CRTSⅡ型板式无砟轨道后浇带无损检测技术

杨萃娜 凌海东 赵磊 韩洪兴 陈凡 陈霆 刘涛

1.新乡学院土木工程与建筑学院，河南 新乡 453000；2.中国国家铁路集团有限公司工程质量监督管理局上海监督站，上海 200071；3.中国铁路昆明局集团有限公司滇南铁路建设指挥部，云南 玉溪 653100；4.四川升拓检测技术股份有限公司，成都 610045

我国高速铁路无砟轨道线路主要分为板式和双块式两种。其中，CRTSⅡ型板式无砟轨道在京津、京沪、沪杭甬线、沪昆、石武等高速铁路上得到应用，运营里程达数千公里。

CRTSⅡ型轨道板一般采用纵连结构体系，每两块轨道板间通过现浇混凝土连接，其连接部位即为后浇带。在季节变换时期气温昼夜温差加大，轨道板内温度应力骤然变化，导致轨道板内应力极度不均，从而造成后浇带受反复拉压作用而破损。此外，后浇带质量不达标或者接缝张拉锁件安设不标准同样会加剧接缝处的挤压破碎现象。一旦后浇带出现破损，轨道板会处于偏心受压状态，引起轨道板上拱，导致线路不平顺，严重时会危及行车安全［1］。

目前常规无损检测方法包括超声波法、雷达法以及冲击弹性波法。前两种方法因受钢轨及轨道板中钢筋的影响很难进行现场检测，检测精度也较差，基本无法检测出轨道板的后浇带是否存在损伤。相对而言，冲击弹性波的频率虽低，但其受钢筋的影响较小，且冲击弹性波能量较大，弹性波（P波）波速与混凝土的强度、弹性模量具有较好的相关关系［1］，适用于检测钢筋混凝土结构。本文主要介绍基于冲击弹性波法的无损检测技术在无砟轨道板后浇带损伤检测中的应用。

1 后浇带结构及检测难点

1.1 结构及损伤特性

CRTSⅡ型轨道板后浇带（图1）采用钢筋混凝土结构，下表面与底座板相接，左右两侧与轨道板相连，主要起到连接和固定轨道板的作用，防止轨道板产生错位、偏移。

图1 CRTSⅡ型轨道板结构后浇带（单位：mm）

从后浇带的布局结构可知，由于受到车辆行驶的压力、昼夜温差、雨水等外界因素的影响，容易导致后浇带损伤的情况主要有：①后浇带本身出现粉化、破损；②后浇带与轨道板结合处出现脱空。

后浇带与轨道板间的脱空非常常见。如有雨水浸入，在列车高速运行时水会被拍打而产生急剧的压力变化。该压力变化作为循环荷载，会加剧后浇带混凝土的老化和损伤，而达到一定程度后又会降低混凝土对连接精轧螺纹钢的保护作用，进而加剧螺纹钢锈蚀、降低纵连效果。

对后浇带混凝土的损伤和老化特性的检测和评估，有助于把握其对精轧螺纹钢的保护能力，对CRTSⅡ型板式无砟轨道健全性的整体评估有重要意义。

1.2 常见缺陷类型及分析

后浇带混凝土及冲击弹性波反射归纳为四种情况：①健全状态。激发的冲击弹性波仅在后浇带下方的砂浆层发生反射，与轨道板下方砂浆层的反射基本相同。②后浇带与轨道板之间产生脱空。激发的冲击弹性波在两者之间的脱空面发生反射。在混凝土强度未降低时，底部脱空面的反射时间要短于底部砂浆层的反射时间。③后浇带与轨道板之间未产生脱空，但其混凝土强度严重降低。激发的冲击弹性波在砂浆层发生反射，且其反射时间要长于轨道板在砂浆层的反射时间。④后浇带与轨道板之间产生脱空，且其混凝土强度严重降低。激发的冲击弹性波在两者之间的脱空面发生反射。但是，底部脱空面的反射时间不一定短于底部砂浆层的反射时间，因而难以判定。此时，应采用基于冲击弹性波的冲击回波法（Impact Echo，IE 法）或多测线波速分离的方法来检测混凝土的状态。

1.3 检测难点

由于CRTSⅡ型轨道板后浇带内部结构较为复杂，在检测过程中存在的测试难点有：①受内部钢筋影响，超声波法测试误差大，无法定量评估；②有损伤的后浇带表面不平整，不适合使用回弹法进行测试；③冲击弹性波（传播法）受两侧轨道板的折射影响。

后浇带与轨道板密切接触时，由于轨道板的设计强度高于后浇带，且轨道板的伤损一般更轻微，使得在轨道板中传播的弹性波波速要快于后浇带。在一定条件下会形成折射，测试得到的表观波速大于实际波速，从而低估后浇带的伤损和老化程度，造成较大的偏差。

2 基于冲击弹性波的后浇带伤损检测及评价方法

冲击弹性波法作为一种有效的无损检测技术手段，在水利、铁路、公路等行业得到了广泛应用，并有多个行业标准［2］。

针对后浇带损伤位置及缺陷类型，采用弹性波的P 波传播法测试后浇带损伤及强度。测试流程为：得到表观P波波速→分离出在后浇带中的P波成分并得到波速→根据三维理论得到混凝土动弹性模量Ed→计算混凝土强度及老化指数。

通过多测线信息消除折射信号的影响，测线布置如图2所示。其中，Vd为底座板边缘部位波速，为实测值；Vh为后浇带中弹性波波速；H为后浇带宽度的1∕2，为已知值。

图2 后浇带测试示意

2.1 后浇带中传播信号的分离及波速计算

后浇带中弹性波波速的测试步骤为：①布置好S1、S2、S3 传感器，使其稳固安装在后浇带及左右底座板上；②用S1、S2、S3 传感器同步采集震源1 激振的信号；③如果传感器S2、S3 得到的信号幅值远小于S1 得到的信号幅值，则说明轨道板、底座板与后浇带存在脱空，此时传感器S1直达波线所获取的波速与后浇带实际状态吻合，可直接采用Vh对后浇带质量进行评价；④如果传感器S1、S2、S3 得到的信号幅值相差不大，此时应在震源2、震源3处进行激发，分别测得轨道板上的波速Vd：⑤如果获取的波速存在Vh≥Vd，则直接采用Vh对后浇带质量进行评价（这种情形很少）；若Vh＜Vd应当按照折线路径的综合波速分离出Vh，计算式为

式中：T0为震源1 到S1 的传播时间，为测试值；G为后浇带长度，为已知值；sinθ=Vh∕Vd。

通过计算得出Vh，进而考虑钢筋加以修正即可推算混凝土的性能。

2.2 基于动弹性模量的后浇带损伤评估方法

后浇带损伤的评估指标有很多，但最重要的指标是其轴心抗压强度Sc和弹性模量Ec。Sc一般采用立方体标准试件测得，试件的测试方法较为简单，应用最为广泛。但对于实体结构，难以直接测试其强度。为此，在上述弹性波波速的现场测试的基础上，通过推算混凝土的动弹性模量以及抗压强度，可以对后浇带的损伤情况加以评估。

动弹性模量Ed是混凝土材料重要的耐久性评价指标。可定义损伤指数Dc为

式中：Dc为混凝土损伤指数；Ed为现场损伤（疲劳）状态下后浇带混凝土的动弹性模量；Ed0为健全部位后浇带混凝土的动弹性模量，即无损伤状态的基准值。

当后浇带混凝土健全时，损伤指数Dc=0，Dc值越大表明损伤程度越严重。

Ed可通过三维弹性波P 波的传播理论，由波速计算得到，计算式为

式中：ρ为混凝土的密度，取2 400 kg∕m3；μd为混凝土的动泊松比，取0.25。

Ed0则可通过对无损伤后浇带的测试得到。当后浇带混凝土的强度等级与底座板相同时，也可采用底座板波速Vd推算的Ed值来代替。

研究证明，基于冲击弹性波的混凝土动弹性模量测试具有较高的精度［3］，因此，采用本方法从理论上可有效地评估后浇带的伤损状况。

2.3 后浇带混凝土强度的测试方法

由于弹性模量与抗压强度均属于混凝土本身的力学特性指标，二者具有良好的相关关系。根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》，混凝土弹性模量与抗压强度等级的关系见表1。

表1 混凝土强度等级与其弹性模量的关系

表1 中为弹性模量而非动弹性模量，无法直接用于冲击弹性波检测。为此，姜勇等［4］提出基于Sigmoid曲线的fcu⁃Ed模型，即

式中：fcu为混凝土抗压强度，MPa；fc0为混凝土最小抗压强度，fc0= 5 MPa；δfc为最大混凝土强度与最小抗压强度的差值，取80 MPa；EA为Sigmoid 曲线中点对应的动弹性模量，GPa；λ为形状决定系数，一般可取5.5。

根据式（4）计算得到混凝土动弹性模量，进一步计算后浇带混凝土强度及老化指数，从而对后浇带混凝土的损伤情况进行评估。

3 现场应用

对一高速铁路线路的CRTSⅡ型轨道板后浇带进行损伤及质量检测，共检测后浇带74 处。从外观来看，测试的后浇带混凝土伤损状态较为严重，部分后浇带出现粉化现象。

测试采用前端球体直径50 mm 的激振锤激振［5-6］，在上行线右侧或者下行线左侧布置三个传感器同时接受信号，S1传感器布置在后浇带中间，S2、S3传感器布置在底座板上，距离后浇带两侧边缘10 cm，激振点与接收传感器位置一一对应。测试现场布点如图3所示。

图3 测试现场布点

该区段的后浇带均存在不同程度的伤损，只能通过测试底座板的弹性模量作为评定基准。通过计算得知，底座板的动弹性模量为46.46 GPa，视作参照基准值。

随机抽取本次检测的一部分测试结果与现场实际情况进行对比，部分测试结果见表2。结果表明该方法可靠。

表2 部分测试结果

将本次测试结果的推算强度划分为五类，以方便统计低强度混凝土后浇带的数量，见表3。按照后浇带混凝土老化指数的集中情况，对该测试区段的后浇带老化及损伤情况进行汇总统计，结果见表4。

表3 低强度混凝土后浇带统计结果

表4 后浇带混凝土老化指数统计

由表4可知：①测试后浇带的伤损较为严重，从抗压强度来看，约77%的测试后浇带混凝土的推算抗压强度在20 MPa以下，还有45%左右的抗压强度推算值在10 MPa 以下，已接近破碎。②从老化指数来看，约57%的测试后浇带的老化指数在0.4以上。③大多数伤损后浇带与周围轨道板和底座板已出现脱空。

上述测试结果与现场观测情况基本一致。

4 结论

1）对无砟轨道板后浇带损伤进行检测是必要且可行的。常规检测方法超声法和雷达法因受钢轨及轨道板中钢筋等的影响，无法满足测试要求。

2）文中提出的多测线波速分离的方法，较好地解决了弹性波P 波信号分离的难题，使得基于冲击弹性波法的CRTSⅡ型无砟轨道后浇带损伤检测技术是可行的，基于损伤指数和抗压强度的评价指标也是合理的。

3）由于运营铁路的检测天窗很短，对检测效率有更高的要求。采用本方法检测时，需要采用多通道、多测线进行测试从而影响了检测效率。

4）从检测结果来看，大多数出现伤损的后浇带都与周围的轨道板以及底座板产生了脱空。文中提及的检测方法能够实现对脱空情况的简便判定，可大幅简化后浇带的测试作业（仅测试S1测线即可），还可保障测试精度。