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(guò)大而產(chǎn)生枕中上部橫裂。近年來(lái)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(guò)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(kāi)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(guò)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(lái)驗(yàn)算預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的端部拉應(yīng)力，得出表l.
由表1可見(jiàn)，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(yíng)過(guò)程中受冷熱、干濕、凍融等的作用。當(dāng)蒸汽養(yǎng)護(hù)過(guò)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(méi)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(jiàn))的軌枕，在運(yùn)營(yíng)過(guò)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(zhǎng)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(guó)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(kāi)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(guó)生產(chǎn)的水泥長(zhǎng)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(guó)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(wèn)題是從六十年代末期開(kāi)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(kāi)始認(rèn)識(shí)并通過(guò)試驗(yàn)予以證實(shí)的。檢驗(yàn)過(guò)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(kāi)，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(lái)，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.
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(guò)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(guó)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(jiàn)，AAR引起的軌枕龜裂，縱裂問(wèn)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。
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(guò)大而產(chǎn)生枕中上部橫裂。近年來(lái)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(guò)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(kāi)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(guò)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(lái)驗(yàn)算預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的端部拉應(yīng)力，得出表l.
由表1可見(jiàn)，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(yíng)過(guò)程中受冷熱、干濕、凍融等的作用。當(dāng)蒸汽養(yǎng)護(hù)過(guò)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(méi)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(jiàn))的軌枕，在運(yùn)營(yíng)過(guò)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(zhǎng)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(guó)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(kāi)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(guó)生產(chǎn)的水泥長(zhǎng)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(guó)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(wèn)題是從六十年代末期開(kāi)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(kāi)始認(rèn)識(shí)并通過(guò)試驗(yàn)予以證實(shí)的。檢驗(yàn)過(guò)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(kāi)，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(lái)，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.
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(guò)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(guó)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(jiàn)，AAR引起的軌枕龜裂，縱裂問(wèn)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。