不同浸水歷時及溫度對CA砂漿力學(xué)性能的影響研究

李　悅,孫宏友,曾曉輝,王　平

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 成都　610031)

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不同浸水歷時及溫度對CA砂漿力學(xué)性能的影響研究

李悅,孫宏友,曾曉輝,王平

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 成都610031)

摘要：隨著我國高速鐵路的持續(xù)建設(shè)和投入運營, CA砂漿充填層不斷出現(xiàn)破壞,經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),充填層的破壞多與水有關(guān)。將CRTSⅠ型CA砂漿浸泡在5、20、40 ℃和60 ℃的恒溫清水中,當(dāng)浸泡到7、28 d和90 d時,用萬能試驗機做單軸壓縮試驗,分析其力學(xué)性能變化和破壞機理。結(jié)果表明：隨浸泡時間增加, CA砂漿的抗壓強度和彈性模量均逐漸降低,并且在前28 d下降速度快,幅度大,原因歸結(jié)于 CA砂漿在前28 d吸水基本飽和,后期吸水較少；隨浸泡溫度的升高,浸泡7 d的CA砂漿,與浸泡28 d和90 d的相比,彈性模量表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律,分析原因,在浸泡早期,硬化漿體中未水化水泥顆粒遇水繼續(xù)水化起主要作用,隨浸泡時間增長,水對瀝青-水泥水化產(chǎn)物界面和瀝青-砂界面黏結(jié)力的破壞發(fā)揮主導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：CA砂漿；浸泡；溫度；力學(xué)性能

水泥乳化瀝青砂漿(cement and emulsified asphalt mortar，CA砂漿)是高速鐵路板式無砟軌道系統(tǒng)軌道板與底板間的有機-無機復(fù)合充填材料，起調(diào)平、吸振、減振的作用，是板式無砟軌道的關(guān)鍵功能材料[1-6]。其長期服役性能對軌道結(jié)構(gòu)的平順性、耐久性和列車運行的安全性、舒適性至關(guān)重要[7-8]。

為滿足CA砂漿充填層抗凍性和耐候性的要求，《水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》規(guī)定，CRTSⅠ型CA砂漿的含氣量控制在8%～12%[9]，硬化砂漿內(nèi)部存在很多毛細孔和微小氣泡，毛細孔形成連通的孔隙網(wǎng)絡(luò)，CRTSⅠ型板式無砟軌道砂漿充填層采用灌注袋法施工，軌道板與砂漿充填層之間黏結(jié)力很弱，很容易在翹曲應(yīng)力作用下產(chǎn)生離縫，當(dāng)雨水進入裂縫時，會在毛細吸水作用和列車動荷載作用下浸入到砂漿充填層中，此時CA砂漿充填層將長期處在雨水浸泡環(huán)境中，而實際調(diào)研表明，無砟軌道CA砂漿充填層的劣化與失效大多與水作用有關(guān)[10]。我國幅員遼闊，地域之間氣候差異巨大，粗略統(tǒng)計，地表溫度從-20～60 ℃變化[11-13]，甚至變化范圍更寬，而軌道結(jié)構(gòu)暴露在自然環(huán)境下，不同地區(qū)CA砂漿充填層的溫度存在巨大差異，而關(guān)于CA砂漿長期處于不同溫度雨水浸泡的研究未見報道。

本文對不同浸泡時間、浸泡溫度的CRTSⅠ型CA砂漿進行了單軸壓縮試驗，研究了抗壓強度和彈性模量的變化規(guī)律，并對力學(xué)性能的變化機理進行理論分析。

1原材料及試驗

1.1原材料及配合比

水泥乳化瀝青專用干料：24 h體積膨脹率2.0%，7 d線長度膨脹率0.1%，1 d抗壓強度7.4 MPa，均合乎“暫行技術(shù)條件”的要求。

乳化瀝青：陽離子乳化瀝青，固含量60.1%，黏度、針入度、延度等均合乎“暫行技術(shù)條件”的要求。

聚合物乳液：合肥嘉得力化工有限公司，相關(guān)性能指標(biāo)合乎“暫行技術(shù)條件”的要求。

水：自來水。

消泡劑：有機硅消泡劑。

CA砂漿原材料的具體配合比如表1所示。

表1　CA砂漿原材料配合比

1.2試塊制作

第一步，將不同粒徑砂、水泥、膨脹劑和鋁粉按比例稱重，攪拌均勻作為干料；第二步，將乳化瀝青、聚合物乳液、水、消泡劑液體組分按配合比稱重，倒入攪拌容器中；第三步，打開攪拌機，邊攪拌邊加入干料，干料添加完畢后再攪拌2 min；第四步，觀察CA砂漿液體狀態(tài)，如果狀態(tài)良好，按“暫行技術(shù)條件”給定方法，測量含氣量、流動度等性能指標(biāo)；第五步，將CA砂漿液體倒入φ50 mm×50 mm的塑料模具中，24 h后拆掉模具，將試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下(20±3 ℃，65±5%RH)養(yǎng)護28 d。

1.3試驗

將養(yǎng)護28 d的試塊浸泡在水中，5 ℃水溫用冰箱控制，20 ℃放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室內(nèi)，40 ℃和60 ℃水溫采用水浴鍋控制。達到浸泡天數(shù)時，每種浸泡水溫和對比樣試塊各取3個，采用WDW系列微機控制萬能材料試驗機進行單軸壓縮試驗，加載速率為1 mm/min。在試塊上下表面涂抹滑石粉，以減小接觸面摩擦力對試驗的影響。為消除表面不平整的影響，按“暫行技術(shù)條件”給定方法，正式加載前對試件進行3次預(yù)加載，預(yù)加載大小為抗壓強度0.1 MPa。

2結(jié)果及討論

2.1抗壓強度

表2為CRTSⅠ型CA砂漿在不同浸水歷時和浸水溫度作用下的抗壓強度，圖1反映了CA砂漿的相對抗壓強度的變化趨勢。

表2　不同浸水歷時和溫度條件下CA砂漿的抗壓強度

圖1　CRTSⅠ型CA砂漿相對抗壓強度隨浸泡時間與水溫的變化

由于CA砂漿試塊中存在未水化的水泥顆粒，水化反應(yīng)還在持續(xù)進行，試塊抗壓強度隨時間還在提高，因此采用相對抗壓強度(試驗樣抗壓強度/對比樣抗壓強度)的表示方法描述CA砂漿抗壓強度的變化更合理。從圖1(a)可知，隨著浸泡天數(shù)增加，各個浸泡溫度下的CA砂漿相對抗壓強度均明顯降低，浸泡達到90 d時，5、20、40 ℃和60 ℃浸泡溫度下抗壓強度降幅分別為46.8%、49.8%、53.1%和57.7%，尤其在前28 d降低速度快，歸結(jié)于CA砂漿在前28 d吸水基本飽和，后期吸水減少所致；從圖1(b)可以看出，相同浸泡天數(shù)，隨浸泡溫度的升高，CA砂漿的相對抗壓強度逐漸降低。

CA砂漿的硬化是乳化瀝青破乳成膜和水泥水化同時發(fā)生的過程，水泥水化反應(yīng)不斷消耗水分，發(fā)出熱量，促使乳液中的瀝青顆粒首先膠結(jié)成連續(xù)的瀝青膜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，水泥水化產(chǎn)物、未水化的水泥顆粒和砂不斷填充到瀝青網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，或者說瀝青膜把水泥水化產(chǎn)物等無機相黏結(jié)在一起，最終形成硬化的CA砂漿[14-15]。使用陽離子乳化瀝青制備的CRTSⅠ型CA砂漿，由于硬化過程中乳化劑的作用，瀝青膜與無機相之間黏結(jié)力較強，在水浸泡作用下，瀝青膜發(fā)生軟化，有機-無機界面的黏結(jié)力遭到破壞，使得CA砂漿的抗壓強度和彈性模量大幅降低。

2.2彈性模量

表3為CRTSⅠ型CA砂漿在不同浸水歷時和浸水溫度條件下的彈性模量平均值，圖2反應(yīng)了CA砂漿的彈性模量的變化趨勢。

表3　不同浸水歷時和溫度條件下CA砂漿的彈性模量平均值

圖2　CRTSⅠ型CA砂漿彈性模量隨浸泡時間與水溫的變化

CRTSⅠ型CA砂漿彈性模量隨浸泡時間和浸泡水溫的變化如圖2所示。從圖2(a)可以看出，隨浸泡天數(shù)的增加，各個浸泡溫度的CA砂漿彈性模量均明顯減小，浸泡達到90 d時，5、20、40 ℃和60 ℃浸泡溫度下彈性模量降幅分別為52.2%、54.9%、57.9%和61.2%，且基本在前28 d完成，與抗壓強度的變化趨勢大體相同；從圖2(b)可以看出，浸泡28 d和90 d的試塊，隨浸泡溫度升高，彈性模量逐漸減小，但浸泡7 d試塊的彈性模量隨浸泡溫度升高先增加后減小，此現(xiàn)象與浸泡早期的兩方面作用有關(guān)：一方面高溫加速未水化水泥顆粒的水化反應(yīng)，使由砂漿的剛性基體得到加強；另一方面，CA砂漿瀝青膜和無機相界面之間的黏結(jié)作用對CA砂漿的力學(xué)性能起關(guān)鍵作用，而高溫促進水的擴散，加速對界面間黏結(jié)作用的破壞，導(dǎo)致力學(xué)性能下降。而浸泡28 d后，水對瀝青膜的軟化和對界面黏結(jié)力的破壞發(fā)揮主導(dǎo)作用，而水溫越高越加速這種破壞，使得彈性模量隨水溫升高而逐漸降低。

3結(jié)論

(1)在不同溫度水的浸泡作用下，CRTSⅠ型CA砂漿的抗壓強度和彈性模量均有大幅度降低。

(2)隨浸泡天數(shù)的增加，CA砂漿的抗壓強度和彈性模量均逐漸降低，尤其在前28 d，降低速度快、幅度大，原因歸結(jié)于CA砂漿的吸水特性，前28 d吸水基本達到飽和，后期則吸水較少。

(3)浸泡超過28 d的 CA砂漿，彈性模量隨水溫升高逐漸減小，但浸泡7 d的CA砂漿卻先升高后減小，此種現(xiàn)象與兩方面作用有關(guān)：一方面高溫加速未水化水泥顆粒的繼續(xù)水化；另一方面高溫加速水的擴散，使瀝青軟化，同時破壞瀝青膜與無機相界面間的黏結(jié)作用。

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Study of the Effects of Water Immersion and Temperature on Mechanical Properties of CA MortarLi Yue, Sun Hong-you, Zeng Xiao-hui, Wang Ping

(School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract：With the continued construction and operation of high-speed railway in China, the frequent destruction of CA mortar filling layer occurs, which is closely related to water as indicated in the research. The uniaxial compression test is carried out with a electronic universal test machine when CRTS(china railway track system)typeⅠcement asphalt mortar (CA) specimens are immersed in water at the temperature of 5, 20, 40 ℃ and 60 ℃ for 7 d, 28 d and 90 d to analyze the changes of mechanical properties and mechanism of destruction. The test results show that with the increase of soaking time the pressure strength and elasticity modulus of CA mortar are reduced gradually, and tend to be faster with great amplitude specifically during the preceding 28 d. The reason is that during the preceding 28 d, CA mortar is saturated with water almost completely and absorbs a little afterwards. Compared with CA specimens soaked for 28 d and 90 d, the elasticity modulus of those soaked for 7 d change irregularly. The reasons which lead to this phenomenon are: in the early stage, the hydration reaction of cement continues in the water where the cement grain not hydrated in the hardened mortar meets with water; with increased soaking time, the destruction of asphalt-cement hydration interface and asphalt-sand interface is caused mainly by water.

Key words：CA mortar; Immersion; Temperature; Mechanical property

中圖分類號：U213.2+44; U214.01

文獻標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.010

文章編號：1004-2954(2015)02-0040-03

作者簡介：李悅(1988—)，男，碩士研究生，E-mail：870289294@qq.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金(51208439)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2682013CX043)

收稿日期：2014-03-27； 修回日期：2014-06-07