干旱環境中多孔骨料軌枕缺陷分析及質量控制

姜曉軍

（中交二公局鐵路工程有限公司 陜西西安 710075）

蒙巴薩-內羅畢標軌鐵路（蒙內鐵路）起點為肯尼亞港口城市蒙巴薩，終點為其首都內羅畢，全長約 480km，全線采用中國標準。蒙內鐵路建設的成敗，在很大程度上影響著中國鐵路走出去與一帶一路全球戰略的成敗，也是樹立中國產品、中國技術、中國標準品牌的關鍵，因此有必要研究鐵路技術在肯尼亞的適應性并提出問題的解決方案。

1 原材料及存在的問題

1.1 原材料

肯尼亞蒙內鐵路軌枕采用中國新II型軌枕標準，其預制原材料包括水泥、砂、碎石、粉煤灰、減水劑、鋼材，原材料情況如下。

（1）水泥。經查閱當地水泥廠家的水泥指標，質量較好的是產于肯尼亞Bamburi廠的CEMI 52.5水泥，密度3.17 g/cm3，標準稠度用水量27.4 g，3 d抗折6.5 MPa， 3d抗壓33.8 MPa，比表面積322 m2/kg。

（2）砂。經現場調查和室內實驗，產于肯尼亞Dara Jani砂場的II中砂，細度模數2.6，含泥量1.6%，泥塊含量0.5%。

（3）碎石。肯尼亞境內主要分布多孔玄武巖、凝灰巖、頁巖、石灰巖、砂巖等。經過強度試驗，結合區內的巖石分布，軌枕粗骨料只能采用含有氣孔結構的玄武巖，即多孔火山巖。經現場調查，Kajiado simba產5～20mm連續級配碎石，有可用于混凝土軌枕的可能。

用于試驗的多孔火山巖碎石采用5-10 mm與10-20 mm兩級配，符合5～20 mm連續級配范圍，其中5～10 mm為20%，10-20 mm為80%， 5～10 mm含泥量1.6%、泥塊含量0.1%，10～20 mm含泥量0.4%、泥塊含量0.4%，表觀密度2 950 kg/m3，母巖抗壓強度115 MPa。多孔骨料破碎面比例直接影響到混凝土的強度和耐久性能，較少破碎面多孔骨料導致CH 結晶取向更為嚴重，界面過渡區結構劣化。

（4）粉煤灰。肯尼亞無粉煤灰廠家，經經濟技術比較，擬采用產自印度Jaycee Resources Private Limited的Ⅰ級粉煤灰（品種：I級，規格：F類），其細度為14%，需水量為86%，燒失量為0.8%。

（5）減水劑。用于實驗的減水劑為江蘇特密斯外加劑有限公司的 HPWR-S標準型聚羧酸系高性能減水劑。

（6）鋼材。預應力鋼絲、螺旋筋、立筋由我國天津銀龍預應力材料股份有限公司生產。箍筋所用ф6.5 mm圓鋼由我國河北省遷安市九江線材有限責任公司。

按照現行中國標準進行檢驗，所有原材料技術要求均符合相關規范要求。

1.2 存在的問題

一方面，采用當地多孔火山巖作為軌枕混凝土骨料，多孔骨料容易產生氣泡，使得軌枕混凝土在振搗不足的情況下產生較多的蜂窩結構，如果制備過程中不嚴格控制混凝土的配合比，在施工過程中不嚴格控制工藝因素，會造成混凝土軌枕中的氣泡量過大，影響混凝土軌枕的外觀形貌，在一定程度會降低混凝土軌枕的強度和耐久性。混凝土內部和混凝土表面形成的空隙和氣泡，會在后續使用過程中形成應力集中區，可能會出現深度裂紋，從而嚴重降低混凝土的疲勞強度。不慎將帶有缺陷的軌枕鋪設在線路上，微小的缺陷會隨著運營時間的積累和外界惡劣環境的影響，造成軌枕缺陷逐漸增大，行車過程中可能突然斷裂，從而危及行車安全。

另一方面，肯尼亞全境位于熱帶季風區，旱季空氣干燥，如果不及時進行有效養護，混凝土軌枕表層水分揮發過快，發生脫水現象，導致混凝土粘結力缺乏，影響混凝土軌枕的強度與耐久性。

綜上所述，在肯尼亞旱季環境中生產多孔骨料軌枕，產生早期裂縫及其他外觀質量缺陷等的風險很高，在工藝控制和養護方面應進行不斷改進。

2 軌枕質量缺陷及原因分析

肯尼亞蒙內鐵路軌枕生產由于混凝土原料及配合比變更及非洲特殊環境等因素影響，在生產初期產生較多的質量缺陷主要有氣孔、麻面及蜂窩、缺棱掉角、擋肩開裂等[1～4]。

2.1 蜂窩

在肯尼亞蒙內鐵路軌枕預制的初期，軌枕表面出現蜂窩缺陷，如圖1所示。橋枕成品則在承軌槽處出現大量的大蜂窩，其他部位未出現。

圖1 初期生產軌枕的氣孔與蜂窩

經過研究分析，判斷軌枕表面產生這種缺陷的原因主要有：

①使用多孔火山巖作為混凝土粗骨料，而這種多孔火山巖用于混凝土中容易產生氣泡，使得混凝土呈現蜂窩結構，這一表征與最初的分析一致；

②多孔火山巖骨料混凝土配合比不當，例如粗細骨料、水泥、水、減水劑的比例不合理；

③脫模劑沒有噴涂均勻，導致軌枕表面出現大量密集的小氣孔；

④混凝土振搗的時間不夠，未能通過振搗排出氣泡，留在混凝土內的氣泡造成蜂窩缺陷。

2.2 缺棱與掉角

軌枕預制初期生產時出現缺棱、掉角等缺陷。經過研究分析，判斷軌枕表面產生此類缺陷原因主要有：

①軌枕混凝土攪拌不均勻，同時振搗不完全，造成軌枕棱角部分強度不足，在脫模或軌枕間磕碰時產生缺棱掉角；

②模板側面和底面粗糙不光滑，使得軌枕脫模的阻力大，無法依靠軌枕自身重力來脫模；這種缺陷與國內軌枕生產中出現的缺陷基本相同；

③軌枕模板內部的潤滑狀態不良，主要受脫模劑的種類、濃度、噴涂均勻度以及外界氣溫等因素的影響。

2.3 裂紋

干旱、大溫差是蒙內鐵路經行地區的典型氣候特征。同時，多孔火山巖骨料吸水率約為2.5%。為使軌枕混凝土能達到強度設計值，施工單位一般通過提高水泥用量來彌補多孔骨料等當地原材料及旱季燥熱等特殊環境對混凝土強度增長的負面影響，但是這種方法又造成混凝土水化熱過高，軌枕開裂的風險大大增加。

縱觀軌枕的生產流程，軌枕裂紋產生的原因主要有：

①原材料質量不過關。如粗細骨料含泥量較大，粉煤灰保管不當容易失效等；

②蒸汽養護升溫過快[5]，養護池溫度不均勻等，也是造成軌枕裂紋的關鍵因素；

③未按照混凝土配合比制備混凝土，或原材料拌和計量不準。

2.4 掉肩

在脫模之初，自軌枕承軌槽根部產生的擋肩部位與軌枕主體間開裂分離（見圖 2），即通常所稱的掉肩。掉肩使得軌枕直接報廢。

經分析，造成開裂的原因為：軌枕放張時張拉力過大，直接造成軌枕斷裂，或者放張回油過快，軌枕所受預應力來不及均勻傳遞，使得張拉端兩根軌枕受力最大，造成靠張拉端兩根軌枕掉肩。

圖2 張拉端軌枕擋肩開裂

3 軌枕質量缺陷控制措施

針對出現的上述質量缺陷，在進行原材料優選以及配合比設計優化研究的同時，調整軌枕生產工藝[6]，采取相應的質量控制措施。

3.1 蜂窩的控制

對于蜂窩缺陷，主要從配合比和工藝過程控制兩個方面進行控制。

（1）配合比優化

優化設計多孔火山巖骨料混凝土的配合比，加強對配合比試驗管理，保證各種材料投入的準確性。由于粗骨料為多孔結構，需要相對較多數量的河砂和水泥來裹覆和填充碎石之間的空隙和碎石表面的開口空隙，因此需要綜合考慮摻和料、外加劑、碎石分級及水泥和河砂的加入量。通過對混凝土砂率、碎石級配、水泥、粉煤灰以及減水劑的成分適宜調整，使混凝土粘稠性降低，利于內部氣體排出，從而減少混凝土外觀氣泡的同時提高多孔火山巖骨料預制混凝土軌枕耐久性和強度。

首先，采用粒徑為5～10 mm與10～20 mm兩級配，使其符合連續級配范圍，其中粒徑為5～10 mm小碎石占多孔火山巖骨料質量的20%，粒徑為10～20 mm大碎石占多孔火山巖骨料質量的80%，使大粒徑的碎石所占比重較大，其原因在于：可以降低碎石之間的空隙率和碎石表面的開口空隙率，減少河砂及水泥的用量，降低成本。

其次，相對于常規的配比增加粉煤灰的加入量并對細度進行調整，調節了混凝土的強度等級，同時采用細煤粉灰可以降低粉煤灰的需水量，提高混凝土的流動性，利于內部氣體排出。

最后，采用長分子鏈的聚羧酸系高性能減水劑，使其粘附與水泥顆粒上，依靠自身同種電荷相互排斥的物理特性增加混凝土的流動性，利于內部氣體排出，同時聚羧酸系高性能減水劑，能夠釋放混凝土顆粒包裹住的自由水，盡可能的在所需要混凝土流動性上減少混凝土中水的摻量；當減水劑5.87 kg時制備的多孔火山巖骨料預制混凝土，在增實因素1.2時，混凝土30 min增實因素損失減小，拌和物工作性能有所改善，混凝土黏度小流動性能良好，得到的預制混凝土的表觀氣泡較小且數量少。

通過上述合理調配摻和料、外加劑、碎石分級及水泥和河砂的加入量，通過混凝土室內實驗和可用于東非地區混凝土軌枕的多孔火山巖骨料混凝土配合比，其中每立方米混凝土中的原料重量比可采用如下配合比范圍：水泥410～420 kg、粉煤灰70～80 kg、河砂650～660 kg、多孔火山巖骨料1210～1 220 kg、水135～145 kg、減水劑5.5～6.5 kg、水膠比為0.28～0.29。推薦采用：水泥412kg、粉煤灰77 kg、砂656 kg、多孔火山巖骨料1 218 kg、水137 kg、減水劑5.87 kg、水膠比為0.286。

采用上述方案后，新拌混凝土和硬化混凝土的性能指標如下：①新拌混凝土性能指標：增實因素1.2、表觀密度2 560 kg/m3；②硬化混凝土性能指標：混凝土在50℃下蒸養18 h抗壓強度47 MPa，28 d抗壓強度77 MPa。

由此可以看出，軌枕用混凝土完全滿足我國混凝土軌枕的強度指標要求。

（2）加強工藝過程控制

在工藝過程控制方面，主要采取以下措施：

①保持模板清潔，及時清除模板上的干硬水泥漿等雜物；

②加強脫模劑涂膜的標準化，強化軌枕生產過程質量監督，保證模板脫模劑噴涂均勻；

③加強混凝土振搗工序質量監督，要求必須將混凝土振搗均勻且氣泡完全排除，方可停止振搗。

采取配合比優化和工藝過程控制兩個方面的措施后，軌枕氣孔明顯減少，如圖3所示。

圖3 采取控制措施后軌枕

3.2 缺棱掉角的控制

對于缺棱掉角缺陷，可以從以下三個方面進行控制：

（1）加強混凝土制備工藝及混凝土振搗過程的質量監控，提高軌枕混凝土質量及振搗質量，在施工工藝上降低缺棱掉角缺陷的發生概率；

（2）每個施工循環及時檢查模板表面，及時打磨清理，每次循環模具清理完成之后，人工仔細清除模具內的混凝土殘渣；

（3）調整脫模劑種類、濃度比例，加強脫模劑涂膜的標準化，強化軌枕生產過程質量監督，保證模板脫模劑噴涂均勻。

3.3 軌枕裂紋缺陷的控制

對于軌枕裂紋缺陷，可以從以下四個方面進行控制：

（1）對原材料的來源進行嚴格把關，加強試驗檢測管理，混凝土各項原材應滿足設計規范要求；

（2）嚴格執行養護程序，每小時升溫不得超過15℃，每5 min做一次記錄；軌枕養護期間，灑水保濕3 d；

（3）嚴格按照混凝土施工配合比配料；

（4）嚴禁在較高應力狀態下直接切割軌枕預應力鋼筋。

3.4 擋肩開裂的預防

對于軌枕開裂，采取以下措施進行控制：

（1）控制好放張力，確保其不大于軌枕的設計張拉力，使用自動放張設備，調節好回油速度，使預應力均勻緩慢的傳遞到每根軌枕；

（2）在綁扎軌枕鋼筋時，在軌枕擋肩位置，綁扎兩排豎向鋼絲（見圖4），固定兩端，以增加擋肩位置混凝土抗剪能力。

圖4 增設豎向鋼絲后的軌枕示意圖

經過試驗驗證，在混凝土擋肩位置綁扎豎向鋼絲脫模后效果較好，基本沒有出現軌枕擋肩開裂現象。

4 結語

采取上述技術措施后，肯尼亞蒙內鐵路多孔骨料新Ⅱ型軌枕的缺陷發生概率大大降低，保證了蒙內鐵路軌枕的生產質量。