌枕失效標準的認識
鐵路工務規(guī)程中關于軌枕失效標準，規(guī)定為：①明顯折裂;②環(huán)裂裂縫寬度超過0.5mm;③承軌槽面壓潰，擋肩嚴重破損;④縱向裂縫寬度超過0.5mm，長度超過全長二分之一;⑤承軌槽間兩釘孔間裂縫寬度超過0.5mm，并延伸至軌枕端部或軌枕中部;⑥承軌槽裂紋交錯，嚴重掉塊露筋。筆者認為以上規(guī)定是合適的。按規(guī)定，軌枕達到失效，就應從線路上更換下來，以保證行車安全。但根據(jù)以上各種調(diào)查、試驗的研究分析，在行車密度增大，從線路上更換軌枕更加困難，而在混凝土補縫材料和補縫技術(shù)不斷發(fā)展的今天，僅是因為裂縫而被認為失效的軌枕，由于承載能力及其他使用性能并未降低，可以采用即時修補的方法，以避免裂縫發(fā)展和鋼筋銹蝕，保持結(jié)構(gòu)耐久性，延長軌枕使用壽命，從而提高線路的綜合技術(shù)經(jīng)濟效益。