軌枕破壞及養(yǎng)護措施

王茂龍，趙　龍，聶　飛(神華包神鐵路有限責(zé)任公司)

軌枕破壞及養(yǎng)護措施

王茂龍，趙龍，聶飛
(神華包神鐵路有限責(zé)任公司)

摘要:過去幾十年，傳統(tǒng)軌枕的破壞極大的增加了軌道養(yǎng)護的費用。缺乏對軌枕破壞的機理的理解成為管控這一問題的主要障礙。本文探討混凝土軌枕破壞的機理，指出混凝土軌枕易發(fā)生軌座破壞，易受荷載和環(huán)境影響發(fā)生破壞，并提出問題的解決方案。此外，介紹了可以有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)軌枕的新型材料。

關(guān)鍵詞:安全文化;鐵路養(yǎng)護

中圖分類號:U216．2

文獻標(biāo)識碼:C

文章編號:1008－3383(2015)04－0181－02

0　引言

近年來，隨著鐵路運輸?shù)难杆贁U張，軌枕的需求也不斷增長。結(jié)構(gòu)混凝土國際聯(lián)合會的一份報告指出，混凝土相比木質(zhì)和鋼鐵是使用量最大的軌枕材料，比如中國的軌枕基本上都選用混凝土材料。此外，另一份報告顯示，世界范圍內(nèi)的鐵路有大約30億根軌枕，其中超過4億根是混凝土軌枕，其中約2%－5%的混凝土軌枕由于提前破壞兒需要更換。因此，鐵路軌枕的提前破壞已經(jīng)成為鐵路養(yǎng)護的主要支出之一。本文旨在解釋軌枕破壞的機理并提出控制這一問題的方法，指導(dǎo)運營單位有效進行養(yǎng)護工作以降低養(yǎng)護成本。

1　混凝土軌枕破壞機理

1．1軌座破壞

現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕破壞的原因之一是軌座破壞。磨損，水腐蝕，水壓破壞，凍融破壞和化學(xué)腐蝕是導(dǎo)致軌座破壞的主要因素。其中軌座磨損是最主要的因素，其產(chǎn)生的機理:鋼軌墊片和混凝土軌座之間的相互運動使混凝土軌座逐漸在摩擦力的作用下產(chǎn)生水泥廢料，這些細小的磨損廢料和水填充在軌座與鋼軌墊片之間的空隙中使磨損更加嚴重。研究表明荷載從鋼軌墊片傳遞到軌枕時，在鋼軌墊片的接觸面上有剪切力作用。一旦剪切力超過靜摩擦力，就會產(chǎn)生鋼軌墊片就會發(fā)生滑動進而將應(yīng)力傳遞給混凝土。如果應(yīng)力超出混凝土的疲勞容許應(yīng)力一段時間，軌座破壞就會發(fā)生:在反復(fù)的荷載作用下，軌座位置處會有大量混凝土被磨損下來，最終導(dǎo)致軌道墊板下的表面不平。導(dǎo)致軌座磨損的原因有，水，軸重過大，扣件、路肩失效，線路曲線過大等。

1．2拉伸破壞

重載鐵路中可能出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力軌枕的拉伸斷裂。研究表明，軌枕羅威套管位置處由于存在預(yù)應(yīng)力容易產(chǎn)生裂痕，因為預(yù)應(yīng)力容易在羅威套管周圍產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力。使用過程中，諸如結(jié)冰和羅威套管中的石頭的存在會使軌枕橫向拉應(yīng)力增大并引起豎向裂痕。

此外，軌枕表面由于拉應(yīng)力產(chǎn)生的橫向裂痕也會在使用過程中逐漸變大。

1．3高強度荷載

混凝土軌枕的彎曲裂縫經(jīng)常出現(xiàn)在跨中位置，極大地降低了軌枕的抗彎剛度。而研究表明，混凝土軌枕的裂縫產(chǎn)生的主要原因是頻繁的短期大軸重荷載作用。此外，這種現(xiàn)象與輪子或鋼軌缺陷相關(guān)(比如車輪扁疤或鋼軌銹蝕)，例如車輪扁疤可能導(dǎo)致機車在1～10 ms的時間內(nèi)在在一個軌座上產(chǎn)生400 kN力。

1．4硫酸鹽腐蝕

土，地下水和含有硫酸鹽(鈉鉀鎂鈣)的混合物與水泥中的鋁酸三鈣或者氫氧化鈣的反應(yīng)會導(dǎo)致混凝土膨脹產(chǎn)生裂縫，并最終破壞。

這種由硫酸鹽侵蝕可以導(dǎo)致混凝土軌枕破壞。鈣礬石形成延遲不僅與混凝土固化溫度有關(guān)還與水泥的成分(C3S，C3A，SO3，MgO)有關(guān)，并如果上述因素同時具備則反應(yīng)在低于60℃時也可發(fā)生。

1．5堿混合物腐蝕

混凝土中的堿化物來源主要是普通水泥，此外還有可能是未清洗干凈的包含氯化鈉的沙子或者混合物(塑化劑)和混合水。含有硅化物的混合物與堿性混凝土中的氫氧根離子反應(yīng)會導(dǎo)致破壞性的膨脹。研究表明，軌枕上表面的縱向平行裂縫和預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的輻射性裂縫都與堿化物反應(yīng)有關(guān)。

1．5酸腐蝕

混凝土中含有的普通混凝土易受到強酸腐蝕，其中氫氧化物Ca(OH)2在接觸酸后變成鈣酸鹽。此外，硅鈣水化合物和鈣鋁水化物也容易受到酸的侵蝕，進而導(dǎo)致硬化水泥遭到破壞。

1．6鋼筋銹蝕

預(yù)應(yīng)力混凝土枕木面臨的另一個重要威脅時鋼筋腐蝕。退化土質(zhì)以及適當(dāng)?shù)目諝鉂穸葧雇猎陲L(fēng)的作用下覆蓋枕木。隨著時間推移，降雨會為混凝土內(nèi)的鋼筋腐蝕提供良好的條件，氯離子會侵入混凝土中并破壞鋼筋外的氧化鐵保護膜進而導(dǎo)致鋼筋受到腐蝕。

1．7枕木內(nèi)部結(jié)冰

有研究指出枕木中的水結(jié)冰會產(chǎn)生40 MPa的壓力，相當(dāng)于72～88 kN的力作用在相關(guān)區(qū)域，壓力將最終導(dǎo)致枕木內(nèi)部產(chǎn)生裂痕。

2　軌枕破壞的控制方法

2．1防止軌座磨損

通過對軌座部分包裹鋼板可以減小軌座的磨損。盡管實驗驗證了這種方法可以有效的減小軌枕磨損，但是附加的鋼板會大幅的增加軌枕的制作費用并且侵入鋼板下的水會破壞軌座處的混凝土。因此在采用這種方法時需要謹慎處理這些問題。

通過在軌座區(qū)域涂抹環(huán)氧敷層同樣被認為可以達到減小軌座磨損的目的。但是這種方法需要大量的勞動力，并且需要在進行環(huán)氧敷層操作時關(guān)閉線路，此外有可能這種敷層會隨時間消耗掉。許多學(xué)者提出了替代方法:在軌座處混凝土添加粉煤灰和硅灰，在軌座區(qū)域引入鋼纖維－注漿，應(yīng)用多層抗磨墊板，在軌座區(qū)域添加合金等。這些通過改性混凝土來提高軌座抗摩擦能力的概念，旨在防止混凝土開裂和水透過裂縫滲透到混凝土內(nèi)部。盡管這些改性方法可以提高混凝土的強度，但是它的抗摩擦能力需要進一步驗證，更好

的替代方法需要進一步研究。

2．2控制縱向裂縫

羅威套管周圍的高剪切應(yīng)力是引起縱向裂縫的主要原因，通過在羅威套管內(nèi)部使用特別的易膨脹混凝土，在套管外部使用普通混凝土(內(nèi)部的膨脹使兩部分接觸面上產(chǎn)生徑向應(yīng)力)，使拉剪應(yīng)力極大的減小。另一種方法是在軌枕中放置橫向預(yù)應(yīng)力筋，尤其是在羅威套管旁邊來加強軌枕的橫向強度。

3　新型材料軌枕

3．1無機礦物聚合物混凝土軌枕

粉煤灰混凝土可以有效地減弱堿混合物對混凝土的腐蝕，因為堿可以和粉煤灰中的非結(jié)晶成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的凝膠體可以增加混凝土密度，降低混凝土滲透能力并降低侵蝕劑的活性。此外，粉煤灰混凝土對于硫酸鹽的腐蝕同樣有良好的抵抗能力，因為混凝土當(dāng)中沒有大量的鈣鋁酸鹽水合物反應(yīng)物。

3．2復(fù)合材料軌枕

一種用可回收塑膠，舊輪胎，玻璃纖維和結(jié)構(gòu)礦物填料制作的復(fù)合材料軌枕有良好的軌座摩擦抵抗能力，并且不受濕度環(huán)境的影響。然而，這種軌枕的價格是混凝土軌枕的兩倍。日本采用過一種由泡沫和玻璃纖維制作的纖維增強發(fā)泡聚氨酯(FFU)合成材料軌枕。這種軌枕，并且這種軌枕對酸、堿和鹽水都有很好的抵抗能力。對于養(yǎng)護和更換軌枕難度比較大的環(huán)境，有學(xué)者建議使用這些復(fù)合材料軌枕。

4　結(jié)論

本文針對混凝土枕木的提前破壞以及它們破壞機理理解的欠缺這一現(xiàn)狀，旨在為結(jié)構(gòu)設(shè)計人員、工程人員、運營人員提供指導(dǎo)，指出幾種常見的枕木破壞原因以及幾種控制枕木破壞的方法。

混凝土枕木破壞的兩種主要形式是軌座破壞和縱向裂痕。通過在軌座位置包裹鋼板、環(huán)氧薄膜，軌座混凝土中添加粉煤灰，養(yǎng)護時在軌座區(qū)域灌入鋼纖維水泥漿，在軌座區(qū)加入防摩擦墊板，可以抑制軌座區(qū)域的破壞。此外，可以通過灌入特殊的膨脹混凝土到栓口區(qū)域同時引入橫向預(yù)應(yīng)力筋來防止縱向裂痕的產(chǎn)生。

無機礦物聚合物混凝土有效展現(xiàn)了良好抵抗化學(xué)腐蝕的工程性能，可以作為傳統(tǒng)混凝土的替代品來制作枕木。新材料的抗摩擦和高強度能力可以有效的抵抗由于摩擦、荷載和疲勞引起的破壞，此外其優(yōu)秀的耐久性同樣預(yù)示著新材料在軌枕中的應(yīng)用前景廣闊。然而，仍然需要更多的研究工作來更好地使其可以經(jīng)濟地大范圍地在鐵路干線軌枕中使用。

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收稿日期:2015－02－05