CRTSⅡ型板式無砟軌道用CA砂漿的溫度疲勞研究

孫宏友，李悅，王平，曾曉輝

(西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

CRTSⅡ型板式無砟軌道用CA砂漿的溫度疲勞研究

孫宏友，李悅，王平，曾曉輝

(西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

CRTSⅡ型板式無砟軌道充填層CA砂漿與軌道板接觸面之間常見脫粘、離縫情況。為探討CA砂漿在溫度疲勞作用下與軌道板脫粘、離縫規(guī)律，采用-20℃到60℃的溫度循環(huán)對試件進行疲勞試驗，并對疲勞后的試件進行微觀結(jié)構(gòu)分析和熱分析。結(jié)果表明:由于瀝青基體在溫度疲勞作用下的遷移、老化、黏性降低，CRTSⅡ型CA砂漿和軌道板混凝土經(jīng)過16次循環(huán)后即出現(xiàn)脫粘，產(chǎn)生裂縫。

CA砂漿 CRTSⅡ型板式無砟軌道 溫度疲勞 離縫

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)軌道板與底座板間的有機—無機復合充填材料，起調(diào)平、吸振、減振的作用，屬板式無砟軌道的關(guān)鍵功能材料［1-4］。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［5］。

在板式無砟軌道施工中，把CA砂漿注入至軌道板與混凝土底座板之間，將二者粘合，起到約束結(jié)構(gòu)變形的作用。但當溫度變化時，各種材料因熱脹冷縮將產(chǎn)生相應變形，若各結(jié)構(gòu)層間溫度膨脹系數(shù)不同，或各功能層存在著溫度梯度，則會導致內(nèi)應力使軌道板發(fā)生翹曲、下部基礎沉降或砂漿破損等［6］，進而引起充填層與軌道板的脫粘與離縫?，F(xiàn)場調(diào)研中發(fā)現(xiàn)離縫現(xiàn)象較為普遍。文獻［7］中提到，CA砂漿的性能受環(huán)境溫度影響較大，環(huán)境溫度越低強度越高，反之強度越低。當軌道板與水泥乳化瀝青砂漿產(chǎn)生離縫后，由于離縫區(qū)域水泥乳化瀝青砂漿對軌道板的黏結(jié)力消失，溫度荷載作用下離縫區(qū)域軌道板的翹曲變形必然增大，一旦變形超過一定的限值，將影響行車的平穩(wěn)性和安全性［6］。

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℃到60℃變化［8-9］，甚至變化范圍更寬，而軌道結(jié)構(gòu)暴露在自然環(huán)境下，有必要研究CRTSⅡ型板式無砟軌道用CA砂漿在熱沖擊作用下的溫度疲勞性能。本文研究了在-20℃到60℃變化的溫度疲勞作用下CRTSⅡ型板式無砟軌道用CA砂漿與軌道板離縫問題。

1 試件材料及試驗方法

1.1 原材料及配置

瀝青乳液為自制慢裂快凝型改性瀝青乳液，固含量質(zhì)量百分比60%，黏度、針入度、延度等均符合“暫行技術(shù)條件”的要求;干料為水泥乳化瀝青專用干料，24 h體積膨脹率2.0%，D5(出機擴展度)和D30(30 min擴展度)分別為210，190 mm，1 d抗壓強度15 MPa，均符合“暫行技術(shù)條件”的要求;水為自來水;消泡劑為有機硅消泡劑;減水劑為聚羧酸系減水劑。每立方米CA砂漿用料的具體配置如表1所示。

表1 CA砂漿原材料配合比kg/m3

1.2 試驗方法

由于CRTSⅡ型軌道板采用強度等級為C55的混凝土構(gòu)件，由工廠化預制生產(chǎn)，所以本文試驗采用與其強度等級相同的φ200 mm×100 mm混凝土試件，在上面澆注厚度為50 mm的CRTSⅡ型CA砂漿層，養(yǎng)護至規(guī)定齡期后，進行溫度疲勞試驗。溫度變化選取按照最極端原則，為-20℃～60℃。先將試件放置在60℃環(huán)境下保溫12 h，然后再將其取出放入-20℃環(huán)境下保溫12 h，肉眼觀察混凝土與CA砂漿界面隨循環(huán)次數(shù)的變化，當界面出現(xiàn)可見裂縫時即停止試驗。溫度疲勞前的試件如圖1所示。

圖1 溫度疲勞前的試件

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 溫度疲勞后CA砂漿的形貌特征

試驗結(jié)果表明，混凝土與CA砂漿界面僅16次循環(huán)后就出現(xiàn)了脫粘、離縫，這與CA砂漿的熱縮效應有關(guān)。與混凝土類材料不同，CA砂漿內(nèi)部含有大量瀝青，由于聚合物在高溫下熔融、卷曲，導致CA砂漿體積不隨溫度的升高而一直增大，而是在某個溫度時，其體積不僅不隨溫度的升高而增大，反而隨溫度的升高還會減少，發(fā)生了高溫收縮。溫度疲勞后混凝土與CA砂漿界面的變化如圖2所示。

2.2 溫度疲勞后CA砂漿的微觀結(jié)構(gòu)變化

圖2 溫度疲勞后混凝土與CA砂漿界面的變化

溫度疲勞前后CRTSⅡ型CA砂漿的微觀結(jié)構(gòu)變化如圖3所示。溫度疲勞前，CRTSⅡ型CA砂漿內(nèi)部孔隙較為粗大，孔隙與基體間的間隙較為明顯。而溫度疲勞后，孔隙與基體逐漸模糊，顯示出溫度循環(huán)過程中基體曾向孔隙移動，由于水泥水化物較硬，在溫度疲勞的作用下不會發(fā)生移動，因此這種移動與高溫下軟化的瀝青基體有關(guān)。由于生產(chǎn)乳化瀝青用基質(zhì)瀝青的軟化點僅為50℃左右，在高溫下瀝青基體會發(fā)生軟化與熔融。如圖3中看到的，由于黏性瀝青在毛細管力的驅(qū)動下往孔隙中遷移的原因，隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加CRTSⅡ型板式無砟軌道用CA砂漿中的氣孔體積所占的比重逐漸減小(孔隙率降低)。這種高溫下的毛細作用力同時也導致CA砂漿出現(xiàn)高溫熱縮現(xiàn)象，而界面處瀝青基體的遷移最終導致了CA砂漿與混凝土脫粘、離縫。

2.3 溫度疲勞后CA砂漿的熱分析

溫度疲勞前后CA砂漿的熱分析如圖4所示。300℃～400℃失重與放熱和瀝青的分解、蒸發(fā)與氧化有關(guān)，450℃的峰與Ca(OH)2分解有關(guān)，650℃～750℃的峰與CaCO3的分解有關(guān)。在經(jīng)過溫度循環(huán)后，CA砂漿在300℃～400℃的失重與放熱峰面積減小，這與瀝青的揮發(fā)和老化有關(guān)。盡管循環(huán)溫度僅為-20℃～60℃，但由于CA砂漿內(nèi)部瀝青膜較薄、較細小，因此較易出現(xiàn)老化，進而使得脆性增加、黏結(jié)力降低，最終導致了CA砂漿與混凝土脫粘、離縫。

圖3 溫度疲勞前后CRTSⅡ型CA砂漿的微觀結(jié)構(gòu)變化

圖4 溫度疲勞前后CRTSⅡ型CA砂漿熱分析

3 結(jié)論

上述研究結(jié)果表明，溫度疲勞將對CRTSⅡ型板式無砟軌道的耐久性產(chǎn)生較大影響，在-20℃～60℃的熱沖擊下，CRTSⅡ型CA砂漿和混凝土經(jīng)過16次循環(huán)后即出現(xiàn)脫粘，產(chǎn)生裂縫，這也與現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果相符。今后若從結(jié)構(gòu)以及材料角度提升CRTSⅡ型板式無砟軌道耐久性，應將改進CA砂漿的溫度效應作為工作的重點。

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［2］金守華，陳秀方，楊軍.板式無碴軌道用CA砂漿的關(guān)鍵技術(shù)［J］.中國鐵道科學，2006，27(2):20-25.

［3］曾曉輝.水泥乳化瀝青砂漿材料特性與充填層施工質(zhì)量控制研究［D］.長沙:中南大學，2010.

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［5］田冬梅，元強，朱蓉，等.水對水泥乳化瀝青砂漿靜態(tài)力學性能的影響［J］.硅酸鹽學報，2012，40(11):1544-1551.

［6］王濤.高速板式無碴軌道CA砂漿的研究與應用［D］.武漢:武漢理工大學，2008.

［7］徐浩，劉霄，徐金輝，等.溫度作用下軌道板與CA砂漿離縫對CRTSⅡ型板式軌道的影響分析［J］.鐵道標準設計，2013 (9):9-12.

［8］張銳.考慮極端氣候的季凍區(qū)道路結(jié)構(gòu)溫度場分布規(guī)律研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2012.

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Research temperature fatigue of CA mortar used for CRTSⅡslab-type ballastless track

SUN Hongyou，LI yue，WANG Ping，ZENG Xiaohui
(School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

T here are common debonding phenomenon between the track slab surface and CA mortar in CRT SⅡslab-type ballastless track filling layer.In order to explore the discipline of debonding between the slab and CA mortar under the effect of temperature fatigue，the fatigue test was carried out on the test pieces by using-20℃to 60℃temperature cycle，microstructure analysis and thermal analysis was performed for test pieces after fatigue test. T he research results showed that debonding between the slab concrete and CA mortar appears after 16 times cycle as the migration，aging and viscosity decrease of asphalt matrix under the effect of temperature fatigue.

CA mortar;CRT SⅡslab-type ballastless track;T emperature fatigue;Debonding

U213.2+42

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.37

1003-1995(2015)02-0134-03

(責任審編孟慶伶)

2014-05-19;

2014-09-26

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(2682013CX043)

孫宏友(1988—)，男，河北秦皇島人，碩士研究生。