CRTSⅡ型板式無砟軌道后澆帶無損檢測技術

楊萃娜 凌海東 趙磊 韓洪興 陳凡 陳霆 劉濤

1.新鄉學院土木工程與建筑學院，河南 新鄉 453000；2.中國國家鐵路集團有限公司工程質量監督管理局上海監督站，上海 200071；3.中國鐵路昆明局集團有限公司滇南鐵路建設指揮部，云南 玉溪 653100；4.四川升拓檢測技術股份有限公司，成都 610045

我國高速鐵路無砟軌道線路主要分為板式和雙塊式兩種。其中，CRTSⅡ型板式無砟軌道在京津、京滬、滬杭甬線、滬昆、石武等高速鐵路上得到應用，運營里程達數千公里。

CRTSⅡ型軌道板一般采用縱連結構體系，每兩塊軌道板間通過現澆混凝土連接，其連接部位即為后澆帶。在季節變換時期氣溫晝夜溫差加大，軌道板內溫度應力驟然變化，導致軌道板內應力極度不均，從而造成后澆帶受反復拉壓作用而破損。此外，后澆帶質量不達標或者接縫張拉鎖件安設不標準同樣會加劇接縫處的擠壓破碎現象。一旦后澆帶出現破損，軌道板會處于偏心受壓狀態，引起軌道板上拱，導致線路不平順，嚴重時會危及行車安全［1］。

目前常規無損檢測方法包括超聲波法、雷達法以及沖擊彈性波法。前兩種方法因受鋼軌及軌道板中鋼筋的影響很難進行現場檢測，檢測精度也較差，基本無法檢測出軌道板的后澆帶是否存在損傷。相對而言，沖擊彈性波的頻率雖低，但其受鋼筋的影響較小，且沖擊彈性波能量較大，彈性波（P波）波速與混凝土的強度、彈性模量具有較好的相關關系［1］，適用于檢測鋼筋混凝土結構。本文主要介紹基于沖擊彈性波法的無損檢測技術在無砟軌道板后澆帶損傷檢測中的應用。

1 后澆帶結構及檢測難點

1.1 結構及損傷特性

CRTSⅡ型軌道板后澆帶（圖1）采用鋼筋混凝土結構，下表面與底座板相接，左右兩側與軌道板相連，主要起到連接和固定軌道板的作用，防止軌道板產生錯位、偏移。

圖1 CRTSⅡ型軌道板結構后澆帶（單位：mm）

從后澆帶的布局結構可知，由于受到車輛行駛的壓力、晝夜溫差、雨水等外界因素的影響，容易導致后澆帶損傷的情況主要有：①后澆帶本身出現粉化、破損；②后澆帶與軌道板結合處出現脫空。

后澆帶與軌道板間的脫空非常常見。如有雨水浸入，在列車高速運行時水會被拍打而產生急劇的壓力變化。該壓力變化作為循環荷載，會加劇后澆帶混凝土的老化和損傷，而達到一定程度后又會降低混凝土對連接精軋螺紋鋼的保護作用，進而加劇螺紋鋼銹蝕、降低縱連效果。

對后澆帶混凝土的損傷和老化特性的檢測和評估，有助于把握其對精軋螺紋鋼的保護能力，對CRTSⅡ型板式無砟軌道健全性的整體評估有重要意義。

1.2 常見缺陷類型及分析

后澆帶混凝土及沖擊彈性波反射歸納為四種情況：①健全狀態。激發的沖擊彈性波僅在后澆帶下方的砂漿層發生反射，與軌道板下方砂漿層的反射基本相同。②后澆帶與軌道板之間產生脫空。激發的沖擊彈性波在兩者之間的脫空面發生反射。在混凝土強度未降低時，底部脫空面的反射時間要短于底部砂漿層的反射時間。③后澆帶與軌道板之間未產生脫空，但其混凝土強度嚴重降低。激發的沖擊彈性波在砂漿層發生反射，且其反射時間要長于軌道板在砂漿層的反射時間。④后澆帶與軌道板之間產生脫空，且其混凝土強度嚴重降低。激發的沖擊彈性波在兩者之間的脫空面發生反射。但是，底部脫空面的反射時間不一定短于底部砂漿層的反射時間，因而難以判定。此時，應采用基于沖擊彈性波的沖擊回波法（Impact Echo，IE 法）或多測線波速分離的方法來檢測混凝土的狀態。

1.3 檢測難點

由于CRTSⅡ型軌道板后澆帶內部結構較為復雜，在檢測過程中存在的測試難點有：①受內部鋼筋影響，超聲波法測試誤差大，無法定量評估；②有損傷的后澆帶表面不平整，不適合使用回彈法進行測試；③沖擊彈性波（傳播法）受兩側軌道板的折射影響。

后澆帶與軌道板密切接觸時，由于軌道板的設計強度高于后澆帶，且軌道板的傷損一般更輕微，使得在軌道板中傳播的彈性波波速要快于后澆帶。在一定條件下會形成折射，測試得到的表觀波速大于實際波速，從而低估后澆帶的傷損和老化程度，造成較大的偏差。

2 基于沖擊彈性波的后澆帶傷損檢測及評價方法

沖擊彈性波法作為一種有效的無損檢測技術手段，在水利、鐵路、公路等行業得到了廣泛應用，并有多個行業標準［2］。

針對后澆帶損傷位置及缺陷類型，采用彈性波的P 波傳播法測試后澆帶損傷及強度。測試流程為：得到表觀P波波速→分離出在后澆帶中的P波成分并得到波速→根據三維理論得到混凝土動彈性模量Ed→計算混凝土強度及老化指數。

通過多測線信息消除折射信號的影響，測線布置如圖2所示。其中，Vd為底座板邊緣部位波速，為實測值；Vh為后澆帶中彈性波波速；H為后澆帶寬度的1∕2，為已知值。

圖2 后澆帶測試示意

2.1 后澆帶中傳播信號的分離及波速計算

后澆帶中彈性波波速的測試步驟為：①布置好S1、S2、S3 傳感器，使其穩固安裝在后澆帶及左右底座板上；②用S1、S2、S3 傳感器同步采集震源1 激振的信號；③如果傳感器S2、S3 得到的信號幅值遠小于S1 得到的信號幅值，則說明軌道板、底座板與后澆帶存在脫空，此時傳感器S1直達波線所獲取的波速與后澆帶實際狀態吻合，可直接采用Vh對后澆帶質量進行評價；④如果傳感器S1、S2、S3 得到的信號幅值相差不大，此時應在震源2、震源3處進行激發，分別測得軌道板上的波速Vd：⑤如果獲取的波速存在Vh≥Vd，則直接采用Vh對后澆帶質量進行評價（這種情形很少）；若Vh＜Vd應當按照折線路徑的綜合波速分離出Vh，計算式為

式中：T0為震源1 到S1 的傳播時間，為測試值；G為后澆帶長度，為已知值；sinθ=Vh∕Vd。

通過計算得出Vh，進而考慮鋼筋加以修正即可推算混凝土的性能。

2.2 基于動彈性模量的后澆帶損傷評估方法

后澆帶損傷的評估指標有很多，但最重要的指標是其軸心抗壓強度Sc和彈性模量Ec。Sc一般采用立方體標準試件測得，試件的測試方法較為簡單，應用最為廣泛。但對于實體結構，難以直接測試其強度。為此，在上述彈性波波速的現場測試的基礎上，通過推算混凝土的動彈性模量以及抗壓強度，可以對后澆帶的損傷情況加以評估。

動彈性模量Ed是混凝土材料重要的耐久性評價指標。可定義損傷指數Dc為

式中：Dc為混凝土損傷指數；Ed為現場損傷（疲勞）狀態下后澆帶混凝土的動彈性模量；Ed0為健全部位后澆帶混凝土的動彈性模量，即無損傷狀態的基準值。

當后澆帶混凝土健全時，損傷指數Dc=0，Dc值越大表明損傷程度越嚴重。

Ed可通過三維彈性波P 波的傳播理論，由波速計算得到，計算式為

式中：ρ為混凝土的密度，取2 400 kg∕m3；μd為混凝土的動泊松比，取0.25。

Ed0則可通過對無損傷后澆帶的測試得到。當后澆帶混凝土的強度等級與底座板相同時，也可采用底座板波速Vd推算的Ed值來代替。

研究證明，基于沖擊彈性波的混凝土動彈性模量測試具有較高的精度［3］，因此，采用本方法從理論上可有效地評估后澆帶的傷損狀況。

2.3 后澆帶混凝土強度的測試方法

由于彈性模量與抗壓強度均屬于混凝土本身的力學特性指標，二者具有良好的相關關系。根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》，混凝土彈性模量與抗壓強度等級的關系見表1。

表1 混凝土強度等級與其彈性模量的關系

表1 中為彈性模量而非動彈性模量，無法直接用于沖擊彈性波檢測。為此，姜勇等［4］提出基于Sigmoid曲線的fcu?Ed模型，即

式中：fcu為混凝土抗壓強度，MPa；fc0為混凝土最小抗壓強度，fc0= 5 MPa；δfc為最大混凝土強度與最小抗壓強度的差值，取80 MPa；EA為Sigmoid 曲線中點對應的動彈性模量，GPa；λ為形狀決定系數，一般可取5.5。

根據式（4）計算得到混凝土動彈性模量，進一步計算后澆帶混凝土強度及老化指數，從而對后澆帶混凝土的損傷情況進行評估。

3 現場應用

對一高速鐵路線路的CRTSⅡ型軌道板后澆帶進行損傷及質量檢測，共檢測后澆帶74 處。從外觀來看，測試的后澆帶混凝土傷損狀態較為嚴重，部分后澆帶出現粉化現象。

測試采用前端球體直徑50 mm 的激振錘激振［5-6］，在上行線右側或者下行線左側布置三個傳感器同時接受信號，S1傳感器布置在后澆帶中間，S2、S3傳感器布置在底座板上，距離后澆帶兩側邊緣10 cm，激振點與接收傳感器位置一一對應。測試現場布點如圖3所示。

圖3 測試現場布點

該區段的后澆帶均存在不同程度的傷損，只能通過測試底座板的彈性模量作為評定基準。通過計算得知，底座板的動彈性模量為46.46 GPa，視作參照基準值。

隨機抽取本次檢測的一部分測試結果與現場實際情況進行對比，部分測試結果見表2。結果表明該方法可靠。

表2 部分測試結果

將本次測試結果的推算強度劃分為五類，以方便統計低強度混凝土后澆帶的數量，見表3。按照后澆帶混凝土老化指數的集中情況，對該測試區段的后澆帶老化及損傷情況進行匯總統計，結果見表4。

表3 低強度混凝土后澆帶統計結果

表4 后澆帶混凝土老化指數統計

由表4可知：①測試后澆帶的傷損較為嚴重，從抗壓強度來看，約77%的測試后澆帶混凝土的推算抗壓強度在20 MPa以下，還有45%左右的抗壓強度推算值在10 MPa 以下，已接近破碎。②從老化指數來看，約57%的測試后澆帶的老化指數在0.4以上。③大多數傷損后澆帶與周圍軌道板和底座板已出現脫空。

上述測試結果與現場觀測情況基本一致。

4 結論

1）對無砟軌道板后澆帶損傷進行檢測是必要且可行的。常規檢測方法超聲法和雷達法因受鋼軌及軌道板中鋼筋等的影響，無法滿足測試要求。

2）文中提出的多測線波速分離的方法，較好地解決了彈性波P 波信號分離的難題，使得基于沖擊彈性波法的CRTSⅡ型無砟軌道后澆帶損傷檢測技術是可行的，基于損傷指數和抗壓強度的評價指標也是合理的。

3）由于運營鐵路的檢測天窗很短，對檢測效率有更高的要求。采用本方法檢測時，需要采用多通道、多測線進行測試從而影響了檢測效率。

4）從檢測結果來看，大多數出現傷損的后澆帶都與周圍的軌道板以及底座板產生了脫空。文中提及的檢測方法能夠實現對脫空情況的簡便判定，可大幅簡化后澆帶的測試作業（僅測試S1測線即可），還可保障測試精度。