CN109778648A - Crtsⅲ型板充填层与轨道板界面缺陷快速无损评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CRTSⅢ型板充填层与轨道板界面缺陷快速无损评价方法，在CRTSⅢ型板的轨道板表面，采用冲击回波法沿横向和/或纵向对轨道板进行连续测量得到每一个测量点对应的频域曲线，根据缺陷识别函数以及频域曲线中波形最大振幅主峰及第2大振幅主峰对应的频率值以及振幅值，评判界面缺陷类型和数量。本发明提供的测试方法具有快速、简单及结果可靠等特点，可为板式无砟轨道自密实混凝土充填层的施工质量控制及其运营过程中的状态评估提供一种高效、科学的手段。

Description

CRTSⅢ型板充填层与轨道板界面缺陷快速无损评价方法

技术领域

本发明属于CRTSⅢ型板检测评价技术领域，具体涉及一种CRTSⅢ型板充填层与轨道板界面缺陷快速无损评价方法。

背景技术

作为我国具有完全自主知识产权的轨道结构型式，CRTSⅢ型板式无砟轨道结构采用自密实混凝土(SCC)充填层技术。SCC充填层位于底座板和蒸养混凝土轨道板之间，起支撑、调整及粘结等作用，并要求与轨道板形成复合板结构。显然，SCC充填层与轨道板间的界面粘结质量是整个无砟轨道结构耐久性及其服役品质关键控制因素之一。

SCC充填层具有面积大(5600mm×2500mm)、厚度小(90mm)的特点。充填层新拌混凝土是由密度不同的固、液、气多相组成的混合体系，浇筑后的混凝土拌合物存在离析的趋势，若浆体、水或气泡上浮将累积在轨道板底部，从而容易导致充填层与轨道板之间的粘结质量不良，特别是当新拌自密实混凝土工作性不良时，更易出现这类情况。在CRTSⅢ型板式无砟轨道结构充填层实际施工实践中发现，浇筑施工后的自密实混凝土充填层容易出现质量缺陷，如充填层自密实混凝土与轨道板之间的粘结界面容易累积气泡、表面产生酥软的浮浆层等。这些质量缺陷将严重影响粘结界面的质量，从而影响整个轨道结构的服役性能。正是由于充填层施工工艺的特殊性及影响因素的复杂性、多样性，SCC充填层与轨道板之间界面处仍不时存在缺陷。因此，SCC充填层施工后的质量检验显得尤为重要。

SCC充填层具有隐蔽性，难以在施工过程中或施工后对其质量进行监测和检验；同时，SCC充填层不仅被密集配筋的蒸养混凝土轨道板覆盖，而且只一个检测操作面，难以采用地质雷达、超声波等常用无损检测方法进行准确检验。目前仅靠现场揭板检查等破损方法来检验SCC充填层的施工质量，这种检测方法不仅费时、费力、费钱，而且由于检测数量偏低，易出现漏判。

参考文献：

[1]龙广成.自密实混凝土.中国铁道科学出版社，2013.7。

[2]《高速铁路CRTSIII型板式无砟轨道自密实混凝土》(Q/CR596-2017)，中国铁道出版社，2017。

[3]ASTM C1383-15Standard Test Method for Measuring the P-Wave Speedand the Thinkness of Concrete Plates Using the Impact-Echo Method.

[4]Cheng C,Sansalone M.Determining the minimum crack width that canbe detected using the impact-echo method Part 1:Experimental study[J].Materials and Structures,1995,28(2):74-82.

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种CRTSⅢ型板充填层与轨道板界面缺陷快速无损评价方法，以解决现有有损检测评价方法效率低、检测数量有限、费用大等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

CRTSⅢ型板充填层与轨道板界面缺陷快速无损评价方法，包括如下步骤：

S1：在CRTSⅢ型板的轨道板表面，采用冲击回波法沿横向和/或纵向对轨道板进行连续测量得到每一个测量点对应的频域曲线；

S2：界面缺陷评估

S21：对频域曲线中波形最大振幅主峰及第2大振幅主峰对应的频率值x₁、x₂的比值取自然对数，判断界面是否存在缺陷，其中：

当自然对数值为正数时，该测量点对应的粘结界面粘结良好；

当自然对数值为负数时，该测量点对应的粘结界面为缺陷界面，定义该位置为缺陷位置；

S22：界面缺陷类型评判

对频域曲线中波形最大振幅主峰及第2大振幅主峰对应的振幅值y₁、y₂的比值取自然指数，判断界面缺陷类型：

当自然对数值与自然指数值的乘积处在(-2.5，0)时，粘结界面缺陷为局部小气泡群；

当自然对数值与自然指数值的乘积处在(-8，-2.5)时，粘结界面缺陷为局部气泡疏松薄层或水纹；

当自然对数值与自然指数值的乘积处在(-15，-8)时，粘结界面缺陷为离缝；

当自然对数值与自然指数值的乘积小于等于-15时，粘结界面缺陷为连续蜂窝状泡孔群。

进一步的，界面缺陷大小评价按以下步骤进行：

第一步：在步骤S1中采用冲击回波法同时得到横向和/或纵向测量位置处的厚度值曲线，所述厚度值曲线由各测量点轨道板厚度值和/或轨道板与自密实混凝土充填层总厚度值构成；

第二步：根据S22步骤中缺陷界面对应的测量点构成的厚度值曲线，在轨道板表面找到对应的位置，以该位置为中心，在其两侧按间距d进行n次冲击回波测量，直至测量得到的边侧厚度值曲线上的点全部为无缺陷位置的点，根据该缺陷位置对应的厚度值曲线长度L₁、冲击回波测量次数n以及间距d，得到该缺陷位置对应的缺陷面积S₁，

第三步：重复第一步，得到每一个缺陷位置的缺陷面积S_i，其中i＝1,2….m；

第四步：界面缺陷评价

当第三步得到的单一缺陷位置面积S_i≥50cm²时，评估该CRTSⅢ型板充填层与轨道板界面不合格；

当第三步得到的单一缺陷位置面积S_i≤50cm²，但缺陷面积之和时，评估该CRTSⅢ型板充填层与轨道板界面不合格。

进一步的，间距d为1.5-2.5cm。

进一步的，冲击回波法按以下步骤将进行：沿蒸养轨道板表面布置8个横向测试区域和4个纵向测试区域，驱动测量小车沿每一个测试区的轴线进行测量；测量小车行进速度为10cm/s-15cm/s，冲击波频率为5000-15000Hz。

进一步的，测量小车底部的电磁振荡器冲击持续时间t_c<0.75t_r；其中，t_r为应力波从发射经缺陷反射传回到测试面的总时间。

进一步的，横向测试区域的长度为2500mm；纵向测试区域的长度为5600mm。

进一步的，应力波在轨道板中的传播速度为4600-5000m/s。

进一步的，轨道板表面保持干燥无积水。

进一步的，轨道板采用蒸养轨道板。

本发明以我国大规模高速铁路建设为背景，提出了CRTSⅢ型板充填层与轨道板界面缺陷快速无损评价方法，对CRTSⅢ型板式无砟轨道结构施工质量控制提供很好的技术支撑。

本检测方法的科学性、有效性及其与现有检测方法的比较：

本检测方法是基于高速铁路无砟轨道结构充填层的水平板式结构的实际特点，并结合实际现场灌注自密实混凝土的施工工艺，通过大量工程现场试验，合理评估CRTSⅢ板式无砟轨道充填层的自密实混凝土和蒸养轨道板粘结性能，因而本评价方法具有显著的合理性和科学性。同时，原有的现场揭板破损试验，虽然可以实际观察充填层与轨道板之间粘结界面的质量状态，但揭板试验必须破坏现有的轨道结构，而且费时费力，工作量巨大。由于揭板数量有限，未进行揭板的充填层与轨道板粘结界面的质量无法确认，容易产生漏判。传统的超声、地质雷达等方法因轨道结构的特殊性、复杂性无法适用。本检测方法是一种无损检测方法，更有针对性地反映CRTSⅢ板式无砟轨道充填层的自密实混凝土和蒸养轨道板粘结性能。因而，本检测方法具有更强的针对性，弥补了原有方法中的不足，能够快速的检测出CRTSⅢ板式无砟轨道充填层的自密实混凝土和蒸养轨道板粘结性能，为CRTSⅢ板式无砟轨道自密实混凝土充填层的施工质量控制提供了有力支撑。

检测方法的敏感性：

实践表明，本检测方法对CRTSⅢ板式无砟轨道充填层的自密实混凝土和蒸养轨道板粘结性能检测敏感性高。本检测方法通过对CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土充填层和蒸养轨道板粘结性能优劣不同板的检测结果说明，本检测方法得到的数据更加符合CRTSⅢ板式无砟轨道充填层的实际情况。这样进一步验证了本检测方法的有效性。

本发明的优点和积极效果：

1、本发明能客观、准确地得到表征CRTSⅢ板式无砟轨道充填层的自密实混凝土和蒸养轨道板粘结性能的相关数据，从而反映灌注后的自密实混凝土充填层表层的质量，实现对界面缺陷类型的评估，确保充填层与其上部预制轨道板之间的粘结性能。

2、本发明基于获得的检测数据，可以计算得到界面缺陷的面积，进而可以评估该CRTSⅢ型板充填层与轨道板界面是否合格，具有操作简单，评价快速的优点。

3、本方法可用于高速铁路板式无砟轨道充填层或类似的水平层状结构构件自密实混凝土拌合物粘结性能的实验室或是现场施工性能测试评价，有利地保证了这类特殊构件的施工质量。

4、本发明方法操作简单，可靠性高；避免了现场揭板破损试验所需的大量人力、物力。

综上所述，本发明是一种能够快速的检测CRTSⅢ板式无砟轨道充填层的自密实混凝土和蒸养轨道板粘结界面缺陷的无损方法，保证自密实混凝土充填层施工质量且操作简单，可靠性高的评价方法。

附图说明

图1是CRTSⅢ板式无砟轨道充填层的自密实混凝土和蒸养轨道板粘结界面检测示意图；

图2是CRTSⅢ板式无砟轨道的蒸养轨道板面测试区域划分示意图；

图3是厚度曲线(缺陷位置曲线)示意图；

图4是粘结界面良好以及对应频域曲线示意图；

图5是粘结界面局部小气泡群以及对应频域曲线；

图6是粘结界面局部气泡群疏松薄层以及对应频域曲线；

图7是粘结界面水纹以及对应频域曲线；

图8是粘结界面离缝以及对应频域曲线；

图9是粘结界面连续大泡孔层以及对应频域曲线；

图10是粘结界面存在缺陷的区域长度示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种CRTSⅢ型板充填层与轨道板界面缺陷快速无损评价方法，包括如下步骤：

S1：在CRTSⅢ型板的轨道板表面，采用冲击回波法沿横向和/或纵向对轨道板进行连续测量得到每一个测量点对应的频域曲线；

S2：界面缺陷评估

S21：对频域曲线中波形最大振幅主峰及第2大振幅主峰对应的频率值x₁、x₂的比值取自然对数，判断界面是否存在缺陷，其中：

当自然对数值为正数时，该测量点对应的粘结界面粘结良好；

当自然对数值为负数时，该测量点对应的粘结界面为缺陷界面，定义该位置为缺陷位置；

S22：界面缺陷类型评判

对频域曲线中波形最大振幅主峰及第2大振幅主峰对应的振幅值y₁、y₂的比值取自然指数，判断界面缺陷类型：

当自然对数值与自然指数值的乘积处在(-2.5，0)时，粘结界面缺陷为局部小气泡群；

当自然对数值与自然指数值的乘积处在(-8，-2.5)时，粘结界面缺陷为局部气泡疏松薄层或水纹；

当自然对数值与自然指数值的乘积处在(-15，-8)时，粘结界面缺陷为离缝；

当自然对数值与自然指数值的乘积处在不大于-15时，粘结界面缺陷为连续蜂窝状泡孔群。

由于所测CRTSⅢ型板结构中蒸养混凝土板和充填层的几何尺寸固定，且材料性质相对固定，因此，应力波在其中的传播速度也相对确定，从而可得到相对确定的时域曲线。为此，找到缺陷位置对应点的频域曲线，找出频域曲线中最大振幅主峰和第2大振幅主峰对应的频率值x₁、x₂，以及相应的振幅值y₁、y₂，结合应力波检测原理，分别取第一主峰和第二主峰的频率的比值(x₁/x₂)以及振幅的比值(y₁/y₂的比值大小反应应力波能量损耗的多少)，得到与频率、振幅相关的两个无量纲参数，再对x₁/x₂取自然对数、对y₁/y₂取自然指数，根据自然指数函数和自然对数函数的特点，构建上述两个无量纲参数相关的阈值条件，从而评价缺陷的类型，相比现有评价方法，具有快速、简单及结果可靠等特点，而且无需对轨道板进行揭板破损测量，实现轨道板的无损检测，可为板式无砟轨道自密实混凝土充填层的施工质量控制及其运营过程中的状态评估提供一种高效、科学的手段。

为对整个轨道板界面结合性能进行评价，还包括如下步骤：

第一步：在步骤S1中采用冲击回波法同时得到横向和/或纵向测量位置处的厚度值曲线，所述厚度值曲线由各测量点轨道板厚度值和/或轨道板与自密实混凝土充填层总厚度值构成；

第二步：根据S22步骤中缺陷界面对应的测量点构成的厚度值曲线，在蒸养轨道板表面找到对应的位置，以该位置为中心，在其两侧按间距d进行n次冲击回波测量，直至测量得到的边侧厚度值曲线上的点全部为无缺陷位置的点，根据该缺陷位置对应的厚度值曲线长度L₁、冲击回波测量次数n以及间距d，得到该缺陷位置对应的缺陷面积S₁。

第二步：重复第一步，得到每一个缺陷位置的缺陷面积S_i，其中i＝1,2….m；

第三步：界面缺陷评价

当第二步得到的单一缺陷位置面积S_i≥50cm²时，评估该CRTSⅢ型板充填层与轨道板界面不合格；

当第二步得到的单一缺陷位置面积S_i≤50cm²，但缺陷面积之和时，评估该CRTSⅢ型板充填层与轨道板界面不合格。

本发明不仅可以对轨道板局部的缺陷类型进行指标化评价，而且可以对缺陷的面积大小进行计算以及对整个轨道板结合性能进行评价。

下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例

本实施例提供CRTSⅢ型板充填层与轨道板界面缺陷快速无损评价方法，这种测试方法操作简单、可靠性高。

选择适宜CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土充填层粘结界面缺陷检测的低频应力波仪器设备，并对仪器设备相关参数进行设定。基于应力波原理和CRTSⅢ型板式轨道结构几何尺寸及材性，确定应力波仪器的频率为小于20000Hz，根据应力波理论公式(其中E是介质的弹性模量，ρ₀是介质的密度，ν是泊松比，C_p是应力波波速)，应力波在轨道板中的传播速度为4600～5000m/s，测试面保持干燥无积水。

由于蒸养轨道板层厚度是20cm，自密实混凝土层厚度是9cm，这样在滤波通道功能中选择带通滤波，使得带通滤波下限值在F1＝5000Hz，上限值F2＝15000Hz，符合CRTSⅢ型板式无砟轨道实际情况。图1为CRTSⅢ板式无砟轨道充填层的自密实混凝土和蒸养轨道板粘结界面检测示意图，其中1表示蒸养轨道板，2表示自密实混凝土充填层，3表示土工布层，4表示底座板，5表示数据采集小车(测量小车)，6表示设备电缆，7表示数据分析主机。通过设备电缆连接好数据采集小车和数据分析主机。基于数据采集小车底部的电磁振荡器冲击持续时间t_c必须短于P波从发射经缺陷反射传回到测试面的总时间t_r，且当t_c<0.75t_r，缺陷的深度才能够被测出这一条件，以及考虑到每块CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土充填层和蒸养轨道板粘结界面检测工作的效率，可以采用连续测试方法，但连续测试小车走行速度宜在10cm/s～15cm/s的速度区间以满足测试要求。

参见图2，在蒸养轨道板面布置8条横向测试区域和4条纵向测试区域，如虚线所示测试区域，分别是H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、H8和Z1、Z2、Z3、Z4。横向测线长度为2500mm；纵向测线长度为5600mm。

将数据采集小车放置在测试区域的蒸养轨道板表面，对数据采集小车施加一个50N恒定压力，刚好使应力波接收器充分接触蒸养轨道板表面的混凝土上，以便于接收测试区域内敲击应力入射波在缺陷处反射信号。测试前，对数据分析主机进行调试，作用是降低噪声波对磁感应接收器接收应力波反射回来信号的影响。观察时域曲线和频域曲线的波形变化，保存有效波段的振幅谱，以获得每个测试区域的厚度值曲线及每一个测量点对应的频域曲线，参见图3。当检测过程出现可疑测试点时，记录下可疑点的位置，这样可以对可疑点进行重复检测或是加密检测。

对频域曲线中波形最大振幅主峰及第2大振幅主峰对应的频率值x₁、x₂的比值取自然对数，判断界面是否存在缺陷，其中：当自然对数值为正数时，该测量点对应的粘结界面粘结良好，参见图4；

当自然对数值为负数时，该测量点对应的粘结界面为缺陷界面，定义该位置为缺陷位置。

当界面判断为存在缺陷时，根据最大振幅主峰及第2大振幅主峰对应的振幅值y₁、y₂的比值，对界面缺陷类型进行评判：

当自然对数值与自然指数值的乘积处在(-2.5，0)时，粘结界面缺陷为局部小气泡群，参见图5；

当自然对数值与自然指数值的乘积处在(-8，-2.5)时，粘结界面缺陷为局部气泡疏松薄层或水纹，参见图6和图7；

当自然对数值与自然指数值的乘积处在(-15，-8)时，粘结界面缺陷为离缝，参见图8；

当自然对数值与自然指数值的乘积处在不大于-15时，粘结界面缺陷为连续蜂窝状泡孔群，参见图9。

根据充填层的结构特点和测试获得的厚度值曲线、频域曲线测试结果，进行CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土充填层和蒸养轨道板粘结界面缺陷面积的计算。对于粘结界面存在缺陷的区域，即自然对数值为负数的区域，首先从厚度值曲线上确定这个区域的长度，定义为L1，单位是cm，参见图10。再在蒸养轨道板面，根据一一对应原则，对存在缺陷的测试区域进行加密测试，加密间距d取值1.5cm～2.5cm。在这个测试区域左侧每隔一个间距d测试一次，直到测试到的缺陷左侧边界位置，记录一共测试了n₁个d。在这个测试区域右侧每隔一个间距d测试一次，直到测试到的缺陷右侧位置为止，记录一共测试了n₂个d。那么这个测试区域粘结界面缺陷的面积S_i＝(n1+n2)×d×L1cm²。根据每个测试区域的缺陷位置对应的厚度值曲线、频域曲线以及已经填写的充填层界面缺陷的数据记录整理表，参见表1，对每个测试区域的各个缺陷位置进行粘结界面性能优劣评价，再统计12个测试区域总的粘结界面缺陷面积

当所测板式无砟轨道充填层与轨道板界面存在单个缺陷的平面面积大于50cm²时，可判断为不合格；当所测区域界面单个缺陷的平面面积不大于50cm²，但界面总缺陷面积占比超过10％，也判断为不合格。这样对整块板的CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土充填层和蒸养轨道板粘结界面形成一个快速的评价。

表1是检测充填层界面缺陷的数据记录整理表

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.CRTSⅢ型板充填层与轨道板界面缺陷快速无损评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：在CRTSⅢ型板的轨道板表面，采用冲击回波法沿横向和/或纵向对轨道板进行连续测量得到每一个测量点对应的频域曲线；

S2：界面缺陷评估

S21：对频域曲线中波形最大振幅主峰及第2大振幅主峰对应的频率值x₁、x₂的比值取自然对数，判断界面是否存在缺陷，其中：

当自然对数值为正数时，该测量点对应的粘结界面粘结良好；

当自然对数值为负数时，该测量点对应的粘结界面为缺陷界面，定义该位置为缺陷位置；

S22：界面缺陷类型评判

对频域曲线中波形最大振幅主峰及第2大振幅主峰对应的振幅值y₁、y₂的比值取自然指数，判断界面缺陷类型，

当自然对数值与自然指数值的乘积处在(-2.5，0)之间时，粘结界面缺陷为局部小气泡群；

当自然对数值与自然指数值的乘积处在(-8，-2.5)之间时，粘结界面缺陷为局部气泡疏松薄层或水纹；

当自然对数值与自然指数值的乘积处在(-15，-8)之间时，粘结界面缺陷为离缝；

当自然对数值与自然指数值的乘积小于等于-15时，粘结界面缺陷为连续蜂窝状泡孔群。

2.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，界面缺陷大小评价按以下步骤进行：

第一步：在步骤S1中采用冲击回波法同时得到横向和/或纵向测量位置处的厚度值曲线，所述厚度值曲线由各测量点轨道板厚度值和/或轨道板与自密实混凝土充填层总厚度值构成；

第二步：根据S22步骤中缺陷界面对应的测量点构成的厚度值曲线，在轨道板表面找到对应的位置，以该位置为中心，在其两侧按间距d进行n次冲击回波测量，直至测量得到的边侧厚度值曲线上的点全部为无缺陷位置的点，根据该缺陷位置对应的厚度值曲线长度L₁、冲击回波测量次数n以及间距d，得到该缺陷位置对应的缺陷面积S₁，

第三步：重复第一步，得到每一个缺陷位置的缺陷面积S_i，其中i＝1,2….m；

第四步：界面缺陷评价

当第三步得到的单一缺陷位置面积S_i≥50cm²时，评估该CRTSⅢ型板充填层与轨道板界面不合格；

当第三步得到的单一缺陷位置面积S_i≤50cm²，但 评估该CRTSⅢ型板充填层与轨道板界面不合格。

3.根据权利要求2所述的评价方法，其特征在于：间距d为1.5-2.5cm。

4.根据权利要求1或2所述的评价方法，其特征在于：冲击回波法按以下步骤将进行：沿轨道板表面布置8个横向测试区域和4个纵向测试区域，驱动测量小车沿每一个测试区的轴线进行测量；测量小车行进速度为10cm/s-15cm/s，冲击波频率为5000-15000Hz。

5.根据权利要求4所述的评价方法，其特征在于：测量小车底部的电磁振荡器冲击持续时间t_c<0.75t_r；其中，t_r是低频应力波从发射经缺陷反射传回到测试面的总时间。

6.根据权利要求4所述的评价方法，其特征在于：横向测试区域的长度为2500mm；纵向测试区域的长度为5600mm。

7.根据权利要求1或2所述的评价方法，其特征在于：应力波在轨道板中的传播速度为4600-5000m/s。

8.根据权利要求1或2所述的评价方法，其特征在于：轨道板表面保持干燥无积水。

9.根据权利要求1或2所述的评价方法，其特征在于：轨道板采用蒸养轨道板。