无砟轨道板用无粘结预应力混凝土钢棒生产技术

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【摘 要】随着近几年我国高速铁路建设的飞速发展，无粘结预应力混凝土钢棒已广泛应用于CRTSⅠ、Ⅲ型无砟轨道板，本文全面介绍了无粘结预应力混凝土钢棒生产中的技术要求，及其目前存在的问题，并提出了改进措施。

【关键词】无砟轨道板；无粘结；预应力混凝土钢棒；生产技术

1、无粘结预应力混凝土钢棒的应用和发展

无粘结预应力混凝土钢棒是由预应力钢棒、防腐脂及改性高密度聚乙烯护套制作的预应力混凝土结构件，具有承受力大、抗拉强度高、抗腐蚀能力强、生产工艺简单、施工方便和成本低等特点，现广泛应用于我国高速铁路无砟轨道板生产。

随着我国高速铁路网规划的出台，以及中国高速铁路建设进程正在不断加快，无粘结预应力混凝土钢棒必然得到广泛的推广。

2、无粘结预应力混凝土钢棒的生产方法

无粘结预应力混凝土钢棒根据其生产特点分为预应力钢棒生产及无粘结生产。预应力钢棒就其生产方法而言，目前国内多采用热轧盘条冷拔调质处理这一方式；无粘结生产多采用定尺剪切滚丝涂油、挤塑工序。

3、无粘结预应力混凝土钢棒生产中的技术要求

3.1性能要求

a) 无粘结预应力混凝土钢棒采用低松弛预应力钢棒，外观不得有划伤、裂纹、折迭、结疤、油污等，其力学性能如表1：

b) 无砟轨道板按照板型分为CRTSⅠ型和Ⅲ型，无粘结预应力混凝土钢棒其长度应严格按照图纸要求；钢棒端部螺纹采用滚压成型，螺纹中径13mm，螺距1.5mm，螺纹公差采用6H/6g组合。

c) 预应力钢棒无粘结方式采用钢棒在线涂油、热挤塑连续成型工艺，其护套长度应与钢棒长度一致，护套厚度为1±0.2mm。防腐脂在预应力钢棒与护套间厚度为0.2～0.4mm。

3.2原材料要求

a) 预应力钢棒原材料应采用中、低合金热轧盘条，为保证其产品的高强度、低松弛等综合机械性能，因此多采用Si－Mn系列。推荐采用35Si2Mn、40Si2Mn、35Si2Cr和45Si2Cr。原材料中H、N、P、S、和Cu等有害微量元素含量应符合表2规定。氧化物、硫化物、硅酸盐等有害夹杂不大于2.5级。

b) 无粘结护套采用改性高密度聚乙烯树脂，其性能应符合GB/T11116规定。

c) 护套与钢棒间的防腐脂应采用无粘结预应力筋专用防腐脂，其性能应符合JG3007的规定。

3.3预应力钢棒用盘条质量的要求

a) 国产预应力钢棒力学性能不均及生产中断裂存在多方面原因，但主要是盘条质量不均造成的，所以在钢材生产过程中应加强钢材质量的控制，减少偏析或夹杂。

b) 盘条的表面质量应严格控制，盘条表面不应出现裂纹、折迭及结疤等缺陷。这些缺陷在钢材经过热处理后极易形成裂纹源，造成钢棒脆断。

c) 盘条在使用前应充分的进行时效处理，盘条抗拉强度应在750～850MPa之间，断面收缩率应≥50%。

4、无粘结预应力混凝土钢棒生产技术关键

4.1 预应力钢棒生产

预应力钢棒的力学性能主要靠热处理来获取的。预应力钢棒的热处理一般采用淬火加回火来处理，目前国内大多数采用高中频感应加热后淬火加回火方式进行热处理。将钢材加热至奥氏体化（940～960℃），然后淬火，回火温度控制在350℃以上，一般350～500℃为宜，获得较高的强度、塑性和低松弛性能。

预应力钢棒淬火：淬火温度的高低直接影响到钢材奥氏体化程度，以及奥氏体晶粒的大小及钢材淬火后的组织性能。预应力钢棒淬火工艺要求淬火淬透。在生产实践过程中，由于预应力钢棒淬火属于高频感应快速加热，因此不能用常规的热处理方式来确定淬火温度，必须根据生产线的实际速度适当提高加热温度以使钢材组织能够充分奥氏体化。加热温度及加热时间也要严格控制，否则，加热温度过高、时间过长，奥氏体晶粒过大，淬火时易产生裂纹；加热温度过低、时间过短，奥氏体化不充分，淬火后的钢材的力学性能不能达到要求。此外，淬火水温的高低直接影响淬火后钢棒性能。水温过低将导致钢棒开裂或脆断；水温过高将会出现钢材未淬透现象，其结果就是钢材的抗拉强度和屈服强度均偏低。根据试验研究表明：淬火冷却水温应保持在20～30℃为最佳。

预应力钢棒回火：预应力钢棒的回火同样采用快速热处理方式，其加热温度及时间也应严格控制。钢棒通过回火炉加热后应立即进行冷却处理，以免发生回火脆性。预应力钢棒回火温度一般控制在350～500℃为宜。根据不同钢种、不同力学性能要求可适当调整钢棒的回火温度。根据试验研究表明：回火温度每提高20℃，其强度降低约100MPa。【1】回火后的冷却水温也应控制20～30℃范围内。

4.2 无粘结钢棒生产

预应力钢棒经过一段时间的时效处理后，要根据尺寸对预应力钢棒进行定尺剪切，剪切后的钢棒经过倒角机倒角后就可以进行滚丝工序。滚丝过程中应注意滚丝质量的控制。

预应力钢棒无粘结生产方式采用钢棒在线涂油、挤塑连续成型工艺。防腐脂通过挤压及模具均匀的涂覆在钢棒表面；改性高密度聚乙烯通过逐级加热到220～230℃之间，通过挤压及模具同样均匀的包裹在含有防腐脂的钢棒上。根据防腐脂及改性高密度聚乙烯的挤出量适当调整生产线速度。冷却水温控制在20～25℃为宜。

5、目前无粘结预应力混凝土钢棒在生产及应用中存在的问题

5.1 无粘结预应力混凝土钢棒的延迟断裂

延迟断裂从时间概念说，是经过一段时间，短则在生产线上，长则数年后

在构件中仍能发生的一种自己脆性断裂现象，所以称之为“延迟断裂”或“滞后断裂”，表征为脆性断口状。【2】

a) 形成原因

无粘结预应力混凝土钢棒生产所选用钢材均为国内钢材，在脆断试样中发现部分试样的碳含量超标或处于钢种规定值的上限，导致钢棒强度高，塑性差，易脆断。

钢中大颗粒碳类夹杂物的出现易使钢材经拉拔、调质处理后在预应力钢棒的内部产生应力裂纹，这些应力裂纹在氢的作用下逐渐扩大，导致预应力钢棒延迟脆性，夹杂物的级别越高，延迟脆断越明显。

盘条表面质量缺陷是引发预应力钢棒氢致延迟断裂的直接部位。在盘条表面经常出现的缺陷有微裂纹、划伤、耳子、折迭、凹坑、结疤等，这些表面缺陷在钢棒经过淬火后常引起应力集中，成为裂纹源，最终造成成品钢棒脆断。

b) 减少延迟断裂方法

材料选择：预应力钢棒在原材料选择上尽量采用钢材质量好，无表面缺陷，内部材质均匀的盘条。

时效处理：盘条在加工前应进行充分的时效处理，试验证明随着时效时间的延长，盘条的断面收缩率逐渐提高，而氢含量却逐渐降低，盘条内的应力也会逐渐降低。成品后的预应力钢棒也应进行必要的时效处理。

生产设备：淘汰落后的预应力钢棒生产设备，严格规范预应力钢棒冷加工和热处理工艺，使延迟断裂现象能够得到有效控制。

5.2 无粘结预应力混凝土钢棒护套抗收缩性

高密度聚乙烯树脂具有优良的硬度和机械强度、较好的耐磨性、耐腐蚀性和化学稳定性，而且耐环境应力开裂和加工性能也非常好，但是高密度聚乙烯树脂弹性模量较大，抗收缩能力差，抗冲击能力差。因此对高密度聚乙烯树脂的改性是非常必要的。填充刚性无机填料是改善材料硬度的常用方法，它同时可提高材料的尺寸稳定性和降低生产成本。

未经改性处理的钢棒护套定尺后，放置一段时间护套尺寸会发生变化，给生产带来不便，同时也增加制造商的成本。

高密度聚乙烯树脂的改性可采用传统方法进行改性，例如：加入适量的CaC03、滑石粉、硅灰石等填充改性，提高护套抗收缩性能，使定尺后的护套尺寸稳定，同时降低生产成本。

6、结束语

无粘结预应力混凝土钢棒的生产工艺并不复杂，在保证产品质量的情况下，可根据生产及使用过程中出现的问题适当调整其生产工艺参数，使其更能适应现场施工的需求。