混凝土轨枕预埋套管周边裂纹的原因分析及改进措施

b—— —混凝土环外边界半径；
r—— —混凝土环的半径；
P—— —钢环施加给混凝土环的压力。
对于混凝土环的内边界，r=a,因此：
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2
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σr=-P；σθ=
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对于混凝土环的外边界，r=b ,因此：
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从以上分析可以看出，当混凝土环收缩受到约束
时，混凝土环内表面所受应力最大，混凝土环内表面所
2
b 为构件的构造尺寸。在其他条件不变的情况下， 2
a
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的值越小，混凝土圆环内表面的拉应力
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1 前言
混凝土轨枕作为铁路工程中大量使用的预制构件 之一，不仅在构件质量上需要其具有优良的力学性能和 耐久性能，以保证列车运行的平稳性、安全性及可靠性， 还需要其具有良好的外观质量，即外美内实，使其和铁 路沿线的其他工程一起共同组成一道美观的铁路风景[1]。 混凝土轨枕是由 C60 级及 C60 以上的干硬性混凝土生 产的，作为一种高强度的预制混凝土产品，为保证其具 有高强度，在配合比设计及施工工艺上，采取了不同于 普通混凝土配合比的设计措施及施工要求。正是因为混 凝土轨枕特殊的施工工艺，在施工中如果操作、控制不 当以及对原材料的管理不善，就会导致轨枕外观缺陷的 产生。如果对看似细微的外观缺陷不加以控制并解决， 放任其流入铺架单位并使用在线路上，部分小缺陷会随 着使用时间的推移，在受到外界荷载以及恶劣的自然环 境气候等因素的侵害之后，小缺陷会扩展，最终影响轨 枕的整体使用性能，给列车运行带来事故隐患[2]。
了。也就是说离混凝土边界越远，越不易开裂。因此可以
通过调整预埋套管的放置位置，使预埋套管离混凝土边
界的最小值提高，这一点也已经被事实证明了。对于下
面所示的两种情况，（b）比（a）的开裂少得多（如图 4）。
受拉应力比混凝土环外表面所受拉应力大一个 P，因此
其应力发展最早超过混凝土的抗拉强度。混凝土环从内
图 2 轨枕预埋套管周边的受力情况与圆环的比较 钢环外部的混凝土环在收缩时受到钢环的完全约
束，这时混凝土环内部的受力情况如图 3 所示：
图 3 圆环的受力示意图
在刚性约束钢环外浇筑混凝土，混凝土环的收缩受
到内部钢环的限制，产生环向拉应力而开裂。根据弹性
力学理论[3]分析了混凝土环的应力，此时混凝土环内部
部开始引发裂缝，并向外部逐步扩展，直到发展到混凝 土环外表面。类似的，轨枕的预埋套管周边混凝土收缩 也受到预埋套管的约束，轨枕的开裂也应该是从最靠近
（a）
（b）
图 4 预埋套管的不同放置位置的比较
预埋套管开始引发裂缝，并向外部逐步扩展，直到发展 3 结束语
到轨枕的混凝土外边界。
收缩与开裂是混凝土质量的重大课题。影响因素十
C MY K
材料研究与应用
混凝土轨枕预埋套管周边裂纹的 原因分析及改进措施
侯志远 （广东基础新世纪混凝土有限公司）
【摘 要】 本文主要分析了混凝土轨枕预埋套管周边放射性裂纹的形成原因，提出了轨枕预埋套管
周边开裂的影响因素及改进措施，为生产混凝土预制构件提供指导。
【关键词】 轨枕预埋套管；裂纹；受力分析
其取决于混凝土的收缩和钢环的膨胀，混凝土的收缩越 定因素（主体因素）的组合决定的。这些因素中，要分清
大，钢环的膨胀越大，P 值 （钢环施加给混凝土环的压 主次，只要认真分析解决了某些问题，开裂问题就会得
力）越大，受到的拉应力就越大；类似的，轨枕的 P 为预 到解决。●
埋套管施加给周边混凝土环的压力，其取决于混凝土的
收缩和预埋套管的膨胀，混凝土的收缩越大，预埋套管 【参考文献】
的膨胀越大，P 值（预埋套管施加给混凝土环的压力）越 大，受到的拉应力就越大，因此通过调整配合比和加入 减缩剂来减小混凝土的收缩，或者选用膨胀系数小的预 埋套管都可以减小轨枕预埋套管周边的开裂；但另一方 面 P 值（预埋套管施加给混凝土环的压力）越大，混凝土 对预埋套管的握裹力就越大，这又是有利的。因此需要
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越小，越不易开ห้องสมุดไป่ตู้；因此在轨枕中减小预埋套管的直径，
可以减小开裂。在其他条件不变的情况下，b 值越大，混
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凝土圆环内表面的拉应力
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越小，越不易开
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裂；在轨枕中，对于混凝土边界离预埋套管距离越大的
方向，其开裂的可能性就越小，这一点已经被事实证明
的受力情况。轨枕预埋套管就如同圆环法中的钢环，起 着约束作用；单趾轨枕预埋套管外的混凝土就如同圆环 法中的钢环外的混凝土环，只不过圆环法中的钢环的混 凝土环是一个等厚的圆环，而单趾轨枕中预埋套管外的 混凝土是一个厚度不同 （构件边到预埋套管的距离不 同）的混凝土环。其示意图如图 2：
混凝土环 钢环
塑料垫
作者简介：侯志远（1971-），男，硕士，高级工程师，技术部经理，从事混凝
土生产及技术研究。
单位地址：广州黄埔大道东 706 号(510660)
某混凝土预制构件厂所生产的混凝土轨枕存在一 大难题—— —预埋套管周边的放射状裂纹，其主要表现如 图 1 所示。本文拟对此外观缺陷进行原因分析，并提出 相应的解决措施，以期使预埋套管周边的放射状裂纹得 到有效控制。
图 1 轨枕预埋套管放射状裂纹
2 轨枕预埋套管周边的受力情况分析
经过分析，我们认为轨枕预埋套管周边的受力情况 非常类似于圆环法收缩开裂性能评价方法中的混凝土
2 轨枕预埋套管周边开裂的影响因素及 分复杂，包括原材料（水泥、掺合料、粗细集料、外加剂）
改进措施
从计算结果可以看出混凝土圆环内表面的拉应力
2
主要取决于 P 和 b 。P 为钢环施加给混凝土环的压力， 2 a
的质量、构件设计（形状、尺寸、混凝土等级类型、钢筋布 置）、混凝土配合比（用水量、水灰比、砂率、掺合料和外 加剂用量）、生产工艺条件（搅拌、成型、养护等）、使用环 境条件等因素。防止与治理收缩与开裂是一个系统的工 程。但是，在特定的生产和工程条件下又总是由某些特
的径向受压应力 σr，混凝土环内部的切线方向受拉应
力 σθ，分别为：
2
2
b -1
b +1
2
2
σr=-
r
2
；σθ=
r
2
P
b -1
2
a
b -1 2
a
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材料研究与应用
式中：
σr—— —混凝土环内部的径向所受的压应力； σθ—— —混凝土环内部的切线方向所受的拉应力； a—— —混凝土环内边界半径；
[1] 卢祖文.我国铁路混凝土轨枕的现状与发展[J].中国铁路, 2004(6):13-14. [2] 汪加尉.预应力混凝土轨枕的裂缝与结构耐久性[J].水与混 凝土制品,2000(2):36-37. [3] 谢贻权,林钟祥,丁皓江.弹性力学[M].杭州:浙江大学出版
社,1988.
权衡利弊，找到一个适宜的平衡点。