不同浸水歷時(shí)水泥乳化瀝青砂漿動(dòng)態(tài)受壓試驗(yàn)

徐 浩，王 平，孫宏友，曾曉輝，趙坪銳

（1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

水泥乳化瀝青砂漿（CA 砂漿）層是填充于板式軌道軌道板與底座板之間的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)層，主要起支承、傳載、調(diào)整、減振隔振和阻斷裂紋等作用［1－5］，其長期服役性能對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的平順性、耐久性和列車運(yùn)行的安全性、舒適性至關(guān)重要［6］.在實(shí)際運(yùn)營過程中發(fā)現(xiàn)板式軌道的軌道板在溫度梯度作用下發(fā)生翹曲變形，CA 砂漿層與軌道板之間出現(xiàn)縫隙，雨水滲入CA 砂漿充填層；或在列車動(dòng)荷載的作用下界面縫隙中的雨水被壓入CA 砂漿充填層.此時(shí)，CA 砂漿層將長期浸泡在雨水中.為研究水對(duì)CA 砂漿力學(xué)性能的影響，田冬梅等［6］對(duì)不同飽水度的CA 砂漿試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，結(jié)果表明CA 砂漿的抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨飽水度的增加而顯著降低，且抗壓強(qiáng)度降低較大，因此文獻(xiàn)［7］認(rèn)為雨水是引起水泥乳化瀝青砂漿層劣化與失效的主要環(huán)境因素之一.

高速鐵路在其服役過程中，CA 砂漿主要承受列車豎向荷載且處于動(dòng)態(tài)加載過程［8－9］，文獻(xiàn)［10－12］研究了不同加載速率對(duì)CA 砂漿動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，認(rèn)為CA 砂漿的極限抗壓強(qiáng)度、彈性模量及峰值應(yīng)力處應(yīng)變均隨加載速率的增大而提高.然而，當(dāng)水泥乳化瀝青砂漿層長期浸泡于雨水中時(shí)，其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究尚未被報(bào)道.

本文測(cè)試了不同水浸泡時(shí)間、不同應(yīng)變速率下CRTSⅠ型板式軌道CA 砂漿的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€，研究了水浸泡歷時(shí)和加載應(yīng)變速率對(duì)CA 砂漿動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和力學(xué)性能變化機(jī)理進(jìn)行了分析.

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

CA 砂漿干料由水泥、細(xì)砂和其他添加劑等主要成分混合而成，其基本配合比為：m（水泥）∶m（細(xì)砂）∶m（膨脹劑）＝1.0∶2.0∶0.1，其中水泥為P·Ⅱ42.5R硅酸鹽水泥，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的規(guī)定.CA 砂漿干料24h體積膨脹率為2.1%，7d線膨脹率為0.1%，1d抗壓強(qiáng)度為6.89MPa.CA砂漿的配合比為：m（干料）∶m（乳化瀝青）∶m（水）＝1 100∶515∶50，其中乳化瀝青采用CRTSⅠ型板式軌道CA 砂漿專用乳化瀝青，其固含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為62.1%，黏度、針入度、延度等均滿足鐵道部科技基2008［74］《客運(yùn)專線鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》（簡(jiǎn)稱“暫規(guī)”）規(guī)定的要求，相關(guān)主要性能指標(biāo)見表1；拌和水為自來水.新拌CA 砂漿的J型漏斗流下時(shí)間為24s，分離度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.2%.

表1 乳化瀝青的主要性能指標(biāo)Table 1 Properties of emulsified asphalt

1.2 試件制備

按設(shè)定的配合比，先將乳化瀝青和水投入攪拌鍋內(nèi)慢速攪勻，并在攪拌過程中緩慢加入水泥乳化瀝青砂漿干料，加完后快速攪拌3min，再慢速攪拌1min.然后按照“暫規(guī)”規(guī)定的方法測(cè)量新拌CA 砂漿的流動(dòng)度、表觀密度和含氣量，其中CA 砂漿的流動(dòng)度為24s，表觀密度為1 610kg／m3，含氣量為8.2%（體積分?jǐn)?shù)）.同時(shí)，將新拌的CA 砂漿注入尺寸為φ50×50mm 的塑料模具中，成型100個(gè)試件，并將其置于溫度為（23±2）℃，相對(duì)濕度為（65±5）%的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)24h拆模，然后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至28d備用.

1.3 試驗(yàn)

CA 砂漿水浸泡試驗(yàn)：將養(yǎng)護(hù)至28d的CA 砂漿試件放入水箱中浸泡，保持環(huán)境溫度為20℃，浸泡時(shí)間分別為0，7，14，30，60d.

CA 砂漿力學(xué)性能試驗(yàn)：采用WDW 系列微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同浸泡時(shí)間的CA砂漿試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)方法參照文獻(xiàn)［11］，環(huán)境溫度為20 ℃，加載速率為0.03，0.30，3.00，30.00 mm／min，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速率為1×10－5～1×10－2s－1，取1×10－5s－1作為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率.每組取3個(gè)試件進(jìn)行加載試驗(yàn)，若測(cè)試數(shù)據(jù)離散性較大，則增加試件數(shù)量以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性.試件受壓面與加載板之間采用滑石粉進(jìn)行減摩處理.為防止試件表面不平整產(chǎn)生的誤差，正式加載前將試件以0.5 mm／min的速率、0.1 MPa的強(qiáng)度預(yù)壓3次.

2 結(jié)果與討論

2.1 CA 砂漿的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€

CRTSⅠ型板式軌道CA 砂漿的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€如圖1所示.圖1（a）為未經(jīng)過浸水處理，不同應(yīng)變速率下的CA 砂漿應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€.從圖1（a）可知，不同應(yīng)變速率下CA 砂漿的應(yīng)力－應(yīng)變曲線變化明顯，且CA 砂漿的極限抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)力處應(yīng)變均隨應(yīng)變速率的增大而增大.圖1（b）是應(yīng)變速率為1×10－4s－1時(shí)不同浸水時(shí)間下CA 砂漿的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€.由圖1（b）可見，CA 砂漿的極限抗壓強(qiáng)度隨水浸泡時(shí)間的增長逐漸降低，當(dāng)CA 砂漿在水中的浸泡時(shí)間達(dá)到60d時(shí)，其抗壓強(qiáng)度較水浸泡30d的強(qiáng)度大.在應(yīng)力達(dá)到峰值后，CA 砂漿的抗壓強(qiáng)度降低較為緩慢，這是由于瀝青的存在，改善了CA 砂漿的斷裂韌性，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.10時(shí)仍具有一定的承載能力，說明CA 砂漿具有良好的韌性和延展性.

2.2 CA砂漿動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度

表2為不同浸水歷時(shí)、不同應(yīng)變速率下CA 砂漿的單軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度.

圖1 CA 砂漿應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€Fig.1 Stress－strain full curves of CA mortar

表2 不同水浸泡時(shí)間下CA砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度Table 2 Dynamic compressive strengths of CA mortar at different water immersion times

從表2可以看出，在相同的應(yīng)變速率下，CA 砂漿的極限抗壓強(qiáng)度隨水浸泡時(shí)間的增加先減小后增大.在應(yīng)變速率為1×10－5，1×10－4，1×10－3，1×10－2s－1時(shí)，水浸泡7，14，30，60d后CA 砂漿比未經(jīng)過水浸泡試件的平均抗壓強(qiáng)度分別降低了34.85%，37.27%，46.31%，31.47%；32.93%，34.21%，38.65%，16.82%；15.61%，20.05%，21.22%，9.32%；12.22%，15.07%，15.39，－6.03%.從表2可見，CA 砂漿的抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增大而增大，這是由于CA 砂漿破壞時(shí)沿耗能最快的路徑發(fā)展，因此其極限抗壓強(qiáng)度逐漸增大.水泥乳化瀝青砂漿由瀝青包裹水泥水化產(chǎn)物和砂形成骨架結(jié)構(gòu)［13］，水泥水化產(chǎn)物與瀝青或砂子與瀝青之間的黏結(jié)作用導(dǎo)致CA砂漿強(qiáng)度提高.CA 砂漿在水中長時(shí)間浸泡后，水浸入瀝青－水泥相或?yàn)r青－砂子相界面，形成水泥相－水或砂子－水、瀝青－水界面，破壞原來界面的結(jié)合狀態(tài)，削弱界面黏結(jié)力，從而使其強(qiáng)度降低，造成CA 砂漿強(qiáng)度發(fā)生“軟化”現(xiàn)象［6］.另外，CA 砂漿中的瀝青膜浸水軟化，也將削弱界面的黏結(jié)力，使CA 砂漿的強(qiáng)度降低.當(dāng)應(yīng)變速率較小時(shí)，CA 砂漿的破壞將沿著水泥水化產(chǎn)物－瀝青或砂－瀝青的薄弱界面發(fā)展，因此應(yīng)變速率越低，CA砂漿在水的作用下強(qiáng)度降低幅度越大，其最大降低幅度可達(dá)46.31%.

當(dāng)CA 砂漿的水浸泡時(shí)間達(dá)到60d時(shí)，CA 砂漿的抗壓強(qiáng)度又逐漸升高.這是由于浸泡中的CA砂漿其水泥水化仍不斷進(jìn)行，從而提高了CA 砂漿的強(qiáng)度.不同應(yīng)變速率下未浸水與浸水60d的CA砂漿抗壓強(qiáng)度對(duì)比如圖2所示.

圖2 不同應(yīng)變速率下CA 砂漿的抗壓強(qiáng)度Fig.2 Compressive strength of CA mortar at different strain rates

由圖2可見，由于水的“軟化”作用，應(yīng)變速率為1×10－5，1×10－4，1×10－3，1×10－2s－1時(shí)，泡水60d的CA 砂漿與未泡水的CA 砂漿相比，抗壓強(qiáng)度分別降低了47.60%，34.27%，29.72%，25.67%，可見，水對(duì)CA 砂漿的“軟化”作用明顯.

2.3 CA砂漿彈性模量

采用0～1／3抗壓強(qiáng)度處的割線模量作為不同應(yīng)變速率下CA 砂漿的彈性模量［11］.通過對(duì)不同應(yīng)變速率下CA 砂漿的應(yīng)力－應(yīng)變曲線進(jìn)行分析，得到不同水浸泡時(shí)間下的彈性模量如表3所示.

表3 不同水浸泡時(shí)間下CA砂漿的彈性模量Table 3 Elastic modulus of CA mortar with different water immersion times

從表3可見，水浸泡時(shí)間相同時(shí)，CA 砂漿的彈性模量隨著應(yīng)變速率的增加而明顯提高.浸水0，7，14，30，60d后，相對(duì)于應(yīng)變速率為1×10－5s－1時(shí)的彈性模量，當(dāng)應(yīng)變速率為1×10－4，1×10－3，1×10－2s－1時(shí)，CA 砂漿的平均彈性模量分別增加了17.70%，24.56%，46.68%；10.33%，75.82%，102.72%；26.33%，75.95%，102.05%；19.56%，74.46%，151.96%；41.33%，65.42%，145.76%.在相同的應(yīng)變速率下，CA 砂漿的彈性模量也隨著水浸泡的時(shí)間增長先減小后增大，當(dāng)水浸泡14d，應(yīng)變速率從1×10－5s－1增大到1×10－2s－1時(shí)，CA 砂漿的彈性模量分別降低了44.91%，40.87%，22.19%，24.12%.后期CA 砂漿的彈性模量增大也是由于隨著時(shí)間的增加，CA 砂漿內(nèi)產(chǎn)生的水泥水化產(chǎn)物增加所致.

2.4 CA砂漿峰值應(yīng)變

峰值應(yīng)變?yōu)镃A 砂漿峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變.CA砂漿在不同應(yīng)變速率和不同浸水時(shí)間時(shí)的峰值應(yīng)變見表4.

表4 不同水浸泡時(shí)間下CA砂漿的峰值應(yīng)變Table 4 Peak strains of CA mortar at different water immersion times

從表4可見，浸水時(shí)間相同時(shí)，隨著應(yīng)變速率的增加，CA 砂漿的峰值應(yīng)變有增大的趨勢(shì).浸水0，7，14，30，60d后，相對(duì)于應(yīng)變速率1×10－5s－1時(shí)的峰值應(yīng)變，應(yīng)變速率為1×10－2s－1時(shí)的平均峰值應(yīng)變分別增大了37.10%，16.49%，15.54%，11.64%，8.92%.由于CA 砂漿的峰值應(yīng)變由CA 砂漿的彈性應(yīng)變和黏性應(yīng)變組成，隨著應(yīng)變速率的增加，在動(dòng)荷載作用下，瀝青的摻入使CA 砂漿的黏性增大，黏性應(yīng)變效應(yīng)增加，因而導(dǎo)致其峰值應(yīng)變?cè)黾?由于水浸入水泥－瀝青相界面或砂子－瀝青相界面，削弱了CA 砂漿的黏性應(yīng)變，因此隨著水浸泡時(shí)間延長，CA 砂漿的平均峰值應(yīng)變?cè)龃筅厔?shì)減小.由于CA 砂漿在水中浸泡時(shí)一直處于水泥水化過程，而水泥水化又抑制了CA 砂漿的黏性應(yīng)變，因此水浸泡30～60d時(shí)CA 砂漿的峰值應(yīng)變隨應(yīng)變速率的增大呈減小趨勢(shì).

從表4還可見，在相同的應(yīng)變速率下，CA 砂漿的峰值應(yīng)變隨水浸泡時(shí)間的延長先增大后減小.在應(yīng)變速率為1×10－5，1×10－4，1×10－3，1×10－2s－1時(shí)，CA 砂漿在泡水7，14，30，60d后，相比未經(jīng)水浸泡的試件，其平均峰值應(yīng)變分別增大了37.64%，42.33%，25.83%，16.95%；41.55%，28.0%，14.69%，19.29%；24.32%，19.23%，15.64%，1.24%；33.75%，11.92%，－5.78%，6.26%.可見，相對(duì)于不同的應(yīng)變速率，經(jīng)過水浸泡后CA 砂漿的峰值應(yīng)變?cè)黾臃雀螅f明水浸泡對(duì)峰值應(yīng)變的影響大于應(yīng)變速率對(duì)峰值應(yīng)變的影響.這是由于應(yīng)變速率對(duì)峰值應(yīng)變的影響主要是CA 砂漿的黏性，水浸泡后削弱了瀝青與水泥水化產(chǎn)物的黏結(jié)，形成的瀝青－水相界面或水泥水化產(chǎn)物－水界面加劇了CA 砂漿的黏性變形，因此水浸泡對(duì)峰值應(yīng)變的影響大于應(yīng)變速率的影響.

3 結(jié)論

（1）水浸泡歷時(shí)和應(yīng)變速率對(duì)CA 砂漿的力學(xué)性能影響顯著.

（2）隨著應(yīng)變速率的增加，CA 砂漿動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度增大；水浸泡將侵害CA 砂漿中的瀝青－水泥水化產(chǎn)物相界面，同時(shí)瀝青膜浸水軟化，也將削弱CA 砂漿中原來的相界面，使界面黏結(jié)力降低，從而降低CA砂漿的強(qiáng)度，且應(yīng)變速率越低，CA 砂漿的“軟化”現(xiàn)象越明顯，其強(qiáng)度最大降低幅度可達(dá)46.31%.

（3）當(dāng)水浸泡歷時(shí)相同時(shí)，CA 砂漿的彈性模量隨應(yīng)變速率的增大而明顯提高；當(dāng)應(yīng)變速率一定時(shí)，隨著水浸泡時(shí)間的延長，CA 砂漿的彈性模量先減小后增大，其最大降低幅度可達(dá)44.91%.

（4）CA 砂漿的峰值應(yīng)變隨應(yīng)變速率與水浸泡歷時(shí)的增加有增大的趨勢(shì)，且水浸泡歷時(shí)對(duì)CA 砂漿峰值應(yīng)變的影響大于應(yīng)變速率的影響.

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