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冬期控制高速铁路岔枕开裂技术的应用措施

2020-07-17 169 上传者：管理员

摘要：冬季长线法生产高速铁路岔枕时,容易出现岔枕端部开裂,特别是生产线两端的岔枕开裂尤为突出。为解决低温环境长线法生产高速岔枕容易开裂的问题,对预应力混凝土裂缝产生的原因进行了研究和分析,并根据分析结论结合高速岔枕的养护工艺制定出合理的试验方案,分析不同养护条件下钢模与混凝土岔枕的温度效应差异以及对岔枕裂缝的影响,得出预应力混凝土岔枕采用长线法冬季生产时容易开裂的主要原因,提出有效减少温度对长线法制造预应力混凝土岔枕影响的技术措施,以供同类工程参考。

关键词：
温度
裂缝
铁路运输
长线法
高速岔枕
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随着预应力混凝土和高速铁路交通的发展,作为高速铁路轨道结构重要组成部分的高速岔枕,在高铁建设中得到广泛的应用,其产品质量和结构状态影响着高速列车运行的安全性、平稳性和舒适性[1]。高速岔枕采用长线台座法生产[2],其工艺相对成熟,产品外形尺寸、混凝土强度以及承载能力均满足技术要求,然而,冬季生产的混凝土岔枕端头容易开裂,且集中在生产线两端,而产品开裂直接影响了高速岔枕的工作性能和使用寿命,因此如何合理的控制和预防冬期高速岔枕开裂成为施工质量控制的重点。

1、预应力混凝土裂缝的分类

预应力混凝土构件在生产和使用过程环境因素较多,产生裂缝的原因很多,从设计、施工、铺设和使用,很多裂缝的产生不只是一个原因,而是多个因素叠加而成[3]。

1.1 施工期间裂缝

施工期间有塑性收缩裂缝、干缩裂缝、温度裂缝、约束裂缝等产生,裂缝成因非常复杂[4]。

(1) 塑性收缩裂缝

是指混凝土在凝结之前,表面因失水较快而产生的裂缝。裂缝通常出现在新浇注结束后的构件表面,主要是由于混凝土浇筑后表面覆盖不及时,又受高温或大风的影响而产生。混凝土表面失水过快造成毛细管中产生较大的负压而使混凝土体积急剧收缩,而此时混凝土早期强度低,不能抵抗这种变形应力因此出现开裂。

(2) 干缩裂缝

主要出现在混凝土养护结束后的一段时间或是混凝土浇筑完毕后的一周左右,主要是由于混凝土内外水分蒸发程度不同而导致不同的变形结果,特点是表面性的平行线状或网状浅细裂缝。主要是由于混凝土成形后,继续保温保湿养护不到位,在风吹日晒影响下,表面水分散失快,体积收缩大,而内部湿度变化很小,收缩也小,因而表面收缩变形受到内部混凝土的约束,出现拉应力,引起混凝土表面开裂[5]。

(3) 温度裂缝

混凝土结构,特别是大体积混凝土浇筑后,在硬化期间水泥放出大量水化热,导致内部温度不断上升,当与外部环境温度相差很大,温度应变超过当时混凝土极限拉应变时即形成裂缝。通常混凝土构件脱模后,构件表面与环境温差太大容易出现。

(4) 约束裂缝

普通混凝土硬化过程中,全部或部分地受到外部结构的约束,将会在混凝土内部出现很大的拉应力,这类裂缝较深,有时是贯穿性的,将破坏结构的整体性。

(5) 早期冻融作用引起的裂缝

早期冻胀是在临界强度前受冻的混凝土,在构件表面沿主筋或箍筋方向出现宽窄不同的裂缝,深度多达不到主筋,立即采取切实措施处理不会造成危害。

1.2 使用期间产生的裂缝

(1)钢筋锈蚀引起的裂缝:主要原因是保护层过薄尤其是混凝土密实性不良的结构钢筋容易锈蚀,而锈蚀物质体积膨胀引起混凝土体变形开裂。(2)沉降裂缝:混凝土构件使用过程中,由于荷载的不均匀分布和地基承载力的不均匀性引起地基基础的不均匀沉降导致的裂缝。(3)荷载作用引起的裂缝:主要是由于混凝土早期抗拉强度和弹性模量低,在外部荷载的作用下导致结构变形,出现裂缝。(4)碱骨料反应是指混凝土内部的碱和碱活性骨料在混凝土浇筑后反应,当反应物累计到一定程度时吸水膨胀而使混凝土开裂。

2、岔枕裂缝的成因分析

2.1 岔枕裂缝出现状况

高速岔枕生产采用一百米长的整体侧模,通过更换底模板完成相同截面不同编号岔枕的生产。针对目前国内岔枕编组情况,每组岔枕长度两百米到四百米不等且岔枕种类多截面类型少的情况,共用百米长侧模,可有效降低模具成本;整条线岔枕同时张拉、同时放张,比采用短模生产节约工时,提高生产效率。但是,采用长线法生产的混凝土岔枕,冬季施工时,位于生产线两端的岔枕枕端混凝土容易出现开裂现象,因此造成产品作废、成本增加。裂缝位置集中在岔枕顶面接近生产线端头一侧的枕端号牌处,个别岔枕距离生产线端头一侧的枕端套管周围也同时出现不同程度裂纹现象。裂缝现象从生产线两端向生产线中间情况明显转好[6]。

2.2 岔枕裂缝的成因分析

从开裂的位置分析,初步判断裂缝属于岔枕与模具之间相互连接部位的约束作用产生的约束裂缝,而约束裂缝发生在预应力混凝土岔枕与模具之间有相对位移时,在岔枕生产过程中岔枕和模具之间可能发生相对位移的过程有养护过程和预应力钢丝放张过程。养护升温过程长线模具与混凝土岔枕受热产生热胀变形,模具与混凝土因材质不同热胀系数不同引起变形程度不同而产生相对位移,此时如果岔枕混凝土强度不足以抵抗连接件约束引起的拉力(号牌凸起部位和套管铆钉对岔枕的约束力)则会产生裂缝;钢丝放张时,岔枕会随着预应力钢丝的放松回缩在模具壳体内滑移,同时对岔枕混凝土施加预应力,岔枕滑移过程需抵抗连接件约束反力,此时如果岔枕混凝土强度不足以抵抗连接件约束引起的拉力也会产生裂缝。

冬季与夏季相比,岔枕进行钢丝的预应力放张时,岔枕强度以及预应力值没有变化。根据掉块截面痕迹分析,裂缝发生在混凝土强度不高时,所以岔枕端部开裂应该是养护早期混凝土强度还在上升阶段时岔枕周围模具产生相对变形位移造成的,因此对混凝土岔枕养护阶段进行温度和变形监测。

3、不同养护工艺的试验方案

3.1 试验方案设计

试验方案为量测模具与反力基础之间以及混凝土岔枕与反力基础之间的间距在不同养护条件下的变化,得到模具变形与混凝土岔枕变形量,通过计算模具与混凝土岔枕的相对位移△L,找到养护条件升温温差与岔枕开裂的关系。生产线两端反力基础与模具之间距离分别用A、B表示(如图1),与混凝土岔枕之间距离分别用C、D表示(如图2)。具体测试数据见表1。

表1 岔枕开裂数量与养护条件关系

第1次测试,升温前模具温度为环境温度13℃,养护恒温为45℃,蒸汽养护过程模具升温温差为32℃,静停时间3 h,百米长线岔枕开裂数量8根;第2次与第3次测试,保持模具升温温差为32℃,静停时间分别增加为5 h和6 h,岔枕开裂数量有好转;第4次与第5次测试,保持静停时间不变,对模具进行预加热,增加模具的初始温度,降低模具升温温差,从而减小模具温度应变,岔枕开裂数量明显减少。

由以上试验数据可见,当模具升温变化为32℃时、百米模具因温度变化引起的温度应变为34 mm,当模具升温温差降低为25℃时、百米模具因温度变化引起的温度应变为19 mm,由于升温温差变化导致的应变降低量为15 mm,而混凝土岔枕在这个过程,温度应变为6～10 mm,变化较小。由于张拉应力作用在台座上,使得长线模具不受力,加之模具长,因此温度变化可以引起模具产生大幅的温度应变位移变化[7];而温度变量缩小,岔枕开裂数量随之减少。

3.2 试验数据分析

温度应变可用公式 △L=α×△T×L计算,其中△L是长度变化值,α是线膨胀系数,△T是温差,L是结构原长度。根据《钢结构设计标准》(GB50017-2017)第4.4.8规定,钢材热膨胀系数1.2×10-5/℃,《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)第4.1.8规定,当0～100℃时混凝土线膨胀系数1×10-5/℃。混凝土的热膨胀系数会随骨料种类、骨料含量、混凝土龄期等因素影响有一定差异。理想状态下,即不考虑各种约束力时,模具温度应变:当升温变化△T=32℃时,△L1=42 mm;当升温变化△T =25℃时,△L1=30 mm。当△T缩小7℃,模具温度应变缩小12 mm。

混凝土变形:当升温变化△T=32℃时,△L2=32 mm;当升温变化△T=25℃时,△L2=25 mm。当△T缩小7℃,混凝土岔枕的温度应变缩小7 mm。

可见温差改变对模具的影响较大,而对混凝土影响较小,降低一定量的温差量,模具的温度应变位移量下降大,而混凝土的温度应变位移量下降小,从而缩小模具与混凝土岔枕的相对位移,使得混凝土岔枕受到的变形拉应力变小,所以温差降低,岔枕开裂情况变少。而静停时间的延长,则有利于提高岔枕混凝土的早期强度,提高其抵抗相对变形带给混凝土岔枕的约束拉应力,所以静停时间越长,岔枕开裂情况越少。养护恒温温度不变,通过提高模具入模初始温度,减小模具温差变化,辅以静停时间延长,对应生产的岔枕存在端头开裂数量几乎降低为0根。

4、控制岔枕开裂的技术措施

为降低模具因温度变形对预应力混凝土高速岔枕造成的开裂破坏,从降低模具温差和提高混凝土岔枕早期强度两方面入手:

(1)降低模具温差。具体措施有:在浇筑混凝土之前对模具进行预加热,降低养护温度、加长养护时间。

(2)提高升温前混凝土岔枕的早期强度。具体措施有:①冬季适当提高混凝土入模温度,对混凝土骨料和水进行预加热、将水泥水化热反应提前,提高升温结束时混凝土强度。②增加静停时间,从而提高混凝土岔枕升温结束时混凝土强度。③降低升温速率。④调整浇筑顺序。100 m长度范围浇筑先后时间差约2 h,不同部位混凝土岔枕的静停时间差异不可忽视,模具变形最明显部位位于生产线两端,该部位岔枕先浇筑,中间部位岔枕模具由于受到支腿橡胶约束变形较小,受力较小的中间段岔枕后浇筑。

5、结束语

长线法生产预应力混凝土岔枕时要严格执行养护工艺,注重生产过程每个细节,采取有效应对措施,使养护静停和升温阶段混凝土岔枕模具累计的拉应力小于该龄期混凝土允许的抗拉强度,从而使枕端开裂造成的产品质量问题得到有效解决,提高产品合格率。

参考文献：

[1]徐盟.高速铁路无砟岔枕质量控制与工艺改进[J].铁道标准设计,2014(12):56-58.

[2]肖鸿章.长线台座法轨枕生产工艺探讨[J].铁道建筑,2005(06):91-93.

[3]杨先凤.长线台座法生产混凝土岔枕的关键技术研究[J].铁道建筑,2008(07):107-108.

[4]顾祥林.混凝土结构基本原理[M].上海:同济大学出版社,2004:310-311.

[5]薛世龙.客运专线岔区无砟轨道施工技术[J].铁道建筑,2006(08):101-103.

[6]纪亚欣.高速岔枕端头掉角的原因分析与改进[J].国防交通工程与技术,2016(S1):71-76.

[7]任永德.长线台岔枕生产线的研究[J].山西建筑,2007(22):276-277.

段兆慧.冬期高速铁路岔枕抗裂技术研究与控制[J].国防交通工程与技术,2020,18(S1):18-20+22+25.