CRTSⅢ板式无砟轨道自密实混凝土无损检测和体积稳定性研究

杨连江

（中铁十八局集团第五工程有限公司 天津 300350）

1 前言

CRTSⅢ型板是我国自主研发的高速铁路板式无砟轨道结构，其结构特点是以轨道板与充填层自密实混凝土形成复合整体结构共同承受列车荷载，充填层自密实混凝土与底座板间设中间隔离层，通过底座板上限位凹槽进行限位。因此充填层自密实混凝土是影响CRTSⅢ型板式无砟轨道整体性能的关键。

目前CRTSⅢ型板式无砟轨道结构已成功在多条铁路线进行了应用，但检测充填层自密实混凝土实体质量的方法比较单一，无论是线下工艺性试验还是线上灌板施工，均是通过揭板法[5]来检测充填层自密实混凝土是否存在缺陷，并且对充填层自密实混凝土硬化后的力学性能以及体积稳定性的变化趋势没有过系统的研究。

本试验依托新建铁路郑州至徐州客运专线，结合线下灌板揭板试验，线上灌板施工，通过冲击弹性波法检测了充填层自密实混凝土的实体缺陷，并研究了灌注结束后自密实混凝土体积稳定性的变化规律。

2 现场试验

2.1 试验仪器

⑴冲击弹性波法检测自密实混凝土缺陷的设备：混凝土多功能无损测试仪，型号SCE-MATS-PA。试验设备主要包括七个组件，分别是专用平板电脑、PA 型无损检测仪主机、31sc 传感器、无线遥控笔、激振锤、电荷电缆和数据线。

⑵测试自密实混凝土体积变化的仪器：百分表和磁力表架。

2.2 试验内容

2.2.1 冲击弹性波法检测自密实混凝土缺陷

⑴试验内容

结合线下灌揭板试验来验证冲击弹性波法的准确性，共测试五块板。

⑵试验方法

利用冲击弹性波法来测试充填层自密实混凝土缺陷，需在灌板结束自密实混凝土完全硬化后方能进行测试，试验总共分为三个步骤：第一步测点布置，测点布置有两种方法，分别是横向布点和纵向布点；第二步是测试，测试包括信号激振和数据采集；第三步是数据处理及成像。

2.2.2 百分表测试自密实混凝土体积变化

⑴试验内容

本试验是利用百分表监测自密实混凝土刚灌注结束到灌注结束后7h 的体积变化规律，并且要测试不同温度下灌注的自密实混凝土体积变化规律。

⑵试验方法

自密实混凝土灌注前，在轨道板上的点1、2、3 和4 四个位置安装百分表，百分表安装完成后记录初始数值。混凝土灌注结束后立即记录百分表上显示的数值，然后每隔1h 记录一次百分表上显示的数值，直至记录到灌注结束后的7h。

3 结果及分析

3.1 冲击弹性波法测试自密实混凝土缺陷

3.1.1 横向布点法测试

横向布点法总共测试了四块，板命名为1#板、2#板、3#板和4#板。其中1#板和2#板均为同一天灌注，入模扩展度为640mm，T500 为5.8s 左右，含气量为8%，灌注时间在7min 左右。3#板和4#板为同一天灌注，入模扩展度为650mm，T500 为4.5s 左右，含气量为6%，灌注时间均在6min 左右。

本次试验采用横向布点测试充填层自密实混凝土缺陷，共布置1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13 条测线，每条测线测18 个点，其中每两条测线间隔0.2m，测点间隔0.33m。

按上述布点方式从左到右逐点进行敲击测试，以冲击弹性波为媒介，在预定测点处采用检测仪激振并接收有效信号，进一步通过分析振幅参数衰减情况来判定灌注板自密实混凝土质量好坏。每测试一点进行一次数据采集及储存，直至第一条测线测完。如同第一条线操作方法直至13 条测线测完。

测试完毕后通过测试仪器自带软件的快速成像功能将13 条测线振幅参数进行合成和处理，形成等值线平面图形，此图形可对充填层自密实混凝土缺陷部位进行成像，具体情况如下：

图1和图3中右侧彩色条表示的是缺陷程度，自密实混凝土质量越好，能量在混凝土传播过程中衰减越大，逸散的就越多，振幅比就越小。从下到上振幅比越大，彩条颜色越深表征的缺陷越严重，图1和图2蓝色部位表示充填层自密实混凝土比较密实，没有明显或较大的缺陷，图3和图4黄色部位表现的是充填层自密实有缺陷的部位。

图1 1#板成像情况

图2 2#板成像情况

图3 1#板揭板情况

图4 2#板揭板情况

结合图1和图2、图3和图4，对比成像情况和揭板情况，表明利用冲击弹性波方法，在测点布置密集的情况下，能够确定整个板体缺陷的分布。

从图5、图6、图7、图8中成像情况和具体缺陷情况可以看出利用冲击弹性波法可以确定整个板体的缺陷分布及缺陷的严重情况，但具体缺陷问题不能在成像中完全反映出来，成像中的缺陷位置和实际板中的缺陷位置还存在一些差异，一些缺陷未能完全显示出来。

图5 3#板成像情况

图6 3#板具体缺陷情况

图7 4#板成像情况

图8 4#板具体缺陷情况

图6和图8是两块板的具体缺陷情况，根据这两个图可以得出，利用冲击弹性波法测试的板所成像描述的缺陷一般有四种情况：单个气泡直径比较大的情况或空洞（2cm以上）、大气泡比较集中的情况、小气泡比较集中的情况和泡沫层情况。

3.1.2 纵向布点法测试

纵向布点法总共测试了一块板，板命名为5#板。入模扩展度为660mm，T500 为4.5s 左右，含气量为8.3%，灌注时间在13min 左右。

本次试验共布置15 条测线，每条测线测7 个点，其中每两条测线间隔0.4m，测点间隔0.4m。按上述布点方式从下到上逐点进行敲击测试，每测试一点进行一次数据采集及储存，直至第一条测线测完。如同第一条线操作方法直至15 条测线测完。测试完毕后通过软件将15 条测线进行合成和处理，形成等值线平面图形，此图形可对充填层自密实混凝土缺陷部位进行成像。

无一例外，此布点测试结果和横向布点测试结果基本相同，从成像情况和揭板实际情况可以看出成像里的缺陷位置和实际的缺陷位置大体上是相吻合的，并且纵向布点法可以测试出板的边界效应，也就是可以表现出边角部位的缺陷。

3.2 百分表测试自密实混凝土体积变化

在整个CRTSⅢ板式无砟轨道自密实混凝土施工过程中，自密实混凝土工作性能的好坏与稳定决定着灌板的成功与否，我们除了要控制自密实混凝土的质量外，还要控制轨道板的浮沉情况。技术要求中轨道板的上浮不能超过2mm，轨道板的浮沉主要取决于两方面因素：第一，跟压紧装置有关；第二，自密实混凝土体积变化引起的。在线下灌揭板试验过程中，我们分别对上述两种情况进行了系统的研究，轨道板上浮下沉的监测手段是通过在轨道板接近四个角的部位安装百分表来实现。

（1）进行灌揭板试验时，压紧装置采用的是横向压杠压紧，在底座外侧植入短钢筋，通过螺杆与压杠连接进行固定。经过大量的灌板试验发现：当横向压杠为4 道时，灌注过程中轨道板容易上浮，上浮量大部分在1.5mm 以上，甚至超过标准规定的2mm 控制量。当横向压杠为5 道时轨道板上浮量比较小，一般稳定在在0.5～1.5mm 之间，质量控制较好。

（2）轨道板的上浮与下沉除了发生在灌板阶段，在灌注结束后随着自密实混凝土体积的变化也会发生一定的变化。为了研究这一变化规律我们从灌板结束到都结束后7h 对自密实混凝土体积变化进行了跟踪，具体情况如下：

图9 是环境温度在30℃时，测试的轨道板上浮情况，图中的a、b 分别是自密实混凝土入模坍落扩展度为670mm、680mm，T500 为4.0～5s 之间，灌注时间在14min、12min，灌注过程中及灌注完成后7 小时测试的轨道板上浮情况（每个图的初始点均为灌注结束后的上浮情况）。从图中可以看出轨道板在灌注完成初期呈现下沉趋势，该部分下沉主要表现为混凝土的自然沉降，4h 内达到最大，最大下沉量可达到0.3mm（相对初始点，下同），在4h 之后出现上浮趋势，在7h 内上浮最大量均未超过0.5mm（相对初始点，下同），且与初始值相近甚至略低。

图9 30℃时轨道板上浮趋势

图10 是环境温度在28℃时，测试的轨道板上浮情况，图中的a、b 自密实混凝土入模坍落扩展度均为670mm，T500 为4s 之间，灌注时间为10min 左右，灌注过程中及灌注完成后7h 测试的轨道板上浮情况。这两次试验均是在灌注完成至1h 开始拔管，在这个过程中轨道板出现轻微上浮，拔管前后下降在0.1mm 左右，1h 之后开始出现下沉，4h～5h 之间达到最大，最大下沉量可达到0.29mm，在5h 之后出现上浮趋势，在7h 时也是与初始值相近甚至略低。

图10 28℃时轨道板上浮趋势

4 小结

（1）冲击弹性波法测充填层自密实混凝土缺陷试验表明：该方法具有一定的可行性，此种方法可以较为准确的测出充填层自密实混凝土的缺陷分布，测试的缺陷有五种情况：单个气泡直径比较大的情况或空洞（2cm以上）、大气泡比较集中的情况、小气泡比较集中的情况、离缝情况和泡沫层情况。但也存在一些不足亟待改进，冲击弹性波法虽然能够测出上述五种情况的缺陷，但成像上不能进行区分，不能对号入座，尤其是对泡沫层的厚度、深度以及面积不能很好的从成像中表现出来。

（2）百分表监测轨道板上浮试验表明：当压紧装置横向压杠设置为5道时，灌注过程中轨道板上浮量可以控制在1.5mm以内，即使灌注结束后混凝土体积略微发生一些变化，也不会使轨道板的上浮量超出标准；在28℃～30℃之间，自密实混凝土灌注结束后5h以内，轨道板呈下沉趋势，并且在5h左右达到最大下沉量，5h以后混凝土开始发生膨胀，轨道板呈上浮趋势，但不论下沉还是上浮，变化量均未超出要求控制量的2mm。