多孔火山岩骨料混凝土轨枕疲劳裂缝扩展研究

郭润平，姜晓军，王建西

(1.中国路桥工程有限责任公司，北京 100011；2.中交二公局铁路工程有限公司，陕西 西安 710075； 3.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043)

随着“一带一路”建设的深入推进，我国铁路轨道工程技术走入东非地区。为实现轨道工程属地化，降低建造成本，带动东非地区经济发展与就业，凡是能用当地原材料的，尽可能使用当地原材料。

东非地区主要分布玄武岩、凝灰岩、页岩、石灰岩、砂岩。结合区内的岩石分布，混凝土骨料只能采用含有气孔结构的玄武岩(属于多孔火山岩)[1]。多孔火山岩作为轨枕的粗骨料，可能因气孔结构影响其疲劳性能。因此，研究列车荷载反复作用下轨枕的疲劳性能有着重要的工程意义。

目前，国内外学者对混凝土轨枕疲劳试验中轨枕裂缝扩展规律进行了一定程度的研究。汪加蔚等[2]从力学、物理、化学的角度分析了混凝土轨枕垂直裂缝产生的原因。徐蕴贤[3]分析了混凝土轨枕裂缝对混凝土结构和耐久性的影响。杨海威[4]分析了不同荷载作用下混凝土裂缝高度对使用寿命的影响规律。Parvez 等[5]通过试验得出疲劳荷载作用下不同阶段裂缝高度。宋玉普等[6]研究了疲劳荷载作用下梁内不同钢筋的破坏关系。丁德来等[7]研究了局部钢纤维混凝土轨枕的轨下疲劳性能，发现局部使用钢纤维后轨下截面承受疲劳荷载的能力可提高43%。Sakdirat等[8]研究了冲击荷载作用下轨枕轨下截面裂纹扩展规律。Zanuy 等[9]设计了适用于宽轨距线路的新型预应力混凝土轨枕,并通过疲劳试验研究了这种轨枕中间截面疲劳裂纹扩展规律。

混凝土轨枕使用过程中会产生裂缝，国内现有相关规范对轨枕疲劳试验后疲劳裂缝宽度评判标准进行了规定，但未规定疲劳裂缝扩展速率。由于多孔火山岩自身具有较多空洞，这些空洞是否会加速疲劳裂缝扩展，目前尚无相关研究。

本文对多孔火山岩粗骨料混凝土轨枕进行疲劳荷载试验，研究该轨枕裂缝的产生及扩展情况，为轨枕裂缝伤损评估提供依据。

采用以玄武岩为粗骨料的混凝土轨枕，依据我国现行规范TB/T 2190—2013《混凝土枕》[10]确定外形尺寸，进行轨枕外观检查。粗骨料密度为 2 950 kg/m3，满足规范中规定的不小于 2 600 kg/m3的要求。混凝土配合比见表1。

表1 混凝土配合比 kg/m3

1 轨枕疲劳试验

1.1 试验标准

文献[11]按照TB/T 1878—2002《预应力混凝土枕疲劳试验方法》[12]的规定，对以多孔火山岩为粗骨料的混凝土轨枕进行了轨枕截面的疲劳强度试验，表明我国现行规范可用于混凝土轨枕疲劳试验。多孔火山岩粗骨料混凝土轨枕采用新Ⅱ型轨枕设计图(研线0322)进行生产。该设计中规定：垂向荷载轨下截面检验值是180 kN，枕中截面检验值是135 kN。

1.2 试验设备

本次试验依据TB/T 1878—2002的规定，使用伺服疲劳试验机进行。采用GOM-ARAMIS三维光学应变测量仪对轨枕裂缝产生前后的应变进行非接触量测。采用HPCS-1型裂缝测宽仪对轨枕裂缝不同发展阶段的宽度进行量测。轨枕疲劳试验中测试仪器布置如图1所示。试验前对多孔火山岩粗骨料混凝土轨枕进行编号，检测轨下截面裂缝发展规律的3根混凝土轨枕编号依次为W1，W2，W3，检测枕中截面裂缝发展规律的3根混凝土轨枕编号依次为W4,W5,W6。

图1 轨枕疲劳试验中测试仪器布置

1.3 试验设计

主要测试内容为轨枕轨下截面与枕中截面在疲劳荷载作用下的裂缝高度、宽度和裂缝位置。疲劳试验开始以前先预加载，检验加载设备、光学应变测量仪性能是否正常，以剔除原始条件的不确定性，随后连续加载。

在轨枕疲劳荷载试验中，对W1，W2，W3号轨枕轨下截面按垂向荷载最大值180 kN，最小值36 kN进行正弦波加载，加载频率7Hz，加载200万次。对W4,W5,W6号轨枕枕中截面按疲劳荷载最大值135 kN，最小值27 kN 进行正弦波加载，加载频率7 Hz，加载200万次。

加载初始阶段，每1万次使用光学应变测量仪对荷载部分进行量测，通过光学应变测量仪数据处理系统观察各阶段裂缝扩展情况。累计加载5万次后，每10万次进行1次量测，观察各阶段裂缝扩展情况。在所有轨枕试验过程中，记录疲劳荷载值、初始裂缝产生时间、裂缝扩展情况等。

2 试验结果与分析

完成200万次疲劳试验后，W1号轨枕未产生裂缝；W2，W3，W4，W5，W6号轨枕在疲劳荷载1万次时产生裂缝，但最终裂纹宽度未达到TB/T 1878—2002中的失效标准。

2.1 轨下截面裂缝的扩展规律

对于混凝土轨枕，水泥砂浆和骨料之间存在空洞，材料性能相对薄弱，疲劳裂缝会先在这些地方萌生。当轨下截面承受的弯矩大于该截面抗裂强度时，轨枕就会产生裂缝。图2是光学应变测量仪拍摄的W2号轨枕轨下截面微小横向裂缝(高27.702 mm)，此时加载1万次，裂缝处于萌生阶段。

图2 W2号轨枕轨下截面横向裂缝(单位：mm)

W2号轨枕轨下截面裂缝高度随加载次数变化曲线见图3。可见：加载1万次时产生微小裂缝(高27.70 mm，裂缝尖端位于混凝土保护层内)，随后裂缝以较快的速度扩展，当加载10万次时裂缝高度达到47.34 mm，随后裂缝扩展速率逐渐减小。加载50万次时裂缝高度58.78 mm。加载50万次～100万次时裂缝基本不再扩展。加载200万次时裂缝高度59.78 mm。

图3 W2号轨枕轨下截面裂缝高度随加载次数变化曲线

图4 轨下截面预应力筋配筋高度示意(单位:mm)

加载200万次后卸载回零，5 min内用裂缝测宽仪对轨枕轨下截面两侧裂缝宽度进行量测，W1，W2和W3号轨枕最大残余裂缝宽度均小于0.05 mm，满足规范要求；疲劳试验中所产生的裂缝位于轨枕轨下截面中心线位置。

轨下截面预应力筋配筋高度如图4所示，最下排预应力筋距底面垂直距离为43 mm，与加载10万次时裂缝高度47.34 mm基本吻合。加载10万次后轨枕轨下截面裂缝扩展速率开始逐渐减小。这是由于裂缝扩展至最下排预应力筋高度时混凝土退出工作。

由图3和图4可知：①沿高度方向裂缝扩展速率与加载次数成非线性关系；②当裂缝扩展至最下排预应力筋处时，裂缝扩展速率逐渐减小，最终裂缝高度低于中和轴高度，未扩展到受压区；③最大残余裂缝宽度满足规范要求。

2.2 枕中截面裂缝扩展规律

图5 W6号轨枕枕中截面裂缝高度随加载次数变化曲线

依据我国铁路混凝土轨枕使用经验，轨枕中间若长期承受较大的负弯矩，会导致枕中截面的上半部出现裂缝。枕中截面预应力筋高度示意如图6，最下排预应力筋距枕中截面顶面38 mm。

图6 枕中截面预应力筋高度示意(单位：mm)

由图5和图6可知：加载0～40万次时W6号轨枕枕中截面裂纹尖端主要处于混凝土保护层内，加载40万次时裂缝扩展至最下排预应力筋处；随后，因需克服预应力筋的预压力裂缝扩展速率有所减小。混凝土材料的不均匀性也是导致枕中截面裂缝扩展速率呈现非线性的原因。

加载200万次后卸载回零，5 min内用裂缝测宽仪对枕中截面两侧裂缝宽度进行量测。W4，W5和W6号轨枕最大残余裂缝宽度均小于0.05 mm，满足规范要求。疲劳试验中产生的裂缝位于加载点下方枕中截面中心线。

W4,W5,W6号轨枕裂缝扩展规律基本相同，但是3根轨枕裂缝高度突变发生在不同加载次数时。

3 结论和建议

通过对6根轨枕进行疲劳荷载试验，探究了多孔火山岩粗骨料混凝土轨枕裂缝的扩展规律，得到以下结论和建议：

1)多孔火山岩粗骨料混凝土轨枕疲劳裂缝扩展速率随着预应力筋高度变化而变化。在疲劳荷载作用下裂缝尖端处于轨枕混凝土保护层内时裂缝扩展速率较大；当裂缝尖端扩展至预应力筋上方后，受到预应力筋的影响，裂缝扩展速率逐渐减小。

2)随着加载次数的增多，轨枕裂缝高度逐渐增大但逐渐趋于稳定，多数情况下最终裂缝高度小于中和轴高度，轨枕产生的裂缝并不影响轨枕的正常使用。

3)徐变也是预应力混凝土的重要性能之一，建议对多孔火山岩粗骨料混凝土轨枕徐变进一步试验研究。