CRTSⅡ型CA砂漿的阻尼性能

王金鳳，歐陽(yáng)劍，趙九野，譚憶秋，李云良

(1.中海油氣開發(fā)利用公司，北京 100029;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150090)

板式無(wú)砟軌道是當(dāng)今高速鐵路無(wú)砟軌道的主要結(jié)構(gòu)形式［1-2］之一，CA砂漿彈性結(jié)構(gòu)墊層為高速行車荷載作用提供優(yōu)良的降噪、減振及耗散損傷力等性能，確保板式軌道高速行車的安全性和舒適性，在板式無(wú)砟軌道中起著重要的作用。研究［3-4］表明，CA砂漿墊層阻尼的增大，可以降低系統(tǒng)豎向振動(dòng)響應(yīng)和軌道板的振動(dòng)，延長(zhǎng)板式軌道使用壽命。目前對(duì)于CA砂漿的研究主要集中在配合比設(shè)計(jì)、力學(xué)性能指標(biāo)的檢測(cè)、施工性能研究、水泥乳化瀝青相互機(jī)理及微觀結(jié)構(gòu)特征上［5～7］。一般認(rèn)為，由于瀝青的存在，CA砂漿具有一定的減振性能。CA砂漿在中國(guó)高速鐵路彈性墊層的服役過(guò)程中，既要經(jīng)受炎熱地區(qū)夏季40℃以上的高溫環(huán)境，又要抵御寒冷地區(qū)冬季-20℃以下的低溫環(huán)境。同時(shí)，CA砂漿既要經(jīng)受在300 km/h的高速列車行車過(guò)程中帶來(lái)的高頻瞬時(shí)荷載沖擊，在轉(zhuǎn)彎或車站等加減速路段還要求能承受較低頻率甚至靜止的荷載。對(duì)于含有較多瀝青的復(fù)合材料，CA砂漿的減振能力在一定程度上會(huì)受到溫度和加載頻率的影響。為此，筆者通過(guò)循環(huán)加載試驗(yàn)開展不同加載頻率和試驗(yàn)溫度下CRTSⅡ型 CA砂漿阻尼特性的研究，同時(shí)結(jié)合CRTSⅡ型CA砂漿的阻尼特性，提出CA砂漿阻尼的評(píng)價(jià)方法。

1 原材料與配合比

(1)原材料:P.O42.5水泥;CA砂漿用的陰離子慢裂型乳化瀝青，固含量為60%;兩種級(jí)配的河砂，粒徑分別為0.15～0.3 mm，0.3～0.6 mm，在配比中按4∶6復(fù)配;自來(lái)水;消泡劑;聚羧酸減水劑;發(fā)氣鋁粉，最大粒徑為80 μm。

(2)試驗(yàn)配比。試驗(yàn)過(guò)程中CA砂漿主要組成材料的配比為m(A)∶m(C)∶m(S)=0.22∶1.0∶1.6，其中，A表示乳化瀝青中凈瀝青含量，C表示水泥，S表示砂，水灰比為0.4，該CA砂漿擴(kuò)展度為295 mm，流動(dòng)度為93 s，彈性模量為9100 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為17.2 MPa，28 d抗折強(qiáng)度為6.2 MPa，可滿足我國(guó)CRTSⅡ型無(wú)砟軌道對(duì)CA砂漿的技術(shù)要求。

2 試驗(yàn)方法

2.1 阻尼的測(cè)量

材料的阻尼是指在動(dòng)態(tài)應(yīng)力作用下材料內(nèi)摩擦引起的能量耗散，可由材料的能量耗散系數(shù)表征。固體材料在簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)的應(yīng)力循環(huán)中，應(yīng)變總是落后于應(yīng)力，形成的應(yīng)力-應(yīng)變的滯回曲線面積等于單位體積材料內(nèi)散失的能量，如圖1所示。則有

式中，E″、E'分別為耗散能與彈性能;Al為應(yīng)力應(yīng)變滯回曲線面積，MPa;S(ODE+OAF0)為三角形ODE、OAF0的面積，MPa;ψ為能量耗散系數(shù)。

圖1 應(yīng)力應(yīng)變滯回曲線Fig.1 Hysteretic loop of stress and strain

根據(jù)能量耗散系數(shù)的計(jì)算式，用動(dòng)載試驗(yàn)機(jī)對(duì)CA砂漿進(jìn)行試驗(yàn)。機(jī)器采用伺服控制，最大加載力為100 kN，位移測(cè)量精度為0.001 mm，能很好地滿足CA砂漿試驗(yàn)的精度要求。對(duì)試件進(jìn)行正弦波荷載控制式的循環(huán)加載試驗(yàn)，單軸壓縮加載方式，用靜動(dòng)載試驗(yàn)機(jī)上自帶的引伸計(jì)和力傳感器分別測(cè)量加載過(guò)程中試件所受到的荷載和變形。將試驗(yàn)測(cè)定的各個(gè)循環(huán)的力與變形數(shù)據(jù)作圖，即得到相應(yīng)的力與變形滯回曲線。計(jì)算每一個(gè)滯回曲線的面積與滯回曲線對(duì)應(yīng)的三角形面積比值，即為CA砂漿材料的能量耗散系數(shù)。計(jì)算滯回曲線面積的方法為:將滯回曲線按采樣的點(diǎn)分割成很多微小的梯形進(jìn)行面積求和，近似得到滯回曲線的面積。試驗(yàn)中固定每個(gè)周期采集200個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，數(shù)值積分求和的精度能達(dá)到要求。由于加載為單軸壓縮循環(huán)加載方式，制得的試件兩個(gè)測(cè)試面必須保持平整且平行，為此，制件時(shí)采用水泥砂漿的7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm立方體標(biāo)準(zhǔn)模具，保證試件兩個(gè)測(cè)試面的平整性和平行性，同時(shí)還可以避免采用切割或者磨平等處理方式對(duì)試件內(nèi)部造成傷害而增大材料的內(nèi)耗。在測(cè)量時(shí)，為減小測(cè)試面與測(cè)試儀器之間的摩擦阻力的影響，測(cè)試時(shí)試件的兩個(gè)受壓面都進(jìn)行涂油處理。另外，為了確保試件兩受壓面的平行性，在進(jìn)行循環(huán)加載時(shí)，對(duì)試件進(jìn)行預(yù)壓。

2.2 測(cè)量的穩(wěn)定性

對(duì)在循環(huán)加載中CA砂漿的能量耗散系數(shù)試驗(yàn)值的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，考察CA砂漿能量耗散系數(shù)隨加載次數(shù)的變化規(guī)律和隨加載頻率的變化規(guī)律，結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。其中，圖2中加載應(yīng)力為1～6 MPa，1 500次循環(huán)加載，頻率為10 Hz。按照式(1)所測(cè)得的CA砂漿能量耗散系數(shù)會(huì)隨加載周次上下波動(dòng)，但是這種波動(dòng)隨加載次數(shù)沒(méi)有上升或者下降趨勢(shì);圖3中加載應(yīng)力為1～6 MPa，100次循環(huán)加載，可以看出，CA砂漿在1、5和10 Hz的加載頻率下的能量耗散系數(shù)并無(wú)明顯區(qū)別，但CA砂漿的能量耗散系數(shù)試驗(yàn)值隨循環(huán)加載次數(shù)的波動(dòng)性，隨加載頻率的增加而增大。為抵消CA砂漿能量耗散系數(shù)在測(cè)量時(shí)的波動(dòng)，保證各頻率下所測(cè)得的CA砂漿的能量耗散系數(shù)具有真實(shí)性，試驗(yàn)中取加載100次，每次循環(huán)計(jì)算出的能量耗散系數(shù)的平均值作為CA砂漿一次測(cè)量的能量耗散系數(shù);當(dāng)對(duì)比不同配方的CA砂漿的能量耗散系數(shù)時(shí)，為了減小計(jì)算得到的CA砂漿的能量耗散系數(shù)波動(dòng)性，采用的加載頻率為1 Hz。

圖2 CA砂漿能量耗散系數(shù)隨加載次數(shù)的變化Fig.2 Influence of loading times on energy dissipation coefficient of CA mortar

圖3 CA砂漿能量耗散系數(shù)在不同加載頻率下隨加載次數(shù)的變化Fig.3 Influence of loading times on energy dissipation coefficient of CA mortar under different loading frequency

3 CA砂漿能量耗散系數(shù)的影響因素

3.1 加載應(yīng)力幅

CA砂漿的抗壓強(qiáng)度在17.2 MPa，試驗(yàn)時(shí)在小于抗壓強(qiáng)度的情況下，對(duì)試件先后采用不同的加載應(yīng)力幅，得到CA砂漿能量耗散系數(shù)與加載應(yīng)力幅的關(guān)系(圖4，頻率為10 Hz)。由于循環(huán)加載時(shí)是壓縮加載，循環(huán)加載中試件所受的最小壓應(yīng)力為1 MPa。

從圖4看出，CA砂漿能量耗散幾乎不隨加載應(yīng)力幅的變化而變化，保持在13% ～15%。這是由于試驗(yàn)中所加載的應(yīng)力幅均在CA砂漿極限抗壓強(qiáng)度的70%以下，在這種應(yīng)力幅下進(jìn)行幾百次循環(huán)的加載，并未使CA砂漿的內(nèi)部裂紋出現(xiàn)擴(kuò)展，未給CA砂漿材料內(nèi)部造成損傷，因而CA砂漿的能量耗散系數(shù)未發(fā)生變化。換句話說(shuō)，CA砂漿能量耗散不隨加載應(yīng)力幅變化而變化，說(shuō)明不同應(yīng)力作用下CA砂漿的內(nèi)部裂紋和缺陷保持一致，在70%的極限荷載下并未使CA砂漿力學(xué)性能開始屈服。圖5是不同加載力下的荷載與位移的滯回曲線，從曲線也可以看出，隨著加載力的增大，峰谷值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載與位移的割線斜率并沒(méi)有發(fā)生明顯變化，CA砂漿的剛度并未隨著荷載的增大出現(xiàn)退化。高速鐵路運(yùn)營(yíng)中，車輛荷載對(duì)CA砂漿層的作用均遠(yuǎn)低于CA砂漿的極限荷載，因而運(yùn)營(yíng)中CA砂漿的減振性能不會(huì)隨車重的增加出現(xiàn)明顯變化。由于CA砂漿能量耗散系數(shù)與加載應(yīng)力幅關(guān)系不大，以下的試驗(yàn)均采用1～6 MPa的應(yīng)力循環(huán)加載。

圖4 CA砂漿能量耗散系數(shù)與加載應(yīng)力幅的關(guān)系Fig.4 Relation between energy dissipation coefficient of CA mortar and loading stress

圖5 不同荷載下CA砂漿的滯回曲線Fig.5 Hysteretic loop of CA mortar under different loading force

3.2 加載頻率

CA砂漿中包含一定的瀝青相，CA砂漿的減振耗能主要是黏彈性材料的耗能性能，減振性能勢(shì)必受到瀝青性質(zhì)的影響，即具有一定的黏彈性，CA砂漿材料的阻尼特性會(huì)受到加載頻率與加載溫度的影響。但是CA砂漿材料中又含有大量的水泥水化產(chǎn)物，其性質(zhì)必然不同于瀝青與常用的瀝青混合料的性質(zhì)，這使得CA砂漿的減振性能變得較為復(fù)雜。為研究CA砂漿在不同溫度環(huán)境和不同行車速度下減振性能的變化，考察CA砂漿的在不同加載頻率和溫度下的能量耗散系數(shù)。試驗(yàn)條件為:加載頻率0.1、0.5、1、5、10、20 Hz;加載溫度 -20、0、20、40 ℃。不同溫度下CA砂漿的能量耗散系數(shù)隨加載頻率變化規(guī)律如圖6所示。

從圖6看出，在-20～40℃，加載頻率在0.1Hz時(shí)，CA砂漿材料具有較大的能量耗散系數(shù);隨著加載頻率的增加(0.1～1 Hz)，CA砂漿能量耗散系數(shù)大幅度下降;頻率為1～20 Hz時(shí)，CA砂漿的能量耗散系數(shù)無(wú)明顯變化。這是因?yàn)镃A砂漿材料在低頻條件或靜載下(1 Hz以下)表現(xiàn)出一定的黏彈性，加載頻率對(duì)能量耗散系數(shù)影響很大;而當(dāng)加載頻率超過(guò)1 Hz后，CA砂漿的力學(xué)行為主要以彈塑性為主。同時(shí)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)，頻率較低時(shí)有較好的控制精度，結(jié)合CA砂漿的能量耗散系數(shù)隨加載頻率的變化情況，計(jì)算不同配方的CA砂漿的能量耗散系數(shù)時(shí)，加載頻率定為1 Hz。

圖6 CA砂漿能量耗散系數(shù)與加載頻率的關(guān)系Fig.6 Relation between energy dissipation coefficient of CA mortar and loading frequency

3.3 溫度

圖7 CA砂漿能量耗散系數(shù)與溫度的關(guān)系Fig.7 Relation between energy dissipation coefficient of CA mortar and test temperature

繪制不同頻率下CA砂漿的能量耗散系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，可對(duì)列車在溫度環(huán)境變化時(shí)行車舒適性和穩(wěn)定性做出參考分析，結(jié)果見(jiàn)圖7。可以看出，在加載頻率為0.1～20 Hz下，溫度為-20～40℃，CA砂漿能量耗散系數(shù)隨溫度的升高均有一定的增大。因此，瀝青的性質(zhì)對(duì)CA砂漿能量耗散系數(shù)有較大影響。溫度越高，CA砂漿中瀝青相越軟，從而CA砂漿的耗散能力越強(qiáng)。另外，CA砂漿的能量耗散系數(shù)在低頻下比高頻率下隨溫度的變化大，這說(shuō)明瀝青的性質(zhì)對(duì)CA砂漿的低頻性能影響較大。列車運(yùn)行時(shí)對(duì)軌道的沖擊頻率主要集中在10～30 Hz，CA砂漿在較高頻率下較為穩(wěn)定的能量耗散系數(shù)對(duì)列車的振動(dòng)平穩(wěn)性有利。相比瀝青及瀝青混合料的能量耗散特性，CA砂漿的能量耗散系數(shù)隨溫度的變化，并未出現(xiàn)成倍的變化的原因在于，CA砂漿中瀝青的用量較小，瀝青并未能包裹水泥水化產(chǎn)物，CA膠漿并未形成連續(xù)的瀝青膜。從CA砂漿微觀結(jié)構(gòu)(圖8)可以明顯看到有規(guī)則形貌的Ca(OH)2晶體(位置1)、針刺狀的CSH晶體(位置2)及已經(jīng)比較密實(shí)的CSH凝膠(位置3)，并未發(fā)現(xiàn)瀝青的成膜結(jié)構(gòu)。

圖8 CA砂漿微觀結(jié)構(gòu)Fig.8 Microstructure of CA mortar

4 結(jié)論

(1)CA砂漿的能量耗散系數(shù)在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)不隨加載應(yīng)力的變化而變化，即在一定應(yīng)力范圍內(nèi)CA砂漿有穩(wěn)定的減振性能。

(2)由于瀝青具有溫度和加載頻率的敏感性，CA砂漿能量耗散系數(shù)受溫度和加載頻率的影響。CA砂漿能量耗散系數(shù)隨加載頻率的增大先快速降低后變化趨于平緩，拐點(diǎn)頻率為1 Hz;隨著溫度的升高，CA砂漿能量耗散系數(shù)在低頻加載下增大較大，在高頻加載下增大較小。

(3)能量耗散系數(shù)代表了材料的阻尼，根據(jù)CA砂漿能量耗散系數(shù)隨頻率的變化特性，可以采用1 Hz的循環(huán)加載試驗(yàn)測(cè)量和評(píng)價(jià)CA砂漿的阻尼。

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