一种全生命周期的无砟轨道层状叠合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层状叠合结构混凝土动态性能试验方法，适用于层状叠合结构混凝土性能试验，特别适用于高速铁路板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CRTS I型、CRTS II型和CRTSIII型板式无砟轨道为主。板式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，在平顺性较差时还会承受应力较高的冲击荷载，这显著加速了脆性较大、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，进而导致混凝土更容易发生损坏。虽然板式无砟轨道结构的使用时间还较短，但轨道板开裂、层间离缝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。因此有必要提出板式无砟轨道结构混凝土全生命周期动态性能试验方法，为板式无砟轨道结构维修周期确定、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。美国混凝土协会ACI 215委员会从素混凝土、混凝土梁和路面等结构疲劳性能演化规律出发，对结构疲劳设计做出了相应的要求，我国标准如《预应力混凝土枕疲劳试验方法》(TB/T 1878-2002)、《CRTSⅡ型板式无砟轨道混凝土轨道板》(TB/T 3399-2015)和《预应力混凝土简支梁弯曲疲劳试验方法》(TB/T 2326-1992)已经对不同结构的疲劳试验方法进行了规定，但加载频率仅为4Hz～8Hz。但板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，且随机缺陷和结构变形导致的高应力冲击荷载同样加速了损伤的产生。这使得相关标准与版式无砟轨道结构实际承受的实际荷载有较大区别。

板式无砟轨道由预制混凝土轨道板、SCC充填层和底座板组成，具有典型的层状叠合结构特点。混凝土强度等级自上而下递减，不同混凝土动态性能存在差异，且荷载传递复杂也会导致在混凝土层间产生。我国标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)也对混凝土材料的疲劳性能进行了规定，但仅针对单一混凝土进行试验，这与层状结构的板式无砟轨道存在较大差异。专利《钢与混凝土界面疲劳试验装置》(CN105181493A)发明了钢与混凝土界面疲劳试验的实验方法，但这与板式无砟轨道混凝土叠合的特点存在显著差异。专利《一种弯剪受力状态下混凝土疲劳试验系统》(CN106092769B)通过Z型试件发明了混凝土在受剪力疲劳时的试验方法，也相关研究也采用相同形状的试件来研究新老混凝土粘结面的抗剪切性能，但这与板式无砟轨道受压和受弯的荷载方式存在较大差异。针对混凝土叠合结构，专利《一种预制叠合板结构性能试验的加载装置及加载方法》(CN114295483A)发明了混凝土预制叠合结构的静态加载试验方法，但未考虑疲劳性能。

目前板式无砟轨道混凝土疲劳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，与板式无砟轨道的叠合结构特点不符，且层状叠合结构的研究多集中于的静态性能，缺乏动态性能方面的研究；

(2)疲劳试验加载频率过低，与板式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叠合结构的实际服役情况；

(3)试验评价方法单一，无法对板式无砟轨道层状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层状叠合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动态荷载特点的层状叠合结构混凝土动态性能的试验方法，以实现对板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层状叠合结构混凝土动态性能试验方法，该方法测试步骤为：

1)根据板式无砟轨道的实际尺寸等比例制备层状叠合混凝土试件；

2)对层状叠合混凝土试件进行静态加载，测量其极限强度；

3)根据层状叠合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离缝寿命；

4)根据动态离缝寿命与动态破坏寿命的寿命比确定板式无砟轨道结构全生命周期内的修补制度；

5)当层状叠合混凝土试件出现离缝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，估算板式无砟轨道结构的寿命衰减率和服役寿命。

进一步的，所述层状叠合混凝土试件的制备方法为：

11)层状叠合混凝土试件的制备尺寸按照等比例的原则进行设计，首先制备上层混凝土并浇注于钢制模具中；

12)浇注1天后拆模，置于标准养护室中养护14天；

13)将上层混凝土成型面朝上重新放置于所述钢制模具中，制备下层混凝土并浇注；

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

当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，采用弯曲冲击的方式进行试验，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，试验时测量记录上下层混凝土开裂情况及粘接部位的位移情况，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：根据动态离缝寿命与动态破坏寿命的寿命比，分析板式无砟轨道结构60年全生命周期内的修补制度：

式中：N为板式无砟轨道结构的修补间隔，N

进一步的，所述板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破坏寿命并取平均值N

式中x为板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次修补前的离缝寿命N

N

本发明的机理：与受压情况相比，抗拉性能较差的混凝土更容易在其受弯拉部位产生损伤。叠合结构混凝土构件由两部分构成，叠合界面的粘接性能较差，因此界面内的初始损伤可能成为疲劳损伤发展的起点。当进行高频疲劳加载时损伤逐步发展形成离缝，且在反复冲击荷载下，离缝不断张开、闭合加速了损伤会在叠合界面的累积。最终，在粘接失效状态下，轨道结构整体刚度下降，这也导致底部混凝土受冲击破坏的可能性。根据这一特点，通过分析动态加载前后的混凝土的离缝变形，可以对其疲劳性能进行评价，同时不同阶段的疲劳寿命也为板式无砟轨道结构的修补制度提供了参考。

本发明的优点：

(1)采用了与板式无砟轨道结构相同的层状结构试件，能更准确进行板式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，能更好地反映板式无砟轨道结构的动态荷载特点；

(3)丰富了针对无砟轨道叠合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，预测结果与板式无砟轨道结构的实际服役情况吻合。

附图说明：

附图图1为本发明层状叠合混凝土试件示意图。

图中：1-C60混凝土、2-充填层混凝土。

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CRTSⅢ型轨道板的叠合结构实际尺寸制备层状叠合混凝土试件，制备要求为：1)上下两层高度总计100mm，首先制备上层C60混凝土并浇注于尺寸为400mm×100mm×100mm的钢制模具中，浇注高度为60mm；2)浇注1天后拆模，置于标准养护室中养护14天；3)将上层混凝土成型面朝上重新放置于尺寸为400mm×100mm×100mm的钢制模具中，制备下层C40自密实混凝土并浇注，浇注高度为40mm；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块层状叠合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28.4kN。

取3块层状叠合混凝土试件进行疲劳动态试验加载，疲劳加载应力上限S＝17.04kN，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。试验时测量记录上下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％时认为混凝土层间粘接失效出现离缝。测得三块试件疲劳寿命为68.4万次、77.6万次和88.6万次，平均疲劳破坏寿命为78.2万次；三块试件疲劳离缝寿命为15.2万次、25万次和33.6万次，平均疲劳离缝寿命为24.6万次。

根据层状叠合混凝土试件出现离缝时的疲劳破坏寿命与疲劳离缝寿命比得出，在60年的服役时间内，约18.8年即应对板式无砟轨道结构进行检测修补。

采用压力注浆的方式对层状叠合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74.2万次，修补后离缝寿命为18.4万次。

修补后的寿命衰减率为25.2％，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78.4年。

实施例2：

根据CRTSⅢ型轨道板的叠合结构实际尺寸制备层状叠合混凝土试件，制备要求为：1)上下两层高度总计100mm，首先制备上层C60混凝土并浇注于尺寸为400mm×100mm×100mm的钢制模具中，浇注高度为60mm；2)浇注1天后拆模，置于标准养护室中养护14天；3)将上层混凝土成型面朝上重新放置于尺寸为400mm×100mm×100mm的钢制模具中，制备下层C40自密实混凝土并浇注，浇注高度为40mm；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块层状叠合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，试验时测量记录上下层混凝土冲击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％时认为混凝土层间粘接失效出现离缝。测得三块试件冲击寿命为18次、25次和32次，平均冲击破坏寿命为25次；三块试件冲击离缝寿命为10次、10次和21次，平均冲击离缝寿命为13.7次。

根据层状叠合混凝土试件出现离缝时的动态冲击破坏寿命与冲击离缝寿命比得出，在60年的服役时间内，约32.9年即应对板式无砟轨道结构进行检测修补。

采用压力注浆的方式对层状叠合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21.2次，修补后离缝寿命为13.5次。

修补后的寿命衰减率为23.6％，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92.9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。