一种无砟轨道水泥基材料复合结构冲击动态性能试验及评价方法技术

本发明专利技术涉及一种无砟轨道水泥基材料复合结构冲击动态性能试验及评价方法，属水泥基材料性能测试领域。试验样品为水泥基材料层状或内嵌式复合结构。一定质量的落锤从高处自由、反复落下，落锤重力势能被样品吸收，对样品产生动态冲击损伤。高清摄像机拍摄每次冲击后样品表面形貌，利用编写的计算机程序计算样品横向变形大小、上表面裂缝与层间界面区离缝数量和总面积。创新性地采用累计落锤冲击能量、冲击扩展系数、横向变形大小、上表面裂缝与界面离缝数量和总面积多个指标评价复合结构抗冲击动态性能，具有能够还原无砟轨道实体结构、智能化程度高、评价指标精度高综合性强的优点，适用于高铁无砟轨道结构抗冲击动态性能评价。价。

【技术实现步骤摘要】
一种无砟轨道水泥基材料复合结构冲击动态性能试验及评价方法


[0001]本专利技术属于水泥基材料性能测试领域，具体涉及水泥基材料的冲击性能测试，适用于水泥基材料复合结构的落锤冲击动态性能评价，尤其适用于高速铁路无砟轨道水泥基材料层状和内嵌式复合结构的冲击动态性能评价。

技术介绍

[0002]轨道结构是传递列车荷载的关键部位，我国时速大于250 km/h的高速铁路全部采取无砟轨道结构形式。无砟轨道结构形式包括板式结构和双块式结构，板式无砟轨道是由蒸养高强混凝土轨道板和乳化沥青砂浆或自密实混凝土充填层构成层状复合结构，双块式轨枕无砟轨道是由蒸养混凝土轨枕和现浇混凝土道床构成的内嵌式复合结构。研究表明，高速列车带来周期性的冲击荷载易导致混凝土开裂、层状复合结构和内嵌式复合结构界面产生离缝，进而影响无砟轨道长期耐久性和运营安全性。水泥基材料复合结构的抗冲击动态性能是无砟轨道的主要性能之一。
[0003]落锤冲击试验适用于水泥基材料冲击性能评价，具有试验操作简单、结果直观的优点。
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美国混凝土协会标准ACI 544.2R
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1999、行业标准CECS 13
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2009规定了纤维混凝土的落锤冲击试验方法，但该方法评价指标主要为累计冲击能量，通过人工肉眼观察表面裂缝，主要依靠试验人员的经验进行判断，结果具有极大的主观性。
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专利一种混凝土疲劳冲击试验装置及其试验方法（CN108051322B）提出了一种混凝土材料的疲劳冲击试验方法，可实现落锤冲击试验的自动进行，但该方法提出的终止试验判据是落锤冲击次数或混凝土底部的应变片变形大小，该专利不能实时获取落锤冲击过程中样品表面形貌变化，而且在样品底部贴应变片来判断变形的方法受冲击试验的干扰很大。
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专利一种桥梁图像中裂缝的检测方法（201910560712.1）提出了一种桥梁混凝土的裂缝检测方法，该方法主要针对已有的桥梁裂缝通过图像处理进行分析。
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专利一种动态无损检测CRTSⅡ型板式无砟轨道离缝的方法及装置（201811168232.2）提出了一种利用超声波脉冲信号检测无砟轨道离缝的方法，可实现离缝的高效、无损检测，但无法获取冲击过程水泥基材料的动态损伤过程。可以看出，现有的标准和专利存在以下缺点：试验对象多以单一的水泥基材料，缺乏针对无砟轨道这种特殊复合结构的冲击性能评价方法；现有方法常通过人工观察判断是否出现裂缝，主要依靠试验人员的经验进行判断，结果具有较大的主观性；现有方法常以出现初裂时累计冲击能量为评价标准，评价指标单一，不能全面的评价水泥基材料的冲击动态性能。
[0004]本专利技术的目的是提出一种无砟轨道水泥基材料层状和内嵌式复合结构冲击动态性能评价方法，不仅可以计算样品冲击破坏时累计冲击能量，还可以自动记录样品冲击损伤全过程样品表面状态。通过高清摄像机拍摄每次落锤冲击后样品表面形貌，自动分析样品横向变形大小和上表面、层间界面区裂缝和离缝的数量和总面积，自动计算样品累计冲击能量和冲击扩展系数，采用多个指标对无砟轨道水泥基材料复合结构的冲击动态性能实施综合评价。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对高铁无砟轨道复合结构抗冲击性能，采用落锤冲击试验，结合数字图像分析方法，克服了传统方法操作复杂、结果离散性大、主观性强、评价指标单一的缺点，特别适用于高铁无砟轨道水泥基材料层状和内嵌式复合结构的冲击动态性能测试和评价。
[0006]所述的一种无砟轨道水泥基材料复合结构冲击动态性能试验及评价方法，其特征在于：试验方法。
[0007]试验步骤为：1）现浇成型或切割得到一定外观尺寸的水泥基材料复合结构样品；2）测试前一天将样品取出，放置在试验室内自然晾干，测试样品外观尺寸，精确到0.1 mm；3）将样品置于托架上，卡子固定样品位置，通过控制系统将样品往上移动直至与顶部支撑接触；4）分析系统自动开启；5）控制系统选择试验模式，开始落锤冲击试验；6）分析系统根据拍摄得到的高清图像，自动记录、分析样品表面裂缝和离缝；7）达到步骤5）中相应的试验模式设定的停止试验条件时，自动停止试验。
[0008]所述的一种无砟轨道水泥基材料复合结构冲击动态性能试验及评价方法，其特征在于：落锤冲击试验装置。
[0009]试验装置为：1）所用落锤冲击试验机主要由托架、电机、绞线、落锤、样品仓等组成；2）无砟轨道水泥基材料复合结构试件通过托架平台上卡子固定，控制系统调节试件垂向高度，直至与上部支撑接触；3）样品仓尺寸为600 mm
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400 mm
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400 mm，仓内壁安装6个高清摄像头；4）落锤为不同直径的不锈钢半球，可通过增加/减少砝码调节配重，以调整锤头大小和冲击能量。
[0010]所述的一种无砟轨道水泥基材料复合结构冲击动态性能试验及评价方法，其特征在于：样品结构及尺寸。
[0011]样品结构及尺寸为：1）试验样品包括水泥基材料层状和内嵌式复合结构两种类型；2）类型一：层状复合结构，上层为蒸养高强混凝土，下层为C40自密实混凝土或者乳化沥青砂浆，上下层水泥基材料外观尺寸均为400 mm
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200 mm
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100 mm；3）类型二：内嵌式复合结构，内嵌为蒸养高强混凝土，尺寸为100 mm
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100 mm
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100 mm，外围为现浇混凝土，外围尺寸为400 mm
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200 mm
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200 mm，内嵌蒸养混凝土顶面超过现浇混凝土顶部一定距离。
[0012]所述的一种无砟轨道水泥基材料复合结构冲击动态性能试验及评价方法，其特征在于：数字图像分析方法。
[0013]1.测试分析方法为： 1）采用数字图像分析方法，利用高清摄像机拍摄落锤冲击后样品上表面和层间界面区的形貌；2）根据高清摄像机拍摄的每次落锤冲击后样品上表面照片，结合样品初始尺寸经自主编写程序计算样品在两个方向的横向变形大小；3）将高清摄像机拍摄到的图片自动转化为灰度图，经降噪处理后识别样品各部分水泥基材料、上表面裂缝和界面离缝，其中像素点灰度值为0 ~ 50且一个方向距离超过0.3 mm时判断为上表面裂缝或界面离缝，程序自动计算上表面裂缝、界面离缝的数量和总面积；4）样品上表面出现首条裂缝且侧面未观测到裂缝时，判定为样品初裂；5）当样品识别为上表面和侧面产生连通裂缝时，视为样品产生整体贯穿裂缝。
[0014]所述的一种无砟轨道水泥基材料复合结构冲击动态性能试验及评价方法，其特征在于：落锤冲击试验模式。
[0015]试验模式为： 1）可采取3种模式，均为计算机程序自动控制；2）模式一：落锤冲击试验次数达到设定值时停止试验；3）模式二：复合结构初裂时停止试验；3）模式三：设定复合结构冲击损伤临界值，当复合结构出现贯穿裂缝或界面离缝总面积达到临界值时停止试验。
[0016]所述的一种无砟轨道水泥基材料复合结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无砟轨道水泥基材料复合结构冲击动态性能试验及评价方法，其特征在于：1）该发明主要由落锤冲击试验机、控制系统和分析系统组成；2）落锤冲击试验机在程序控制下自动完成冲击试验，控制系统用于选择不同的落锤冲击试验模式，分析系统采用图像处理技术自动计算水泥基材料复合结构在落锤冲击过程中横向变形和样品表面状态；3）试验对象为无砟轨道水泥基材料复合结构，包括层状复合结构和内嵌式结构两种类型；4）采用多个指标共同评价无砟轨道水泥基材料复合结构的抗冲击动态性能。2.根据权利要求1所述的一种无砟轨道水泥基材料复合结构冲击动态性能试验及评价方法，其特征在于：1）所用落锤冲击试验机主要由托架、电机、绞线、落锤、样品仓等组成；2）无砟轨道水泥基材料复合结构试件通过托架平台上卡子固定，控制系统调节试件垂向高度，直至与上部支撑接触；3）样品仓尺寸为600 mm
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400 mm
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400 mm，仓内壁安装6个高清摄像头；4）落锤为不同直径的不锈钢半球，可通过增加/减少砝码调节配重，以调整锤头大小和冲击能量。3.根据权利要求1所述的一种无砟轨道水泥基材料复合结构冲击动态性能试验及评价方法，其特征在于：1）试验样品包括水泥基材料层状和内嵌式复合结构两种类型；2）类型一：层状复合结构，上层为蒸养高强混凝土，下层为C40自密实混凝土或者乳化沥青砂浆，上下层水泥基材料外观尺寸均为400 mm
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100 mm；3）类型二：内嵌式复合结构，内嵌为蒸养高强混凝土，尺寸为100 mm
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100 mm，外围为现浇混凝土，外围尺寸为400 mm
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【专利技术属性】
技术研发人员：李化建，杨志强，温家馨，易忠来，黄法礼，王振，董昊良，谢永江，
申请(专利权)人：中国铁道科学研究院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：