本发明涉及高速铁路板式无砟轨道结构混凝土施工质量检测控制技术领域，具体涉及一种无砟轨道自密实混凝土充填层缺陷定量检测装置及方法；特别是指一种高速铁路Ⅲ型板式无砟轨道自密实混凝土充填层缺陷定量检测装置及方法。
背景技术：
我国高速铁路建造技术取得了举世瞩目的成就，建设运营里程世界第一。目前，我国高速铁路轨道结构主要采用无砟轨道技术，其中涵盖了CRTSI型、CRTSⅡ型以及CRTSIII型等多种板式无砟轨道结构型式，充填层是上述轨道结构的关键部件和核心技术[1]。CRTSI型、CRTSⅡ型板式无砟轨道采用水泥乳化沥青砂浆充填层技术，是一种通过引进、吸收、消化再创新的无砟轨道技术；CRTSIII型板式无砟轨道结构采用自密实混凝土充填层技术，是拥有我国自主知识产权的无砟轨道结构新技术，其结构型式如图1所示。
由图1可以清晰看到，CRTSIII型板式无砟轨道结构的横断面从下至上由混凝土支撑层8、自密实混凝土填充层9、预制轨道板10以及扣件和钢轨等几部分组成，其中自密实混凝土充填层是其关键结构层，承担调整、支承、传力等功能，自密实混凝土充填层质量攸关整个轨道结构的性能。自密实混凝土充填层是在底部支撑层施工完成、上部预制轨道板放置调平以及两侧支好模板后进行施工完成的。显然，对一个前后、左右以及上下6个面都封闭的密闭水平空间中进行混凝土浇筑施工是件异常困难的事情，而且密闭空间内还存在钢筋网等阻碍，施工过程中不允许外力振捣，只能依靠混凝土自身重力充填整个密闭空间，这就要求新拌自密实混凝土具有非常优异的工作性能和更严格的灌注工艺。一旦新拌自密实混凝土工作性能欠佳或灌注工艺不合格，填充层自密实板面将出现浮浆、发泡层和大气泡群等质量问题。为科学评价用于CRTSIII板式轨道充填层自密实混凝土的灌注质量，我国相关单位如中国铁道科学研究院、中南大学的研究人员做出了不少努力，编制了《高速铁路CRTSIII板式无砟轨道充填层自密实混凝土暂行技术条件》[2]，对CRTSIII型板式无砟轨填充层自密实混凝土灌注质量提出要求：自密实混凝土板面无泌水现象、无松软发泡层、无可见裂纹、无明显水纹，无面积大于50cm2以上的气泡，面积6cm2及以上气泡的面积之和不宜超过板面积的2％，但其中未有自密实混凝土充填层与轨道板界面缺陷定量测试方法。
目前，自密实混凝土充填层与轨道板界面缺陷的测量可采用图像分析软件Imagepro-plus，但该软件在图像处理时要求缺陷与板面间存在较大对比度，操作较复杂，不利于现场推广。目前，在现场通常是通过目测法对自密实混凝土灌注质量进行评价，评价结果过于主观。由于自密实混凝土充填层与轨道板界面缺陷形状、分布不规则且现场条件有限，导致对缺陷定量统计较困难。因此，快速、准确测量自密实混凝土充填层与轨道板界面缺陷对混凝土灌注质量评价显得非常关键。
本发明所涉及的施工对象——板式轨道充填层是一类特殊的结构，对自密实混凝土性能及灌注工艺提出了更为苛刻的要求，浇筑后的自密实混凝土必须能够与顶层的高强度预制混凝土轨道板粘结良好，这就要求浇筑后的充填层自密实混凝土整体均匀性好，自密实混凝土充填层与轨道板界面不出现浆体层或大气泡群等缺陷。目前，在施工现场多采用目测法对界面缺陷进行判断，无法定量评价自密实混凝土灌注质量。为此，本发明通过大量实践，针对CRTSIII型板式轨道充填层自密实混凝土灌注质量的科学、定量评价难题，发明了一种测量自密实混凝土充填层与轨道板间界面缺陷定量测试装置和方法，从而保证充填层自密实混凝土灌注质量评价的准确性，确保高速铁路无砟轨道结构服役性能和运营安全。
技术实现要素：
本发明的第一个目的在于提供一种能够快捷、定量地测试评价自密实混凝土灌注质量，检验自密实混凝土充填层施工质量的无砟轨道自密实混凝土充填层缺陷定量检测装置。
本发明的第二个目的是提供一种无砟轨道自密实混凝土充填层缺陷定量测试方法。
本发明一种无砟轨道自密实混凝土充填层缺陷定量检测装置，所述定量检测装置包括底板、金属格栅、填充颗粒、取样纸、计数装置，将所述取样纸覆盖在自密实混凝土表面的待测区域，获取待测区域内的自密实混凝土充填层缺陷轮廓；所述金属格栅放置在底板上，将已获取自密实混凝土充填层缺陷轮廓的取样纸覆盖在金属格栅表面，将填充颗粒填充到取样纸上标定的缺陷轮廓区域内的金属格栅中，将填充在缺陷轮廓区域内的填充颗粒通过计数装置计数后计算缺陷轮廓区域缺陷面积。
本发明一种无砟轨道自密实混凝土充填层缺陷定量检测装置，所述金属格栅是由纵横栅条构成的正方形通孔构成；所述正方形通孔边长为0.5-1.5mm；纵横栅条的厚度为0.5-1mm；纵横栅条材质为塑料片、铝片或铁片中的一种。
本发明一种无砟轨道自密实混凝土充填层缺陷定量检测装置，所述填充颗粒为直径与金属格栅中的通孔相匹配的球形颗粒；所述填充颗粒的材质为磁性金属材料，具体选自铁或铁合金。
本发明一种无砟轨道自密实混凝土充填层缺陷定量检测装置，所述取样纸的厚度为0.2-0.8mm。优选泡沫纸。
本发明一种无砟轨道自密实混凝土充填层缺陷定量检测装置，所述计数装置包括漏斗、计数器、支架；所述漏斗安装在支架上，在漏斗出料口设有计数器；所述漏斗出料口的直径为1-2mm；漏斗材质为工程塑料或铝合金；计数器距下料口2-4cm；支架高15-20cm；支架材质为不锈钢或铝合金。
本发明一种无砟轨道自密实混凝土充填层缺陷定量测试方法，包括下述步骤：
第一步：选择测量区域
根据代表性抽样原则，将填充层自密实混凝土板面均分为3个矩形，在每一个矩形的内角初设置一个测量区域，相邻矩形的相邻内角处的2个测量区域合并为1个，均匀布设在相邻2个矩形中；在每一个矩形对角线交叉点两侧各设置1个测量区域，在填充层自密实混凝土板面上布置14个测量区域；
第二步：获取混凝土充填层缺陷轮廓
将取样纸分别覆盖至设定的测量区域，对测量区域表面的凹坑位置进行标定，并在取样纸上临摹出凹坑的轮廓；
第三步：混凝土充填层缺陷轮廓面积计算
将金属格栅放置在底板上，将第二步获得的取样纸覆盖在金属格栅表面，将填充颗粒填充到取样纸上临摹的凹坑轮廓区域内的金属格栅中，收集填充在金属格栅中的填充颗粒；通过计数器计数，得到填充颗粒数A；按式(1)计算缺陷面积S；
S＝G2×A (1)
式(1)中：G是格栅边长(G的长度为格栅内空长度与格栅厚度一半之和，格栅按2片计算)；A为填充颗粒数；
第四步：混凝土充填层缺陷率的计算
重复第二步、第三步，对每一个测量区域进行测量，得到每一个被侧区域的缺陷轮廓面积；按式(2)计算混凝土充填层缺陷率：
Q＝被测区域缺陷轮廓面积之和/被测区域面积之和(2)。
本发明一种无砟轨道自密实混凝土充填层缺陷定量测试方法，测量区域为正方形，边长为40-60mm。
本发明一种无砟轨道自密实混凝土充填层缺陷定量测试方法，缺陷率Q大于等于2％，判定为自密实混凝土充填层的灌注质量不合格。
本发明一种无砟轨道自密实混凝土充填层缺陷定量测试方法，某一个测量区域缺陷轮廓面积大于等于50cm2，判定为自密实混凝土充填层的灌注质量不合格。
采用上述技术方案的自密实混凝土充填层与轨道板间界面缺陷定量测试装置及其测试方法，抓住了自密实混凝土充填层施工质量最为核心的问题—浇筑后的自密实混凝土充填层表层质量状态，表层质量直接关系到充填层与预制轨道板之间的粘结性能，界面缺陷直接反应了自密实混凝土拌合物的状态和灌注质量。拌合物的状态和灌注质量良好，则浇筑后的填充层表面平整、密实，大气泡等缺陷数量少。采用上述技术方案的自密实混凝土充填层与轨道板间界面缺陷定量测试装置，首先，根据代表性抽样原则，在填充层自密实混凝土板面布置了14块测区，测区分布见图2，将泡沫纸覆盖在填充层自密实混凝土板面测点位置，用小刀将测区内缺陷的轮廓勾勒出来，将金属格栅放置在底板上，并将泡沫纸覆盖在格栅上，然后待金属格栅放置固定后，将填充颗粒撒入泡沫纸标记的缺陷处轮廓区域的格栅中，可轻微振动保证填充体颗粒落入相应网格，再将未落入格栅的填充体颗粒清理，将收集的填充颗粒放置在计数装置的漏斗中，填充颗粒从漏斗出口流出，通过计数器计数，得到填充颗粒数A，将数值A代入式(1)计算待测缺陷面积S；
本发明以我国大规模高速铁路建设为背景，解决了高速铁路板式无砟轨道结构填充层或类似结构自密实混凝土施工质量控制中存在的技术难题，确保浇筑施工后的自密实混凝土充填层(或类似结构)施工质量和服役性能满足设计要求。
测试装置的科学性、有效性及其与现有测试方法的比较：
本装置是基于高速铁路无砟轨道结构充填层的水平板式结构的实际特点，并结合实际现场浇注自密实混凝土的施工工艺，通过大量工程现场调查和室内试验，根据代表性抽样原则，确定测点区域，并将实际浇筑完后的填层自密实混凝土缺陷面积测量结果与通过Imagepro-plus软件和目测法算得的面积对比，试验装置测得的面积与图像分析软件算得面积接近且比Imagepro-plus软件更上手，学习成本更低，精度远高于目测法。因而本装置具有显著的合理性和科学性。本装置操作简单、快捷，适合现场人员操作，弥补了现场无法定量评估CRTSIII板式轨道充填层自密实混凝土灌注质量的不足，为CRTSIII板式轨道自密实混凝土充填层的施工质量控制提供了有力支撑。
本发明的优点和积极效果：
1、本发明方法能定量、准确地测量得到用于CRTSⅢ板式无砟轨道充填层自密实混凝土与轨道板间界面缺陷(气泡泡孔率)，从而客观、定量反映充填层自密实混凝土灌注质量，确保充填层与其上部预制轨道板之间的粘结性能；
2、本方法(装置)可用于高速铁路板式无砟轨道充填层或类似的水平层状结构构件自密实混凝土现场灌注质量评价，有利于定量评价这类特殊构件灌注质量；
3、本发明方法(装置)操作简单，可靠性高；对测试环境要求不高；避免了现场试验所需的大量人力、物力。
综上所述，本发明是一种能够快捷、准确地测试评价CRTSⅢ板式无砟轨道充填层的自密实混凝土灌注质量，有利于定量评价这类特殊构件灌注质量性且结构简单、测量准确度高的自密实混凝土充填层与轨道板间界面缺陷定量测试装置。
附图说明
附图1是高速铁路板式无砟轨道结构型式示意图。
附图2是测量区域布置示意图。
附图3是本发明自密实混凝土充填层缺陷定量检测装置结构示意图。
附图4是本发明自密实混凝土充填层缺陷定量检测装置中底板结构示意图。
附图5是本发明自密实混凝土充填层缺陷定量检测装置中金属格栅结构示意图。
附图6是本发明自密实混凝土充填层缺陷定量检测装置中填充颗粒结构示意图。
附图7是本发明自密实混凝土充填层缺陷定量检测装置中取样纸结构示意图。
附图8是本发明自密实混凝土充填层缺陷定量检测装置中计数装置结构示意图。
图3-8中，1—底板，2—金属格栅，3—填充颗粒，4--取样纸，5—漏斗，6—支架，7—计数器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施案例对本发明作进一步说明。
实施例1
参见附图3-8，一种无砟轨道自密实混凝土充填层缺陷定量检测装置，所述装置包括底板(1)、金属格栅(2)、填充颗粒(3)、取样纸(4)，将所述取样纸(4)覆盖在自密实混凝土表面的待测区域，获取待测区域内的自密实混凝土充填层缺陷轮廓；所述金属格栅(2)放置在底板(1)上，将已获取自密实混凝土充填层缺陷轮廓的取样纸(4)覆盖在金属格栅(2)表面，将填充颗粒(3)填充到取样纸(4)上标定的缺陷轮廓区域内的金属格栅(2)中；将填充在缺陷轮廓区域内的填充颗粒(3)通过计数装置计数后计算缺陷轮廓区域缺陷面积；所述计数装置包括漏斗(5)、计数器(7)、支架(6)；所述漏斗(5)安装在支架(6)上，在漏斗(5)出料口设有计数器(7)；所述漏斗出料口的直径为1-2mm；漏斗材质为工程塑料；计数器(7)距下料口3cm；支架(6)高18cm；支架材质为不锈钢。
所述金属格栅(2)是由纵横栅条构成的正方形通孔构成；所述正方形通孔内空为1mm2；纵横栅条的厚度为0.5mm，正方形通孔边长为1.5mm；纵横栅条材质为铝片；
所述填充颗粒直径为1mm球形颗粒；所述填充颗粒的材质为铁；
所述取样纸为泡沫纸，厚度为0.4mm。
实施例2
参见附图1-8，一种无砟轨道自密实混凝土充填层缺陷定量测试方法，包括下述步骤：
本实施例中，自密实混凝土充填层面积为：1400cm2，混凝土标号为：SCC1；
第一步：选择测量区域
根据代表性抽样原则，将填充层自密实混凝土板面均分为3个矩形，在每一个矩形的内角初设置一个测量区域，相邻矩形的相邻内角处的2个测量区域合并为1个，均匀布设在相邻2个矩形中；在每一个矩形对角线交叉点两侧各设置1个测量区域，在填充层自密实混凝土板面上布置14个测量区域，每一个测量区域为正方形，边长为50mm，面积为2500mm2,见附图2；
第二步：获取混凝土充填层缺陷轮廓
将取样纸覆盖至测量区域A，对测量区域A表面的凹坑位置进行标定，并在取样纸上临摹出凹坑的轮廓；
第三步：混凝土充填层缺陷轮廓面积计算
将正方形通孔边长为1.5mm(金属格栅厚度为0.5mm)的金属格栅(正方形通孔内空为1mm2)放置在底板上，将第二步获得的取样纸覆盖在金属格栅表面，将直径为1mm的球形填充颗粒填充到取样纸上临摹的凹坑轮廓区域内的金属格栅中，收集填充在金属格栅中的填充颗粒；通过计数器计数，得到填充颗粒数为576；按下式计算缺陷面积S；
S1＝1.52×576＝1296mm2；
第四步：混凝土充填层缺陷率的计算
重复第二步、第三步，对每一个测量区域进行测量，得到每一个被侧区域的缺陷轮廓面积S1＝12.96cm2；S2＝12.55cm2；S3＝7.15cm2；
S4＝5.81cm2；S5＝0.00cm2；S6＝0.00cm2；S7＝0.00cm2；S8＝0.00cm2；
S9＝0.00cm2；S10＝0.00cm2；S11＝11.47cm2；S12＝5.13cm2；S13＝0.00cm2；
S14＝0.00cm2；按式(1)计算混凝土充填层缺陷率：
Q＝被测区域缺陷轮廓面积之和/被测区域面积之和*100/100＝0.156％。
本实施例测定的无砟轨道自密实混凝土充填层缺陷率Q＝0.156％，也没有缺陷轮廓面积大于等于50cm2的缺陷，判定自密实混凝土充填层的灌注质量合格。
对比例1
将实施例1得到的缺陷轮廓形状采用Imagepro-plus软件进行测量，得到的个被测区域缺陷轮廓面积如下：
C1＝13.57cm2；C2＝12.56cm2；C3＝7.54cm2；C4＝6.53cm2；C5＝0.00cm2；
C6＝0.00cm2；C7＝0.00cm2；C8＝0.00cm2；C9＝0.00cm2；C10＝0.00cm2；
C11＝13.10cm2；C12＝6.02cm2；C13＝0.00cm2；C14＝0.00cm2。
按式(1)计算混凝土充填层缺陷率：
Q＝被测区域缺陷轮廓面积之和/被测区域面积之和*100/100＝0.169％。
本发明的优点
1、通过实施例1两组测试结果对比，可验证本发明测试精度满足，能够定量、准确地测量得到用于CRTSⅢ板式无砟轨道充填层自密实混凝土与轨道板间界面缺陷；
2、本发明方法(装置)操作简单，可靠性高；对测试环境要求不高；避免了现场试验所需的大量人力、物力。