一种全生命周期的无砟轨道嵌入式结构混凝土动态性能试验方法

技术领域

本发明属于建筑材料的测试技术领域，具体涉及一种全生命周期的无砟轨道嵌入式结构混凝土动态性能试验方法，适用于嵌入式结构混凝土性能试验，特别适用于高速铁路双块式无砟轨道的动态性能试验。

背景技术

以混凝土为主要工程材料的无砟轨道在世界高速铁路中得到了广泛应用，目前主要以CRTSI型、CRTSII型双块式无砟轨道为主。无砟轨道在服役过程中主要承受高速列车运行造成的高频疲劳荷载，高频疲劳荷载会显著加速脆性较大、韧性不足的混凝土中微裂缝萌生和既有微裂缝的扩展，导致混凝土结构服役性能下降，这导致了混凝土更容易发生损坏。虽然无砟轨道结构的使用时间还较短，但道床板开裂、轨枕与现浇部位粘接失效等病害已经对无砟轨道结构的耐久性与行车的安全性产生影响。因此有必要提出双块式无砟轨道结构混凝土全生命周期动态性能试验方法，为双块式无砟轨道结构服役寿命评价及服役性能提升提供技术支撑。

由于铁路结构承受典型的周期荷载，因此混凝土动态性能是铁路行业关注的重点。我国标准如《预应力混凝土枕疲劳试验方法》(TB/T1878-2002)、《CRTSⅡ型双块式无砟轨道混凝土轨道板》(TB/T3399-2015)和《预应力混凝土简支梁弯曲疲劳试验方法》(TB/T2326-1992)已经对不同结构的疲劳试验方法进行了规定，但缺乏对双块式无砟轨道的动态性能标准；标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)也对混凝土材料的疲劳性能进行了规定，但加载频率仅为4Hz～8Hz。双块式无砟轨道结构受力形式复杂，疲劳荷载频率一般高于20Hz，当高速列车以300～350km/h的速度运行时，最大荷载频率甚至在40Hz左右，且在高频疲劳荷载下，随机缺陷和结构变形导致的高应力冲击荷载会加速疲劳破坏的产生。这使得相关标准与无砟轨道结构实际承受的疲劳荷载有较大区别。

双块式无砟轨道在现场浇注成型，双块式轨枕埋入到现浇混凝土中形成道床板，与现浇支承层共同组成轨道结构。轨枕强度最高，直接承受列车荷载，但由于不同混凝土动态性能存在差异，且荷载传递复杂，导致嵌入式结构新老混凝土界面易发生动态粘接失效损伤。相关标准仅对单一材料进行分析，无法反映双块式无砟轨道嵌入式结构的复杂应力传递及损伤过程。为实现混凝土嵌入式结构性能的快速检测，可将双块式无砟轨道单元结构简化为嵌入式结构，但如《一种双块式混凝土轨枕》(CN109537374A)、《一种钢管混凝土双块式轨枕整体道床施工结构》(CN217399278U)、《一种双块式无砟轨道板及其制备方法》(CN107574725A)等专利均是对双块式无砟轨道的整体结构性能进行研究，目前对嵌入式结构混凝土结构的研究还较为缺乏。

目前双块式无砟轨道混凝土动态性的试验存在以下问题：

(1)现有混凝土试件主要为单一材料，与双块式无砟轨道的嵌入式结构特点不符；

(2)疲劳试验加载频率过低，与无砟轨道混凝土所受高频疲劳和冲击的动态荷载存在明显差距，无法准确反映出无砟轨道嵌入式结构的实际服役情况；

(3)试验评价方法单一，无法对双块式无砟轨道结构的修补制度提供指导，也缺乏针对无砟轨道结构的全寿命周期性能的分析方法。

发明内容

本发明针对缺少全生命周期的无砟轨道嵌入式结构混凝土动态性能试验方法的现状，发明了一种符合高铁结构疲劳荷载特点的嵌入式结构混凝土动态性能的试验方法，以实现对双块式无砟轨道混凝土的全生命周期动态性能的准确评价。

本发明的技术方案：

一种全生命周期的无砟轨道嵌入式结构混凝土动态性能试验方法，该方法测试步骤为：

1)根据双块式无砟轨道的实际尺寸等比例制备嵌入式结构混凝土试件；

2)对嵌入式结构混凝土试件进行静态加载，测量其极限强度；

3)根据嵌入式结构混凝土试件极限强度制定疲劳或冲击动态试验制度并进行试验，确定试件动态破坏寿命及动态剪切开裂寿命；

4)根据动态剪切开裂寿命与动态破坏寿命的寿命比确定双块式无砟轨道结构全生命周期内的修补制度；

5)当出现剪切开裂后选择材料进行注浆修补，然后再进行疲劳或冲击动态试验，估算双块式无砟轨道结构的寿命衰减率和服役寿命。

进一步的，所述嵌入式结构混凝土试件的制备方法为：

11)嵌入式结构混凝土试件的制备尺寸按照等比例的原则进行设计，首先制备内层混凝土并浇注于内层钢制模具中；

12)浇注1天后拆模，置于标准养护室中养护14天；

13)制备外层混凝土并放置于外层钢制模具中浇铸部分后，将内层混凝土成型面朝上放置于外层混凝土上后继续浇满模具；

14)浇注1天后拆模并至于标准养护室中养护，试件整体养护时间不少于28天；

15)试验前应通过砂纸将试件表面不平整位置打磨平整，加载部位附近不得有直径超过5mm、深度超过2mm的孔洞。

进一步的，所述步骤2)中静态加载在压力机上进行，每组试件不少于3块，加载速度为0.08MPa/s～0.10MPa/s。

进一步的，当测试部位位于线中主要承受疲劳荷载的位置时，动态试验方法选择疲劳动态试验，疲劳加载应力上限S＝0.6倍极限强度，应力比为0.1，加载方式为弯曲疲劳，加载波形为正弦波，加载频率f≥20Hz，最高加载次数为2×10

测试部位在岔枕或轨道不平顺主要承受冲击荷载的位置时，动态试验方法选择弯曲落锤冲击动态试验，落锤质量为5kg，落锤高度为500mm～1500mm，弯曲夹具的跨距为300mm，试验前调整试件使冲击点位于试件中心，每组试验试件不少于3块，试验时测量记录内外层混凝土垂向位移情况，并记录冲击导致的动态破坏寿命并取平均值N

进一步的，所述步骤4)中修补制度的确定方法为：根据动态剪切开裂寿命与动态破坏寿命的寿命比，分析双块式无砟轨道结构60年全生命周期内的修补制度：

式中：N为双块式无砟轨道结构的修补间隔，N

进一步的，所述双块式无砟轨道结构的寿命衰减率计算方法为：当需对修补后试件性能进行分析时，在试件达到粘接失效或离缝状态时即停止动态试验，采用压力注浆的方式进行修补，待注浆材料硬化7天后继续进行动态试验；记录修补后试件的动态剪切开裂寿命并取平均值N

式中x为双块式无砟轨道结构的寿命衰减率，N

所述无砟轨道结构的服役寿命计算方法为：重复修补后，当x达到40％后判定试件动态性能失效，记录x达到40％前n次修补前的破损寿命N

N

本发明的机理：作为列车运行的典型特征，动态荷载易导致抗拉性能较差的混凝土产生损伤并不断累积，并最终导致无砟轨道结构产生病害。同时，嵌入式的双块式无砟轨道内外层混凝土粘接部位是结构的薄弱区，界面内的初始损伤可能成为疲劳损伤发展的起点。在反复的动态荷载下，混凝土的变形差最终导致界面产生剪切破坏。根据这一特点，通过分析加载前后的混凝土的变形差，可以对其动态性能进行评价，同时不同阶段的疲劳寿命也为双块式无砟轨道结构的修补制度提供了参考。

本发明的优点：

(1)创新了与双块式无砟轨道结构相同的嵌入式结构试件，能更准确进行无砟轨道动态性能评价；

(2)制定了更贴近与高铁服役实际情况的动态试验制度，能更好地反映双块式无砟轨道结构的动态荷载特点；

(3)丰富了针对无砟轨道嵌入式结构的修补制度及全寿命周期性能的试验分析方法，实现了无砟轨道结构的寿命预测，预测结果与双块式无砟轨道结构的实际服役情况吻合。

附图说明：

附图图1为本发明嵌入式结构混凝土试件示意图。

图中：1-C60轨枕、2-现浇混凝土。

具体实施方式：

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案做进一步的具体说明。

实施例1：根据CRTSⅠ型轨枕的嵌入式结构实际尺寸制备嵌入式结构混凝土试件，制备要求为：1)内外两层高度总计110mm，制备内层C60混凝土并浇注于尺寸为200mm×60mm×60mm的钢制模具中；2)浇注1天后拆模，置于标准养护室中养护14天；3)制备外层C40混凝土并浇注于尺寸为400mm×100mm×100mm的钢制模具中，浇铸高度为50mm，将内层混凝土成型面朝上放置于外层混凝土上后继续浇满模具，内层混凝土比外层高10mm；4)浇注1天后拆模并至于标准养护室中养护，试件整体养护时间不少于28天；5)试验前应通过砂纸将试件表面不平整位置打磨平整，加载部位附近不得有直径超过5mm、深度超过2mm的孔洞。

取3块嵌入式结构混凝土试件在压力机上进行静态加载，每组取3块试件，加载速度为0.10MPa/s，测得其平均极限荷载为23.2kN。

取3块嵌入式结构混凝土试件进行疲劳动态试验加载，疲劳加载应力上限S＝13.92kN，应力比为0.1，加载方式为弯曲疲劳，加载波形为正弦波，加载频率f＝20Hz，试验时测量记录外层混凝土开裂情况及粘接部位的位移情况，当位移出现突变或两层混凝土位移差超过20％或位移相反时，认为混凝土层间粘接失效出现离缝。三个试件的疲劳破坏寿命为78.4万次、88.2万次和128万次，平均疲劳破坏寿命为98.2万次；三个试件的粘接部位破损寿命分别为15.2万次、39万次和44.8万次，平均粘接部位破损寿命为33万次。

根据嵌入式结构混凝土试件出现粘接部位破损时的疲劳破坏寿命与动态剪切开裂寿命比得出，在60年的服役时间内，约33.6年即应对双块式无砟轨道结构进行检测修补。

采用压力注浆的方式对嵌入式结构混凝土试件进行修补，待注浆材料硬化7天后继续进行疲劳动态试验；得出修补后动态破坏寿命并取平均值为84.2万次，修补后粘接部位动态剪切开裂寿命为28.4万次。

修补后的寿命衰减率为13.9％，小于40％，试件未达到动态性能失效状态。

N

根据修补前后的离缝寿命及动态破坏寿命，估算出无砟轨道修补后服役寿命约为80.2年。

实施例2：

根据CRTS I型轨枕的嵌入式结构实际尺寸制备嵌入式结构混凝土试件，制备要求为：1)内外两层高度总计110mm，制备内层C60混凝土并浇注于尺寸为200mm×60mm×60mm的钢制模具中；2)浇注1天后拆模，置于标准养护室中养护14天；3)制备外层C40混凝土并浇注于尺寸为400mm×100mm×100mm的钢制模具中，浇铸高度为50mm，将内层混凝土成型面朝上放置于外层混凝土上后继续浇满模具，内层混凝土比外层高10mm；4)浇注1天后拆模并至于标准养护室中养护，试件整体养护时间不少于28天；5)试验前应通过砂纸将试件表面不平整位置打磨平整，加载部位附近不得有直径超过5mm、深度超过2mm的孔洞。

取3块嵌入式结构混凝土试件进行落锤冲击动态试验加载，落锤质量为5kg，落锤高度为1000mm，弯曲夹具的跨距为300mm，试验时测量记录外层混凝土开裂情况及粘接部位的位移情况，当位移出现突变或两层混凝土位移差超过20％或位移相反时，认为混凝土层间粘接失效出现离缝。三个试件的冲击破坏寿命为26次、30次和43次，平均冲击破坏寿命为33次；三个试件的动态剪切开裂寿命分别为11次、15次和26次，动态剪切开裂寿命为17.3次。

根据嵌入式结构混凝土试件出现粘接部位破损时的冲击破坏寿命与动态剪切开裂寿命比得出，在60年的服役时间内，约30.2年即应对双块式无砟轨道结构进行检测修补。

采用压力注浆的方式对嵌入式结构混凝土试件进行修补，待注浆材料硬化7天后继续进行落锤冲击动态试验；得出修补后动态破坏寿命并取平均值为28次，修补后粘接部位动态剪切开裂寿命为11次。

修补后的寿命衰减率为36.4％，小于40％，试件未达到动态性能失效状态。

N

根据修补前后的离缝寿命及动态破坏寿命，估算出无砟轨道修补后服役寿命约为91.9年。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能够理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。