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(nèi)羅畢標軌鐵路（蒙內(nèi)鐵路）起點為肯尼亞港口城市蒙巴薩，終點為其首都內(nèi)羅畢，全長約 480km，全線采用中國標準。蒙內(nèi)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(zhàn)略的成敗，也是樹立中國產(chǎn)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(nèi)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(jīng)查閱當?shù)厮鄰S家的水泥指標，質(zhì)量較好的是產(chǎn)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(jīng)現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)實驗，產(chǎn)于肯尼亞Dara Jani砂場的II中砂，細度模數(shù)2.6，含泥量1.6%，泥塊含量0.5%。

（3）碎石?？夏醽喚硟?nèi)主要分布多孔玄武巖、凝灰?guī)r、頁巖、石灰?guī)r、砂巖等。經(jīng)過強度試驗，結(jié)合區(qū)內(nèi)的巖石分布，軌枕粗骨料只能采用含有氣孔結(jié)構(gòu)的玄武巖，即多孔火山巖。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，Kajiado simba產(chǎn)5～20mm連續(xù)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(xù)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(jié)晶取向更為嚴重，界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)劣化。

（4）粉煤灰?？夏醽啛o粉煤灰廠家，經(jīng)經(jīng)濟技術比較，擬采用產(chǎn)自印度Jaycee Resources Private Limited的Ⅰ級粉煤灰（品種：I級，規(guī)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(chǎn)。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(xiàn)行中國標準進行檢驗，所有原材料技術要求均符合相關規(guī)范要求。

1.2 存在的問題

一方面，采用當?shù)囟嗫谆鹕綆r作為軌枕混凝土骨料，多孔骨料容易產(chǎn)生氣泡，使得軌枕混凝土在振搗不足的情況下產(chǎn)生較多的蜂窩結(jié)構(gòu)，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?；炷羶?nèi)部和混凝土表面形成的空隙和氣泡，會在后續(xù)使用過程中形成應力集中區(qū)，可能會出現(xiàn)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(huán)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(qū)，旱季空氣干燥，如果不及時進行有效養(yǎng)護，混凝土軌枕表層水分揮發(fā)過快，發(fā)生脫水現(xiàn)象，導致混凝土粘結(jié)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(huán)境中生產(chǎn)多孔骨料軌枕，產(chǎn)生早期裂縫及其他外觀質(zhì)量缺陷等的風險很高，在工藝控制和養(yǎng)護方面應進行不斷改進。

2 軌枕質(zhì)量缺陷及原因分析

肯尼亞蒙內(nèi)鐵路軌枕生產(chǎn)由于混凝土原料及配合比變更及非洲特殊環(huán)境等因素影響，在生產(chǎn)初期產(chǎn)生較多的質(zhì)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(nèi)鐵路軌枕預制的初期，軌枕表面出現(xiàn)蜂窩缺陷，如圖1所示。橋枕成品則在承軌槽處出現(xiàn)大量的大蜂窩，其他部位未出現(xiàn)。

圖1 初期生產(chǎn)軌枕的氣孔與蜂窩

經(jīng)過研究分析，判斷軌枕表面產(chǎn)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(chǎn)生氣泡，使得混凝土呈現(xiàn)蜂窩結(jié)構(gòu)，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(xiàn)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(nèi)的氣泡造成蜂窩缺陷。

2.2 缺棱與掉角

軌枕預制初期生產(chǎn)時出現(xiàn)缺棱、掉角等缺陷。經(jīng)過研究分析，判斷軌枕表面產(chǎn)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?；蜍壵黹g磕碰時產(chǎn)生缺棱掉角；

②模板側(cè)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(nèi)軌枕生產(chǎn)中出現(xiàn)的缺陷基本相同；

③軌枕模板內(nèi)部的潤滑狀態(tài)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(nèi)鐵路經(jīng)行地區(qū)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?shù)卦牧霞昂导驹餆岬忍厥猸h(huán)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(chǎn)流程，軌枕裂紋產(chǎn)生的原因主要有：

①原材料質(zhì)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(yǎng)護升溫過快[5]，養(yǎng)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(chǎn)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(jīng)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(zhì)量缺陷控制措施

針對出現(xiàn)的上述質(zhì)量缺陷，在進行原材料優(yōu)選以及配合比設計優(yōu)化研究的同時，調(diào)整軌枕生產(chǎn)工藝[6]，采取相應的質(zhì)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(yōu)化

優(yōu)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(jié)構(gòu)，需要相對較多數(shù)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(diào)整，使混凝土粘稠性降低，利于內(nèi)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(xù)級配范圍，其中粒徑為5～10 mm小碎石占多孔火山巖骨料質(zhì)量的20%，粒徑為10～20 mm大碎石占多孔火山巖骨料質(zhì)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(guī)的配比增加粉煤灰的加入量并對細度進行調(diào)整，調(diào)節(jié)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(nèi)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(nèi)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(shù)量少。

通過上述合理調(diào)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(nèi)實驗和可用于東非地區(qū)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(yǎng)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(chǎn)過程質(zhì)量監(jiān)督，保證模板脫模劑噴涂均勻；

③加強混凝土振搗工序質(zhì)量監(jiān)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(yōu)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(zhì)量監(jiān)控，提高軌枕混凝土質(zhì)量及振搗質(zhì)量，在施工工藝上降低缺棱掉角缺陷的發(fā)生概率；

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

（3）調(diào)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(chǎn)過程質(zhì)量監(jiān)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(guī)范要求；

（2）嚴格執(zhí)行養(yǎng)護程序，每小時升溫不得超過15℃，每5 min做一次記錄；軌枕養(yǎng)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(tài)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(diào)節(jié)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(jīng)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(xiàn)軌枕擋肩開裂現(xiàn)象。

4 結(jié)語

采取上述技術措施后，肯尼亞蒙內(nèi)鐵路多孔骨料新Ⅱ型軌枕的缺陷發(fā)生概率大大降低，保證了蒙內(nèi)鐵路軌枕的生產(chǎn)質(zhì)量。