基于1D-CNN的无砟轨道CA砂浆脱空识别

为解决水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)脱空位置识别的难题,提出考虑CA砂浆脱空的无砟轨道模型建模与计算方案。首先,基于CRTS I型板式无砟轨道“梁-板-板”建模理论,使用非线性弹簧模拟CA砂浆脱空病害,输入扣件支点反力作为模型的激励,得到监测点位的垂向加速度数据集。其次,通过对数据集缩放、添加噪声的方式进行数据增强,增强数据集的差异,以增强识别模型的泛化性,获得更加准确的识别结果。最后,建立脱空病害的识别方法,搭建一维卷积神经网络(1D-CNN)进行CA砂浆的脱空位置识别,构建准确率、查准率和查全率等评价指标评估识别结果,使用t-SNE降维算法对结果进行可视化。对比其他3种神经网络的表现,探讨1D-CNN应用于CA砂浆脱空位置识别的优势。研究结果表明:“梁-板-板”模型反映了无砟轨道的力学本征,用于CA砂浆脱空问题的仿真模拟是可行的;通过对数据集信号缩放、添加噪声的方式进行数据增强可提高深度学习模型的性能;从深度学习的角度来看,CA砂浆脱空发生在板中造成的危害较小,应重点关注板端CA砂浆脱空的养护与维修问题;1D-CNN相比其他3种模型运算时间短,在CA砂浆脱空位置识别数据集上优势更大,识别准确率可达95%以上。研究结果为进一步提高无砟轨道结构监测的自动化和智能化水平提供参考。

CA砂浆层破坏对无砟轨道结构受力特性影响

CA砂浆层掉块破坏是无砟轨道结构运营过程中最突出的病害之一,其破坏程度对无砟轨道结构运营的安全性与适用性具有重要影响。通过采用修正Burgers模型转换Prony级数表征CA砂浆的黏弹性,建立CRTSⅠ型板式无砟轨道结构三维有限元模型,通过模拟CA砂浆层在板端和板中不同区域薄层掉块,研究车轮荷载作用下不同掉块位置、不同掉块大小对无砟轨道结构动力特性和结构位移的影响,分析掉块处轨道结构损伤演变规律和趋势,给出破坏界限建议值,为无砟轨道结构的养护维修提供理论依据和指导。研究结果表明:无论板端还是板中掉块,CA砂浆层破坏造成轨道板垂向加速度、垂向位移和纵向拉应力增幅明显,CA砂浆层掉块边缘位置的压应力急剧增大,而底座板垂向位移及受力逐渐减小;车轮荷载作用下,CA砂浆层板端薄层掉块达到0.9125m,板中掉块达到1.25 m时,轨道板的垂向振动和CA砂浆的压应力将会显著增大,应及时对轨道结构进行检修,避免轨道结构破坏快速扩展。

CRTSⅡ型轨道板-CA砂浆界面离缝高度可靠度分析

轨道板与CA砂浆层间离缝损伤是CRTSⅡ型板式无砟轨道的主要损伤形式之一。通过分析轨道板与CA砂浆离缝产生机理,提出温度作用下轨道板与CA砂浆层间离缝高度功能函数;基于轨道板与CA砂浆层间内聚力模型,建立CRTSⅡ型板式无砟轨道多层结构体系层间离缝高度计算有限元模型;将一维减维点估计与有限元方法结合求解功能函数的前四阶矩,并基于高阶矩法计算可靠度指标;在不同离缝损伤形式下,分析温度梯度对离缝高度可靠度指标的影响规律。研究结果表明:整体升温时,轨道板中心离缝高度可靠度指标随正温度梯度增加而减小;整体降温时,轨道板板角离缝高度可靠度指标随负温度梯度增加而减小;在极端温度条件下轨道板与CA砂浆层离缝高度超限的概率较大,建议加强CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的养护维修。

车轨路地耦合系统CA砂浆层劣化垂向动力传递特性的研究

车辆滚动循环载荷作用下CA砂浆层常发生劣化以致失效,为真实反映CA砂浆层在整体系统中的作用特性,建立车辆-轨道-路基-地基耦合系统,分析当CA砂浆层发生不同程度劣化时轨道子系统各层的垂向动力响应变化情况。仿真与信号分析结果表明,CA砂浆层服役性能的优劣影响轨道子系统的载荷传递性能,且劣化长度过长时会改变轨道板-CA砂浆层耦合层的模态特性,导致其各阶次固有频率前移更易发生共振,砂浆层约束能力的减弱叠加共振影响致使轨道板垂向位移在动态荷载作用下超过《高速铁路工程动态验收技术规范》对轨道结构动力性能评判标准的规定限值,轨道服役性能下降。

沥青混合料与CA砂浆的阻尼特性研究

当前,沥青混合料为道路路面主要材料,CA砂浆(水泥沥青砂浆:Cement Asphalt Mortar,简称CA砂浆)垫层主要应用在高速铁路轨下基础。论文立足二者阻尼性能的特点,探讨沥青混合料和CA砂浆在不同影响环境(频率)下的阻尼规律、阻尼差异性,并进行对比。结果表明,CA砂浆与沥青混合料在低频段阻尼具有相同的变化趋势;在某一频率为界限的低频段,CA砂浆显现出较沥青混合料更好的阻尼特性,而高频段,沥青混合料表现出较CA砂浆更好的阻尼性能。

板式无碴轨道CA砂浆的配制和性能

CA砂浆是板式无碴轨道结构弹性调整层的核心.对CA砂浆的拌和工艺、配合比的选取以及试验数据、技术参数之间的关系进行了系统对比和统计分析.通过多次试验,确定了水泥、乳化沥青、掺和材、细骨料、表面活性剂、减水剂和铝粉等材料的选取、投料顺序、搅拌速度、搅拌时间和配合比,配制的CA砂浆流动度好、可工作时间长、早期有膨胀、后期收缩小,性能满足板式轨道功能和施工现场需要.对CA砂浆拌制中的时间与密度及空气含量、静停时间与密度及空气含量、静停时间与流动度的关系进行了对比分析;对强度与水灰比、砂用量、乳化沥青用量,不同龄期抗压强度发展,不同尺寸试件之间抗压强度,用水量和乳化沥青用量与流动度,弹性模量与抗压强度关系等提供了规律性的结果.结果表明,CA砂浆的关键是配制乳化沥青,其掺和成分为聚乙烯醇、乳化剂,采用中裂乳化剂乳化的沥青配制的CA砂浆性能最稳定.

CA砂浆的流变特性

CA砂浆是应用在板式轨道结构中的一种新型有机无机复合灌浆材料,其流变性能直接决定CA砂浆的灌注效果.通过流变仪研究了新拌CA浆体的瞬态与稳态流变特性及其影响因素.结果表明,CA浆体属于非牛顿流体,表现在低剪切速率时,CA浆体的粘度随时间先减小后增大;中高剪切速率时,其粘度先随时间减小后趋于稳定.在绝对水灰比固定条件下,随着沥青乳液与水泥质量比、硅灰和流变助剂掺量的增大,CA浆体的粘度增加;随着粉煤灰掺量的增加,CA浆体粘度略有降低.

CA砂浆抗冻性能的影响因素研究

为提高CA砂浆的抗冻性能,研究了各组成材料对其抗冻性的影响。结果表明,沥青相对含量越高,抗冻性能越好,沥青乳液与水泥相对质量比(A/C值)从1.4增至1.7时,350次冻融循环相对弹性模量分别降至75%和92%;随着冻融循环次数的增加,CA砂浆质量呈增加趋势,沥青相对含量越高,冻融循环后质量增加率越小;但采用硫铝酸盐水泥(SAC)代替普硅水泥(C)制备的CA砂浆抗冻性较差,350次冻融循环剩余相对弹性模量45%—55%;相对于基准CA砂浆的抗冻性能,加入橡胶粉(CRB)、聚合物胶粉(P3)、有机纤维(FR)和硅灰(SF)能提高CA砂浆的抗冻性能,提高幅度以CRB最大,FR次之,P3更次之,SF最小。

CA砂浆强度影响因素及强度机理研究

为制得满足高速铁路建设的CA砂浆,制备了不同配比的CA砂浆,通过考查CA砂浆的强度并利用扫描电子显微镜观测微观结构,研究砂的级配、砂灰比、乳化沥青与水泥比等因素对CA砂浆固化体不同龄期强度的影响.研究表明:选择粒径为0.15～0.3 mm与0.3～0.6 mm的组合砂能有效地降低高强型CA砂浆材料的分离度,而对CA砂浆28 d的抗压强度的影响不大;随着砂灰比的增大,高强型CA砂浆1 d抗压强度增大,当砂灰比超过1.4时,CA砂浆28 d抗压强度明显降低;随着乳化沥青与水泥质量比的增大,高强型CA砂浆各龄期的抗压强度都显著下降.选择合适粒径的砂,合理的砂灰比和乳化沥青与水泥质量比是制得满足高速铁路建设要求的CA砂浆的前提.

高强型CA砂浆力学性能影响因素及力学机理研究

为了解高强型CA砂浆主要组成材料对力学性能影响,研究乳化沥青与水泥质量比、砂灰比对CA砂浆强度和弹性模量的影响;并采用扫描电镜观察CA砂浆水泥沥青微观胶凝结构和CA胶浆与砂界面情况,分析CA砂浆力学性能微观机理。结果表明:随乳化沥青与水泥质量比增加,CA砂浆28d轴心抗压强度和弹性模量显著下降;随砂灰比增加,CA砂浆弹性模量无明显变化,28d轴心抗压强度开始无明显变化,之后大幅度下降;水泥沥青微观胶凝结构特征和CA胶凝材料与砂的界面黏结决定CA砂浆力学特点。因此,合适的乳化沥青与水泥比和良好流动性能是CA砂浆良好力学性能的保证。

加载速率对CA砂浆抗压强度的影响

CA砂浆中沥青的大量存在使得其力学性能具有较强的时间依赖性.首先研究了CA砂浆抗压强度在不同加载速率下的变化规律及沥青乳液与水泥的相对质量比、砂的细度模数与外掺料硅灰(SF)和橡胶粉(CR)对CA砂浆抗压强度时间依赖性的影响.结果表明:CA砂浆的抗压强度随加载速率的升高呈增加趋势,沥青的相对含量越低,增加趋势越明显;砂的细度模数越小,CA砂浆的抗压强度对加载速率的稳定性越好,但同时会导致CA砂浆的流动性损失过大.SF和CR对CA砂浆表现出的时间依赖性有不同程度的改善作用.同时提出了沥青在CA砂浆中的理想分布模型,对其力学性能的时间依赖性进行了解释.

CA砂浆强度主要影响因素的研究

以CA砂浆28d抗压强度（1．8～2．5MPa）为考察指标，研究了水泥、沥青乳液、砂、外加水和引气剂的用量范围。结果表明，影响CA砂浆强度的主次因素依次为水泥、沥青乳液和砂的用量。文章介绍制备满足强度要求的CA砂浆，其水泥、沥青乳液和砂用量的最佳范围。

CA砂浆泌水的影响因素分析

针对CA砂浆的泌水问题,研究流动性和材料配合比对泌水的影响规律.以泌水率为考察指标,研究了流动性、水与水泥质量比(m(W)m/(C))、减水剂与水泥质量比(m(SP)m/(C))、消泡剂与水泥质量比(m(DF)m/(C))、乳化沥青与水泥质量比(m(A)m/(C))和砂与水泥质量比(m(S)m/(C))对泌水率的影响.结果表明,流动性对CA砂浆泌水影响显著,流锥时间越短、扩展度越大,泌水率越高,且扩展度不宜大于330mm;m(W)m/(C)和m(SP)m/(C)越大,流动性越高,泌水率越高;消泡剂用量越低,含气量越高,泌水率越低;乳化沥青用量过高或过低都会增加泌水率,m(A)m/(C)为0.4时较为适宜;泌水率随砂用量的提高而增加.因此,降低流动性,减少水、减水剂、消泡剂和砂用量,以及适宜的乳化沥青用量,都有利于改善CA砂浆的泌水问题.

砂灰比和砂的级配对CA砂浆抗压强度和流动性的影响

通过调整砂与水泥的质量比和调整2种单级配砂的质量比，研究了砂灰比和砂的级配对CA砂浆的抗压强度和流动性的影响。结果表明：随着m（S）／m（C）的增大，低强和高强CA砂浆的流动性都变差，但低强CA砂浆流动性的变化幅度较小；随着m（S）／m（C）的增大，高强CA砂浆的抗压强度降低，而低强CA砂浆的抗压强度呈升高的趋势；使用两级配砂能够提高CA砂浆的抗压强度并改善其流动性，粒径为0．42-0．21mm的砂与粒径0．85-0．30mm的砂的最佳质量比为6：4。

模拟酸雨对板式无砟轨道CA砂浆的侵蚀破坏机理

采用pH值为3.0,4.0,5.0的酸液浸泡CA砂浆试件,模拟酸雨对CA砂浆的侵蚀破坏作用.对酸液浸泡的CA砂浆进行抗压强度测试、差热(DTA)分析、扫描电镜-能谱(SEM-EDS)分析,并用生物显微镜观察酸液中微生物的生长状况,探讨模拟酸雨对CA砂浆的侵蚀破坏机理.结果表明:酸液的长时间浸泡将导致CA砂浆试件开裂、剥落,抗压强度降低.CA砂浆经过酸液长时间浸泡后,由内到外C-S-H凝胶含量降低,表面出现大量CaSO_4·2H_2O结晶,同时酸液中含有较多的丝状真菌和酵母菌,与现场观察到的无砟轨道CA砂浆填充层生物破坏严重的现象相符合.酸液对CA砂浆的侵蚀破坏过程包括C-S-H凝胶的溶蚀过程、CaSO_4·2H_2O结晶的膨胀破坏过程和生物的腐蚀过程.

CRTSⅠ型CA砂浆动态压缩试验及本构关系研究

研究目的：水泥乳化沥青砂浆（CA砂浆）层充填在CRTSI型板式无砟轨道的轨道板和底座板之间，起着支承、传载、调整、减振隔振等功能，因此需要全面研究CA砂浆的力学性能。本文以现场取样CA砂浆圆柱体试件为对象，考虑10^-5s^-1～10^-2s^-1四种不同应变率，在位移和应变率双重控制下，测试动力加载条件下单轴受压应力-应变全曲线；研究抗压强度、峰值应变、弹性模量等力学参数的应变率效应以及本构方程。研究结论：（1）应变率对CA砂浆的力学性能影响显著；（2）CA砂浆的抗压强度、弹性模量和峰值应变均随应变率的增加而增大，其中抗压强度应变率敏感性最强，在10^-5s^-1～10^-2s^-1应变率范围内，强度可提高2．5倍左右；（3）CA砂浆在不同应变率下的应力-应变曲线形状相似，不同应变率下CA砂浆的应力-应变关系可以用本文提出的有理分式表达；（4）通过与试验数据对比发现，本文提出的不同应变率下CA砂浆的本构方程与试验结果吻合较好，研究成果可为CA砂浆率型本构模型的建立提供试验基础，从而应用于板式轨道的动力设计中。

CRTSⅠ型CA砂浆动态受压损伤试验

在电子万能试验机上对现场取样的水泥乳化沥青砂浆（CA砂浆）试件在应变率1×10-5～1×10-2S-1下进行动态单轴抗压试验,分析了动态荷载下CA砂浆的抗压强度、弹性模量及临界应变随应变率的变化规律.结果表明：CA砂浆的抗压强度随应变率的增加而增大,CA砂浆的抗压强度、弹性模量及临界应变与应变率之间呈幂函数关系,并给出了抗压强度、弹性模量及临界应变受应变率影响的经验公式.以切线模量的退化来度量CA砂浆的损伤程度,分析了CA砂浆动态损伤槛值随应变率的变化规律：当加载到相同的应变时,应变率越低,CA砂浆的损伤程度越严重;随着应变率的增大,CA砂浆损伤应力槛值及损伤应变槛值均增大;当应变率较高时,应变率对损伤应力槛值与平均抗压强度的比值和损伤应变槛值与平均临界应变的比值影响不大.

膨胀剂对CA砂浆依时变形特性的影响

为保持板式轨道关键弹性垫层CA（cement asphalt）砂浆的体积稳定性，研究了膨胀剂种类、掺量和养护湿度对CA砂浆依时变形特性的影响．结果表明，铝粉作膨胀剂时，CA砂浆在0—12h内膨胀，16h后收缩，铝粉掺量对其硬化后变形基本无影响．U型膨胀剂对CA砂浆12h内的收缩补偿作用较小，20h后体积产生明显膨胀，7d时膨胀率最大，后收缩，且其收缩率随膨胀剂掺量增加而降低．复掺铝粉和U型膨胀剂的CA砂浆7d时膨胀率达到最大，后收缩，收缩率随养护湿度增大而减小，介于0．035％0～0．100％o之间．M型膨胀剂能明显地降低CA砂浆的后期收缩，180d龄期收缩率降低0．16％o以上．

干湿循环对CA砂浆力学性能影响的试验研究

采用CSS8810-100KN电子万能试验机对不同干湿循环等级的CA砂浆试件进行了单轴压缩试验,获得了相关力学性能指标随干湿循环等级的变化规律。结果表明:CA砂浆具有较强的韧性,其应力-应变曲线分为初始压密、弹性变形、塑性变形和应变软化4个阶段;峰值应力、弹性模量、破坏能随干湿循环等级的增加,先增大后减小,割线模量随轴向应变的增加先增大后减小,其主要影响因素为初期干湿循环使CA砂浆中未水化水泥进一步水化,砂浆结构更加密实,后期干湿循环导致微缺陷的产生和扩展;塑性功整体随循环等级的增加逐渐减小,干湿循环损害了CA砂浆的减振性能。通过数据变换得到了CA砂浆各力学性能指标与自变量之间的函数关系,为研究成果在实际工程中的应用提供了便利。

板式无碴轨道用CA砂浆的关键技术

从对CA砂浆(水泥-沥青砂浆)垫层的要求出发,比较国产和日本的CA砂浆性能,阐述CA砂浆及专用乳化沥青的关键技术。我国的无碴轨道研究开发已经有了多年的基础,完成了一系列从试验室试验到现场试验、改进试验、再上道试验的过程,确立“从最终的使用性能要求出发”这一新概念进行CA砂浆的设计;通过对CA砂浆集料性质的反演,研究集料的特性,进行混合料设计和性能分析,确定新材料的合理配方;按照使用性能要求研究CA砂浆的质量检验方法。采用阳离子乳化剂进行沥青的乳化,增强合成材料的包容性;使用高分子聚合物材料作为添加剂进行沥青改性,改进沥青的结构—力学性能;设计适应不同温度地区使用的材料配方和添加剂;指出CA砂浆的制备和施工设备必须专业化,以满足大规模生产和施工时稳定CA砂浆质量的要求。建议从使用性能出发,建立CA砂浆的质量检验标准体系。