軌枕制造過(guò)程中裂紋產(chǎn)生的原因及控制措施

張 亮

(中鐵物資太原軌枕有限公司，山西 太原 030041)

軌枕制造過(guò)程中裂紋產(chǎn)生的原因及控制措施

張 亮

(中鐵物資太原軌枕有限公司，山西 太原 030041)

介紹了預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕制造過(guò)程裂紋特點(diǎn),并就軌枕制造過(guò)程裂紋產(chǎn)生的原因作了分析,從選用水泥品種、外加劑、摻加料、控制混凝土的澆筑、預(yù)應(yīng)力鋼筋定長(zhǎng)和放張等方面提出了控制裂紋產(chǎn)生的措施，以提高構(gòu)件的抗裂性能和剛度。

預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，裂紋，原因，控制措施

鋼筋混凝土是由膠凝材料、集料、外加劑和水等拌合而成的混凝土與鋼筋一起組成的具有一定抗壓強(qiáng)度的材料，廣泛應(yīng)用于建筑施工中。為了避免鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫過(guò)早出現(xiàn)，充分利用高強(qiáng)度鋼筋的抗拉性能及高強(qiáng)度混凝土的抗壓性能，設(shè)法在混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受使用荷載前，通過(guò)施加外力，使得構(gòu)件產(chǎn)生的拉應(yīng)力減小，甚至處于壓應(yīng)力狀態(tài)下，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土應(yīng)運(yùn)而生，目的是依靠鋼筋預(yù)壓應(yīng)力來(lái)減小或抵消荷載所引起的混凝土拉應(yīng)力，從而將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的拉應(yīng)力控制在較小范圍，甚至處于受壓狀態(tài),以推遲混凝土裂紋的出現(xiàn)和開(kāi)展，從而提高構(gòu)件的抗裂性能和剛度。

然而，不管是鋼筋混凝土還是預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土，其本身都是由不同材料組合在一起的非勻質(zhì)體，在實(shí)際生產(chǎn)和施工過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生這樣或那樣的缺陷，這些缺陷的原始起因則是裂紋。這種裂紋產(chǎn)生的機(jī)理在于混凝土所承受的拉應(yīng)力超過(guò)了其本身的抗拉強(qiáng)度。具體可歸結(jié)為溫度和濕度變化、外荷載產(chǎn)生的變形過(guò)大和施工方法不當(dāng)?shù)仍?，預(yù)應(yīng)力混凝土裂紋產(chǎn)生除上述原因外，還與預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土用鋼筋束中鋼筋長(zhǎng)度的誤差、作為輔筋用箍筋的安放位置、預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件鋼筋放張(先張法)過(guò)程中張拉力與混凝土強(qiáng)度關(guān)系(兩者關(guān)系如控制不好則可能造成混凝土構(gòu)件產(chǎn)生裂紋)有關(guān)。

預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕制造過(guò)程產(chǎn)生的裂紋主要表現(xiàn)為：沿預(yù)應(yīng)力筋方向的縱裂、垂直預(yù)應(yīng)力筋方向的橫裂或環(huán)裂、預(yù)留孔周邊的釘孔裂紋和軌枕端部沿下排鋼筋方向的底裂。

1 預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕生產(chǎn)過(guò)程中裂紋產(chǎn)生的原因

1.1 混凝土自身體積的變化引起裂紋

由于化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)收縮、自收縮；濕度引起的干濕變形；溫度變形等，都會(huì)因?yàn)榛炷恋捏w積變化而形成裂紋，產(chǎn)生這種裂紋主要因素有水灰比、混凝土的凝結(jié)時(shí)間、相對(duì)濕度、溫度變化等。

1.2 模型剛度不足

預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕鋼模型，它既是軌枕成型的模具，又是鋼筋在預(yù)應(yīng)力施工中的受力床，混凝土軌枕生產(chǎn)的主要工序都在鋼模型中完成，因此鋼模型不僅要求足夠的強(qiáng)度和剛度，而且要求耐濕熱介質(zhì)的腐蝕和巨大壓應(yīng)力的疲勞荷載，制造混凝土軌枕用模型在經(jīng)過(guò)反復(fù)張拉、蒸養(yǎng)過(guò)程中，模型將產(chǎn)生變形，其形式包括上拱、下?lián)?、扭曲，模型變形將直接影響到張拉鋼筋束中每根鋼筋的受力，在放張時(shí)混凝土端面鋼筋處將產(chǎn)生剪力，當(dāng)混凝土端面剪力較大，混凝土強(qiáng)度偏低或鋼筋混凝土保護(hù)層偏小時(shí)將在預(yù)應(yīng)力鋼筋處混凝土產(chǎn)生裂紋，同時(shí)在蒸養(yǎng)完畢進(jìn)行脫模時(shí)，混凝土頂部與空氣直接接觸其冷卻速度將快于底板處混凝土、收縮也將快于底板，而此時(shí)埋設(shè)于軌枕中鋼絲未切割，預(yù)應(yīng)力尚未施加，混凝土抵不住這種大的拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致了頂部裂紋的產(chǎn)生。

2 裂紋的防治

1)在強(qiáng)度允許的情況下選用水化熱比較低的水泥。

不同的水泥，其早期水化所放出的熱量不同。在混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度允許的情況下，我們應(yīng)盡可能選用水化熱較小的水泥。這樣就會(huì)減少混凝土內(nèi)外的溫差，從而減少溫度梯度而形成的裂紋。

2)合理控制水泥和水的用量。

混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，在保證滿足混凝土強(qiáng)度、耐久性和混凝土具有良好工作性的情況下，應(yīng)盡可能的降低混凝土的單位水泥和水用量。根據(jù)大量的試驗(yàn)資料表明,每立方米混凝土中的水泥用量,每增(減)10 kg,其水化熱將使混凝土的溫度相應(yīng)升(降)1 ℃。因此,為控制混凝土溫升,降低溫度應(yīng)力,避免溫度裂紋，盡量減少水泥的用量。對(duì)高強(qiáng)混凝土用水泥還應(yīng)控制其比表面積小于350 m2/kg。

3)骨料的質(zhì)量控制。

首先是骨料粒形與粒徑級(jí)配的控制，我們應(yīng)嚴(yán)格控制骨料中針片狀的含量，使其在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，如果針片狀含量過(guò)高、粒徑級(jí)配不合理都會(huì)造成骨料的空隙率加大，從而影響混凝土的密實(shí)性，最終導(dǎo)致混凝土裂紋的產(chǎn)生。再者在使用骨料前還應(yīng)進(jìn)行減集料反應(yīng)試驗(yàn)，防止混凝土后期因減集料反應(yīng)而產(chǎn)生裂紋。

4)鋼筋質(zhì)量控制。

首先，選擇強(qiáng)度高及松弛低的鋼筋，保證鋼筋張拉力值，減少應(yīng)力損失；其二，螺旋、刻痕鋼筋的外形尺寸能滿足與混凝土的粘結(jié)力；其三，同組張拉的鋼筋束中每根鋼筋的長(zhǎng)度誤差應(yīng)嚴(yán)格控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；其四，嚴(yán)禁鋼筋超張拉。

5)摻加磨細(xì)礦渣粉。

磨細(xì)礦渣粉具有潛在活性，在水泥熟料和石膏等激發(fā)作用下，其活性被激發(fā)，其水化硬化作用而產(chǎn)生強(qiáng)度，磨細(xì)礦渣粉比表面積(350 m2/kg～500 m2/kg)比水泥比表面積(300 m2/kg～350 m2/kg)大,因此在混凝土拌合物中磨細(xì)礦渣粉可以替代原來(lái)的填充水或孔隙，填充在水泥顆粒之間，改善混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，提高混凝土密實(shí)度。磨細(xì)礦渣粉不僅對(duì)水泥有填充作用，而且能夠減少混凝土用水量，摻加的磨細(xì)礦渣粉比表面積高低直接影響到其活性的發(fā)揮，同一品種的磨細(xì)礦渣粉比表面積不同，其活性指數(shù)是不同的，42.5普通水泥3 d抗壓指標(biāo)不小于23 MPa以上時(shí)，混凝土強(qiáng)度隨磨細(xì)礦渣粉摻入量的增加而下降，3 d抗壓強(qiáng)度下降尤為明顯但劈裂抗拉強(qiáng)度有所提高。由于磨細(xì)礦渣粉的早期填充作用和后期的活性填充作用，從而大大降低了混凝土中水泥的水化熱，延緩了水化熱峰值出現(xiàn)的時(shí)間，可有效控制混凝土溫度裂紋和收縮裂紋。

6)摻加外加劑。

高強(qiáng)混凝土中摻加的外加劑主要是萘系高效減水劑和聚羧酸高性能減水劑,它對(duì)水泥顆粒有明顯的分散效應(yīng),并能使水的表面張力降低,這樣不僅能使混凝土的和易性有明顯的改善,而且可減少15%～25%左右的拌合水,節(jié)省水泥10%～20%，混凝土強(qiáng)度提高15%～30%，從而降低水化熱。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)萘系高效減水劑和聚羧酸高性能減水劑與同一廠家生產(chǎn)的同品種不同批次水泥的適應(yīng)性相差很大，如做水泥凈漿流動(dòng)度試驗(yàn)，其流動(dòng)度最大相差40 mm，但隨著減水劑摻量增加其凈漿流動(dòng)度也會(huì)加大，如果將凈漿流動(dòng)度低的水泥存放20 d左右再試驗(yàn)，其流動(dòng)度明顯變大，這種現(xiàn)象提醒我們即使同一廠家生產(chǎn)的同品種水泥不同批次也要進(jìn)行凈漿流動(dòng)度試驗(yàn)，以確保水泥與減水劑的適應(yīng)性。

7)摻加鋼纖維。

鋼纖維混凝土較普通混凝土有較好的抗裂性、韌性、抗沖擊、抗疲勞性，適量摻加鋼纖維可提高混凝土抗拉強(qiáng)度，對(duì)控制軌枕裂紋具有積極作用，特別是軌枕鋪設(shè)之后將承受較大的沖擊荷載，其正好利用了鋼纖維混凝土的較好抗沖擊性和塑性。

8)控制混凝土的澆筑溫度。

混凝土從攪拌機(jī)出料后,經(jīng)攪拌車或其他工具運(yùn)輸、卸料、振搗等工序后的混凝土溫度稱為混凝土澆筑溫度。在有條件的情況下,混凝土的澆筑溫度越低,對(duì)于降低混凝土內(nèi)外溫差越有利。根據(jù)實(shí)踐,混凝土澆筑溫度和模型表面溫度控制在小于30 ℃為宜,這就要求在常規(guī)施工情況下,應(yīng)該合理選擇澆筑時(shí)間,完善澆筑工藝,加強(qiáng)對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù)。

9)嚴(yán)格控制混凝土的蒸汽養(yǎng)護(hù)。

蒸養(yǎng)預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕產(chǎn)生的裂紋,絕大多數(shù)為軌枕端部底面預(yù)應(yīng)力鋼筋周邊裂紋,這些裂紋是各種綜合原因產(chǎn)生的，在施工中若能加強(qiáng)混凝土軌枕的保濕、保溫養(yǎng)護(hù),對(duì)防止混凝土產(chǎn)生裂紋具有重大的作用。a.控制蒸汽養(yǎng)護(hù)池溫度、濕度以減小混凝土的內(nèi)外溫差(根據(jù)對(duì)蒸養(yǎng)軌枕枕芯和表面溫度測(cè)試其內(nèi)外溫差大于15 ℃)，防止出現(xiàn)表面裂紋;b.保證養(yǎng)護(hù)靜停時(shí)間2 h～3 h、升/降溫速率小于15 ℃/h(使水泥順利水化,防止產(chǎn)生過(guò)大的溫度應(yīng)力)和恒溫小于60 ℃，預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕脫模時(shí)應(yīng)與外界溫差小于15 ℃，同時(shí)加強(qiáng)脫模軌枕的保溫(主要是冬季)和保濕工作。

10)加強(qiáng)混凝土的澆灌振搗，提高密實(shí)度。

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力作用下，持續(xù)地產(chǎn)生徐變，同時(shí)結(jié)構(gòu)暴露在大氣中，混凝土不斷收縮，這兩項(xiàng)變形同時(shí)存在互相影響，收縮使預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生收縮應(yīng)力，這種收縮應(yīng)力使混凝土產(chǎn)生徐變，預(yù)應(yīng)力混凝土收縮和徐變很難分開(kāi)，收縮和徐變與作用在混凝土上的預(yù)壓力成正比，和施加預(yù)壓力時(shí)混凝土強(qiáng)度成反比。因此施工中要嚴(yán)格控制骨料級(jí)配，加強(qiáng)骨料含水率測(cè)定(保證施工混凝土的水灰比穩(wěn)定)，保證混凝土攪拌時(shí)間，定期對(duì)混凝土振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的平整度、頻率、振幅、激振力進(jìn)行測(cè)定，確保混凝土密實(shí)度、強(qiáng)度及鋼筋混凝土保護(hù)層的厚度。

11)模型和工裝控制。

鋼筋張拉到控制應(yīng)力后，鋼筋張拉力便由錨固板承受，張拉力同時(shí)傳遞到模型，鋼筋錨固板、模型因受力而變形，此時(shí)鋼筋在錨固板內(nèi)將產(chǎn)生微小的滑動(dòng)，加之模型變形引起的鋼筋束應(yīng)力不均，其結(jié)果使單根預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力不均，造成放張時(shí)混凝土軌枕端面所受預(yù)應(yīng)力壓力不均，鋼筋間產(chǎn)生剪力，當(dāng)混凝土強(qiáng)度不足以抵抗此剪應(yīng)力時(shí)混凝土軌枕端面將產(chǎn)生裂紋，這要求施工中應(yīng)嚴(yán)格控制張拉用錨固板沉孔尺寸(錨固板經(jīng)多次使用由于其沉孔與鋼筋的摩擦而將沉孔尺寸變大)和同組鋼筋束中每根鋼筋墩頭直徑和高度，且對(duì)模型定期和不定期校正，保證在用模型、工裝尺寸、軌枕混凝土鋼筋位置和軌枕厚度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

微細(xì)裂紋在預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕制造過(guò)程中是一種偶發(fā)現(xiàn)象，但是裂紋的出現(xiàn)不僅會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的整體性和剛度，還會(huì)引起鋼筋的銹蝕，加速混凝土的碳化，降低混凝土的使用耐久性、抗疲勞和抗?jié)B能力，給鐵路工程帶來(lái)極大的損害。因此在軌枕制造過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制原材料、施工工藝和工裝配件，以杜絕裂紋的出現(xiàn)。

Cracking causes and control measures in sleeper manufacture process

ZHANG Liang

(TaiyuanSleeperCo.,Ltd,ChinaRailwayMaterials,Taiyuan030041,China)

The paper introduces prestressed concrete sleeper manufacture cracking features, analyzes cracks producing causes in sleeper manufacture process, and puts forward cracks controlling measures from aspects of cement selection, admixture, concrete grouting, prestressed steel length and tension and so on, with a view to improve structure cracks resisting performance and rigidity.

prestressed concrete sleeper, cracks, causes, control measure

1009-6825(2014)28-0142-02

2014-07-30

張 亮(1963- )，男，工程師

U213.3

A