中國報告大廳網(wǎng)訊，高速列車運行產(chǎn)生的沖擊荷載，是高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)在服役過程中的典型特征。當以 300km/h 速度行駛的高速列車遭遇短程不平整路段時，荷載幅值可達到 200kN，垂向加速度會增加至 0.06g，這種沖擊作用對無砟軌道混凝土的長期服役性能構(gòu)成了嚴峻挑戰(zhàn)?；炷磷鳛橛缮皾{、骨料和界面過渡區(qū)組成的多相復(fù)合材料，界面過渡區(qū)在沖擊荷載作用下成為薄弱環(huán)節(jié)，容易引發(fā)內(nèi)部裂縫的萌生與擴展，進而導(dǎo)致性能劣化。目前，國際上雖有多種混凝土沖擊韌性試驗方法，如 Charpy 擺錘沖擊試驗、射彈試驗、分離式霍普金森壓桿試驗(SHPB)、爆炸試驗等，但這些方法普遍存在操作復(fù)雜、成本較高、適用性有限的問題，難以滿足鐵路工程混凝土沖擊動態(tài)性能評估的需求。落錘沖擊試驗憑借一定質(zhì)量的落錘從高處往復(fù)自由落下，通過混凝土沖擊斷裂時的累計重力勢能來評價其沖擊性能，不過現(xiàn)有相關(guān)標準中落錘質(zhì)量與沖擊高度固定，且不同高速鐵路線路因列車運行速度不同，對無砟軌道混凝土的沖擊荷載大小和頻率存在差異，采用統(tǒng)一試驗制度難以準確評估混凝土沖擊韌性，因此，針對無砟軌道混凝土的落錘沖擊試驗制度研究具有重要意義。以下是2025年落錘沖擊試驗機行業(yè)趨勢分析。
試驗所用水泥為 P?O 42.5 型普通硅酸鹽水泥，其比表面積為 350m2/kg，初凝時間 155min，終凝時間 215min，3d 抗壓強度 24.6MPa，28d 抗壓強度 50.5MPa，3d 抗折強度 5.1MPa，28d 抗折強度 8.9MPa;粉煤灰選用 F 類，符合 Ⅰ 級粉煤灰要求;礦渣粉滿足 S95 級礦渣粉標準;細骨料為級配 Ⅱ 區(qū)的機制砂，粗骨料為 5~10mm、10~20mm 的石灰?guī)r連續(xù)級配碎石;耐堿玻璃纖維長度 12mm，密度為 2680kg/m3;減水劑為 PCEA 聚羧酸高性能減水劑，固含量 20%，減水率約 30%。
試驗涉及三種混凝土，分別為 C40、C60 以及 C60 纖維混凝土(XC60)，其配合比(單位：kg/m3)如下：C40 混凝土中，水泥 300kg、粉煤灰 40kg、礦渣粉 60kg、機制砂 630kg、碎石 1170kg、玻璃纖維 0kg、水 140kg、減水劑 4.5kg;C60 混凝土中，水泥 408kg、粉煤灰 24kg、礦渣粉 48kg、機制砂 734kg、碎石 1100kg、玻璃纖維 0kg、水 130kg、減水劑 2.4kg;XC60 混凝土中，水泥 408kg、粉煤灰 24kg、礦渣粉 48kg、機制砂 734kg、碎石 1100kg、玻璃纖維 13.4kg、水 130kg、減水劑 2.4kg?；炷涟聪嚓P(guān)要求進行成型和養(yǎng)護，標準養(yǎng)護至 28d 齡期后，置于溫度 20℃±2℃、相對濕度 60%±5% 的室內(nèi)干燥環(huán)境下養(yǎng)護 14d 備用。
《2025-2030年中國落錘沖擊試驗機行業(yè)市場調(diào)查研究及投資前景分析報告》指出，落錘沖擊試驗機主要由提升與落錘系統(tǒng)、中控系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)和防護系統(tǒng)組成。其中，提升與落錘系統(tǒng)的錘頭直徑不小于 40mm，可通過增減砝碼調(diào)整落錘質(zhì)量;監(jiān)測系統(tǒng)包含壓電動態(tài)力傳感器和引伸計，壓電動態(tài)力傳感器固定在錘頭內(nèi)，能實時監(jiān)測沖擊時混凝土試件的沖擊荷載，引伸計纏繞在試件中部并固定在沖擊試驗底座上，用于測試圓柱體混凝土試件在沖擊過程中的環(huán)向變形值。
固定混凝土圓柱體試件高徑比為 1:2，研究試件直徑對混凝土沖擊壽命與破壞形態(tài)的影響。結(jié)果顯示，在單次沖擊能量一定的條件下，隨著混凝土試件直徑的增加，其沖擊壽命逐漸延長。當試件直徑為 50mm 時，僅需較少次數(shù)的落錘沖擊，試件就會發(fā)生脆性破壞;隨著直徑增大，混凝土沖擊壽命結(jié)果的離散性呈降低趨勢;當試件直徑為 150mm 時，在沖擊荷載作用下，混凝土試件表面裂紋較小，沖擊壽命達到 65 次。綜合來看，較大的試件直徑更有利于提升試驗結(jié)果的穩(wěn)定性和準確性，因此建議混凝土試件直徑選用 150mm。
固定試件直徑為 150mm，探究試件高徑比對其沖擊壽命和破壞形態(tài)的影響。數(shù)據(jù)表明，試件直徑固定時，隨著高徑比的減小，沖擊壽命逐漸降低。當高徑比為 1:1 時，混凝土試件的沖擊壽命為 170 次，沖擊荷載作用下僅上表面出現(xiàn)損傷，無明顯貫穿裂紋;高徑比為 1:2 時，沖擊壽命為 42 次，試件上表面出現(xiàn)橫向貫通裂紋;高徑比為 1:3 時，沖擊壽命僅為 3 次，且試件產(chǎn)生貫通型斷裂。從試驗結(jié)果的可比性和離散性角度考慮，建議鐵路混凝土沖擊試驗試件高徑比確定為 1:2。
單次沖擊能量是影響鐵路混凝土沖擊壽命的關(guān)鍵因素。研究發(fā)現(xiàn)，隨著單次沖擊勢能的增加，混凝土沖擊壽命整體呈降低趨勢，且混凝土強度等級越高，抗落錘沖擊性能越好。當單次沖擊勢能小于 20J 時，混凝土沖擊壽命較大，不利于高效開展沖擊性能試驗;當單次沖擊勢能在 50J 以上時，C40 混凝土沖擊壽命在 20 次以下，C60 混凝土沖擊壽命在 40 次以內(nèi)。為兼顧試驗的可操作性和效率，建議單次沖擊勢能控制在 20~50J 之間。結(jié)合試件直徑和高徑比的研究結(jié)果，最終確定落錘沖擊試驗圓柱體試塊試件尺寸為直徑 150mm、高度 75mm(高徑比 1:2)，單次沖擊勢能 20~50J。
通過落錘沖擊試驗機的錘頭應(yīng)力傳感器記錄沖擊荷載作用下混凝土試件所受沖擊荷載，結(jié)果顯示，隨著錘頭位移增加，落錘與混凝土試件接觸后沖擊荷載快速上升，當落錘位移為 0.52mm 時，沖擊荷載峰值達到 33.4kN，隨后隨著位移增加，沖擊荷載迅速降至 0kN，整個落錘沖擊過程中鐵路混凝土落錘位移共計 0.65mm。進一步觀察 C40 及 C60 混凝土試件在落錘沖擊荷載作用下荷載峰值的變化，發(fā)現(xiàn)隨著沖擊次數(shù)的增加，沖擊荷載峰值整體呈現(xiàn) “穩(wěn)定發(fā)展 - 快速下降” 的兩段式規(guī)律。以落錘沖擊過程中前 5 次沖擊荷載峰值的最大值作為混凝土初始階段的沖擊荷載峰值，當混凝土試件貫穿破壞后，峰值荷載衰減達到 40% 以上，此時混凝土已無法承受正常的沖擊荷載，因此可將峰值荷載衰減 40% 作為鐵路混凝土沖擊失效的判定依據(jù)之一。
落錘沖擊試驗機行業(yè)的引伸計監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，隨著沖擊次數(shù)的增加，圓柱體混凝土試件的環(huán)向變形整體呈現(xiàn) “穩(wěn)定發(fā)展 - 快速增加” 的兩段式規(guī)律。沖擊荷載作用初期，混凝土試件發(fā)生塑性損傷變形，直徑出現(xiàn)一定增長;隨著沖擊次數(shù)進一步增加，試件內(nèi)部產(chǎn)生較多貫通裂紋，環(huán)向變形值逐漸增大;當達到臨界失效狀態(tài)時，環(huán)向變形值快速增長。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，建議將環(huán)向變形值達到 0.8mm 作為鐵路混凝土沖擊失效環(huán)向變形的判定依據(jù)，與沖擊荷載峰值衰減 40% 共同構(gòu)成試驗終止的雙重判定標準，確保判定結(jié)果的準確性和可靠性。
在落錘沖擊荷載作用下，落錘重力勢能傳遞至混凝土，使混凝土發(fā)生彈性變形和塑性變形。落錘重力勢能計算公式為E=N?m?g?H(其中 E 為沖擊總能量，單位 J;N 為沖擊次數(shù);m 為落錘質(zhì)量，單位 kg;g 為重力加速度，取 10m/s2;H 為落錘沖擊高度，單位 m)。定義沖擊曲線峰后耗能為En，通過錘頭荷載與位移計算，公式為En=∫t1t2F?vdt(其中t1為沖擊荷載峰值時間，單位 s;t2為沖擊荷載變化回零的時間，單位 s;F 為沖擊荷載，單位 N;v 為錘頭的下落速度，單位 m/s)。將En與 E 的比值定義為鐵路混凝土沖擊韌性指數(shù)，公式為C=E∑1NEn(其中 C 為沖擊韌性指數(shù))。
根據(jù)落錘沖擊試驗機測得的沖擊荷載，計算 C60 及 XC60 混凝土的沖擊韌性指數(shù)。結(jié)果顯示，隨著沖擊次數(shù)的增加，混凝土沖擊韌性指數(shù)整體呈現(xiàn)三階段發(fā)展特征。在落錘沖擊作用初期，C60 混凝土及 XC60 混凝土沖擊韌性指數(shù)均在 0.22~0.23 左右;隨著沖擊次數(shù)增加，沖擊韌性指數(shù)進入緩慢發(fā)展階段，此時 C60 混凝土沖擊韌性指數(shù)約為 0.35，XC60 混凝土沖擊韌性指數(shù)約為 0.45;當沖擊次數(shù)進一步增加，混凝土沖擊韌性指數(shù)持續(xù)上升，臨界失效前 C60 混凝土沖擊韌性指數(shù)達到 0.44，沖擊總能量為 630J，而 XC60 混凝土沖擊韌性指數(shù)達到 0.59，沖擊總能量為 2000J。這一結(jié)果表明，摻入玻璃纖維能夠顯著提升鐵路混凝土的沖擊韌性，沖擊韌性指數(shù)可作為鐵路混凝土沖擊性能評價的重要參數(shù)，為無砟軌道混凝土的性能優(yōu)化和設(shè)計提供有力參考。
本文圍繞無砟軌道混凝土的落錘沖擊試驗展開研究，結(jié)合2025年落錘沖擊試驗機行業(yè)趨勢，確定了適用于無砟軌道混凝土落錘沖擊試驗的關(guān)鍵參數(shù)和評估方法。在試驗基礎(chǔ)條件方面，明確了試驗所用原材料的性能指標、三種混凝土的配合比以及落錘沖擊試驗機的裝置構(gòu)成。通過對試件尺寸和沖擊能量的研究，得出試件直徑 150mm、高徑比 1:2、單次沖擊勢能 20~50J 的優(yōu)化試驗參數(shù)，可有效提升試驗的可操作性并降低結(jié)果離散性。在試驗終止判定依據(jù)上，提出沖擊荷載峰值衰減 40% 和圓柱體試件環(huán)向變形 0.8mm 的雙重標準，確保能準確判斷混凝土的沖擊失效狀態(tài)。此外，定義了基于沖擊耗能的鐵路混凝土沖擊韌性指數(shù)，發(fā)現(xiàn)其在沖擊荷載作用下呈現(xiàn)快速增長 - 穩(wěn)定發(fā)展 - 臨界失效的三階段規(guī)律，且纖維摻入可顯著提升混凝土沖擊韌性。這些研究成果不僅完善了無砟軌道混凝土落錘沖擊試驗制度，也為落錘沖擊試驗機在鐵路工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供了更明確的方向，同時為無砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計、性能評估以及后續(xù)優(yōu)化升級提供了重要的試驗依據(jù)和技術(shù)支持。
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