圍壓對Ⅱ型CA砂漿力學(xué)性能的影響

汪勁豐，張 良，吳 熙，王文浩

(浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058)

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圍壓對Ⅱ型CA砂漿力學(xué)性能的影響

汪勁豐，張 良，吳 熙，王文浩

(浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058)

對不同圍壓下的CRTS-Ⅱ型CA砂漿進行了三軸壓縮試驗，并測定CA砂漿的應(yīng)力應(yīng)變曲線。分析了峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、殘余強度及彈性模量隨圍壓的變化規(guī)律，并對其進行線性擬合。結(jié)果表明，隨著圍壓的增大，應(yīng)力應(yīng)變曲線峰值處逐漸平緩；峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變及殘余強度逐漸變大，彈性模量基本不變；CA砂漿試件破壞時的裂縫與軸線的夾角逐漸增大。

CA砂漿； 圍壓； 應(yīng)力應(yīng)變曲線

1 引 言

隨著高速鐵路的飛速發(fā)展，無砟軌道在鐵道工程中得到廣泛應(yīng)用。相比于有砟軌道，無砟軌道具有平穩(wěn)、舒適、施工便利、后期維護費用低等優(yōu)點[1]。無砟軌道主要由鋼軌、扣件、軌道板、水泥瀝青砂漿墊層、混凝土底座等構(gòu)成[2](如圖1)。其中，水泥瀝青砂漿簡稱CA砂漿，是一種由水泥、乳化瀝青、細骨料、外加劑等材料配制而成的有機-無機復(fù)合材料[3]。由于CA砂漿的彈性模量介于混凝土材料與瀝青材料之間，將其填充于軌道板與混凝土底座之間的空隙，可以起到減緩上部結(jié)構(gòu)的沖擊，調(diào)節(jié)軌道平穩(wěn)性的作用[4-5]。目前我國高速鐵路客運專線的CA砂漿主要分為CRTS-I型CA砂漿和CRTS-Ⅱ型CA砂漿，已經(jīng)運用于京津城際高速鐵路、武廣客運專線、哈大高速鐵路及京廣高速鐵路等，取得良好的社會效益。

圖1 CRTS-Ⅱ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)Fig.1 CRTS-Ⅱ slab ballastless track structure

目前學(xué)者們已經(jīng)對CA砂漿有了系統(tǒng)的研究，大致可以概括分為五個方面：CA砂漿的制備及施工技術(shù)、工作性能、力學(xué)性能、耐久性和CA砂漿的裂化問題。其中，力學(xué)性能是評定材料能否運用到實際工程的基礎(chǔ)，受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。CA砂漿是一種有機無機復(fù)合材料，當(dāng)瀝青含量少時，水泥水化產(chǎn)物和細骨料作為連續(xù)相，瀝青則分散在連續(xù)相中，力學(xué)性能由連續(xù)相決定；當(dāng)瀝青含量高時，瀝青作為連續(xù)相，水泥水化產(chǎn)物和細骨料為分散相，力學(xué)性能主要由分散相的骨架結(jié)構(gòu)決定[6]。根據(jù)目前的研究結(jié)果，影響CA砂漿力學(xué)性能的因素可分為內(nèi)因和外因兩方面。內(nèi)部因素主要是CA砂漿的組成材料和配合比。乳化瀝青與水泥的比值越大，峰值應(yīng)力和彈性模量就越小[7]；砂灰比越大，峰值應(yīng)力越小，彈性模量幾乎不受影響[8]；減水劑含量增加，峰值應(yīng)力則降低，工作性能提高[9]。外部因素主要有施工工藝、溫度、加載速率等。有研究表明，在CA砂漿的制作過程中，材料的添加順序會影響CA砂漿的早期強度，對后期強度影響不大[10]；CA砂漿具有較高的溫度敏感性，在一定范圍內(nèi)溫度降低，CA砂漿的彈性模量和峰值應(yīng)力都會降低，其力學(xué)特性也由韌性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈訹6,11-12]。此外，CA砂漿的彈性模量和峰值應(yīng)力也會隨加載速率的增大而增大，其力學(xué)特性也會由韌性逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈訹13]。

目前針對CA砂漿在單軸受力下的力學(xué)性能研究較多，但是鮮有研究圍壓對砂漿力學(xué)性能的影響。CA砂漿在施工過程中需要做封邊處理工作，因此在高鐵運行期間，CA砂漿層要承受豎直和水平兩方面的擠壓力。汪勁豐[14]等人進行了Ⅰ型CA砂漿在圍壓范圍為0、100、200、400、600KPa下的抗壓性能試驗。試驗結(jié)果表明，圍壓可以有效地限制裂縫的發(fā)展，并提高CA砂漿的彈性模量和峰值應(yīng)力。由于目前還沒有關(guān)于

圍壓對Ⅱ型CA砂漿力學(xué)性能影響的相關(guān)研究，而Ⅱ型CA砂漿在我國高速鐵路中應(yīng)用較廣。因此，研究Ⅱ型CA砂漿在圍壓下的抗壓性能具有深遠的工程意義。

基于上述研究背景，本文研究了低圍壓下Ⅱ型CA砂漿的抗壓性能。采用φ(70.00±0.50)×(140.00± 1.00)mm圓柱形試件，研究不同圍壓(0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6MPa)的作用下，CA砂漿的破壞模式和力學(xué)性能，獲得了在不同圍壓下CA砂漿的應(yīng)力應(yīng)變曲線，總結(jié)了圍壓與CA砂漿的彈性模量、峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變及殘余強度之間的規(guī)律，建立了圍壓與彈性模量、峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變及殘余強度之間的定量關(guān)系式。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

(1)乳化瀝青：主要由瀝青、水、乳化劑以及穩(wěn)定劑組成。本次試驗采用株洲時代材料科技股份有限公司生產(chǎn)的改性陰離子乳化瀝青，固含量為63%；(2)干粉料：主要是由水泥和砂組成，本次試驗所用的干粉料是由安徽萬誠達新型材料有限公司生產(chǎn)的，其質(zhì)量指標(biāo)如表1。(3)消泡劑：DXP-010超強消泡劑；(4)減水劑：聚羧酸系高效減水劑；(5)水：自來水。

參照《客運專線鐵路CRTS-Ⅱ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》，CA砂漿基本配合比如表2。

2.2 試件制作及配合比

CA砂漿采用CA砂漿專用攪拌機配制。首先將乳化瀝青倒入攪拌機以60r/min緩慢攪拌30s，并將消泡劑和減水劑倒入水中攪拌均勻后再倒入攪拌機中，提高攪拌機轉(zhuǎn)速至80r/min，攪拌30s。然后增加轉(zhuǎn)速，并在加速的過程中倒入干粉料，整個過程不超過1分鐘。干粉料加入后提速到260r/min攪拌120s，最后減速至60r/min攪拌60s。將攪拌好的CA砂漿倒入模具中(內(nèi)徑70.00mm、高250mm)，自然養(yǎng)護1天后脫模進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護。28天后，用切割機將試件兩端打磨，制成φ(70.00±0.50)×(140.00±1.00)mm圓柱形試件。

表1 干粉料質(zhì)量指標(biāo)Table 1 Dry powder quality indicators

表2 CA砂漿基本配合比/kg·m-3Table 2 Mix proportions of CA mortar

2.3 試驗方法

將制備好的標(biāo)準(zhǔn)試件上下打磨，兩端平面涂抹一層滑石粉以減少摩擦力對試驗的影響。隨后將其套上橡膠模，放置于GDS三軸試驗儀器上(如圖2，GDS三軸儀主要由壓力室、控制器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和分析系統(tǒng)構(gòu)成。將試件放置于壓力室中，通過水介質(zhì)傳遞圍壓并將其施加在試件上，然后通過軸壓控制器施加軸向壓力)。保持試驗溫度在25℃，先通過油壓式活塞對試件加圍壓，然后以恒定的速率0.1%/min施加軸向荷載，每5s自動采集一次軸向荷載和軸向位移，直至試件破壞。試驗選取7個不同的圍壓進行研究，其值分別為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6MPa。每組圍壓下選取3個試件，取峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、殘余強度及彈性模量(0.3σp～0.5σp的割線斜率，σp是峰值應(yīng)力)的平均值進行分析。

圖2 GDS三軸儀壓力室Fig.2 GDS triaxial pressure chamber 3 結(jié)果與討論

3.1 圍壓對CA砂漿強度的影響

選取7條不同圍壓下CA砂漿的應(yīng)力應(yīng)變曲線(見圖3)。由圖3可以看出，在未達到峰值應(yīng)變前，應(yīng)力應(yīng)變曲線基本呈線性關(guān)系。達到峰值應(yīng)變之后，隨著應(yīng)變的增加，強度迅速下降到一個較低的值，整個過程應(yīng)變變化很小，應(yīng)力降低很多，呈現(xiàn)典型的脆性材料特點。當(dāng)應(yīng)變繼續(xù)增加，應(yīng)力緩慢降低，最終應(yīng)力應(yīng)變曲線逐漸平緩，應(yīng)力不變，應(yīng)變持續(xù)增加，此時已進入了殘余強度階段。比較不同圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著圍壓的增大，峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和殘余強度都在不斷增大，這是因為圍壓降低了裂隙處的應(yīng)力集中，約束了裂縫的開展，增加了CA砂漿的抗壓強度。

圖3 不同圍壓下CA砂漿的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of CA mortar under different confining pressures

圖4 不同圍壓下的峰值應(yīng)力Fig.4 Peak stress of CA mortar under different confining pressures

表3為不同圍壓下的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、殘余強度及彈性模量。圖4至圖7分別為CA砂漿峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、殘余強度及彈性模量與圍壓之間的關(guān)系。通過圖像可以看出，隨著圍壓的增加，CA砂漿的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變及殘余強度均不斷增加，且與圍壓呈近似的線性關(guān)系。由于本次試驗所取的圍壓值相對于峰值應(yīng)力較小，因此彈性模量隨著圍壓的變化較小，規(guī)律不明顯。峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變及殘余強度與圍壓的擬合關(guān)系如式(1)～(3)：

(1)

(2)

σr=5.887σ3+1.495

(3)

其中σΡ為峰值應(yīng)力；εP為峰值應(yīng)變；σr為殘余強度；σ3是圍壓。

圖5 不同圍壓下的峰值應(yīng)變Fig.5 Peak strain of CA mortar under different confining pressures

圖6 不同圍壓下的殘余強度Fig.6 Residual strength of CA mortar under different confining pressures

圖7 不同圍壓下的彈性模量Fig.7 Elastic modulus under different confining pressures

圖8為CA砂漿在不同圍壓下的破壞形態(tài)。通過對其破壞形態(tài)的觀察可以發(fā)現(xiàn)：CA砂漿內(nèi)部存在天然缺陷(微裂縫、氣泡等)。無圍壓時，主軸方向的壓力逐漸變大，側(cè)向應(yīng)變逐漸變大，最終超出CA砂漿的極限拉應(yīng)變值，使得缺陷裂隙沿主軸方向不斷擴展最終形成貫通縫，試件發(fā)生破壞；在低圍壓條件下，圍壓略微減緩裂隙的發(fā)展，隨著主軸方向的壓力增大，試件表面出現(xiàn)斜裂縫，并沿著斜裂縫有剪切錯動和破碎的痕跡；當(dāng)圍壓繼續(xù)增大時，圍壓的約束效應(yīng)增大，裂隙的擴展更加遲緩。在主軸壓力的作用下，斜裂縫與主軸夾角變大，最終發(fā)生剪切破壞。

表3 不同圍壓下CA砂漿的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、殘余 強度及彈性模量Table 3 Peak stress, peak strain, residual strength and elastic modulus of CA mortar under different confining pressures

4 結(jié) 論

本文主要研究了不同圍壓對CRTS-Ⅱ型CA砂漿抗壓性能的影響，對CA砂漿應(yīng)力應(yīng)變曲線、力學(xué)性能和破壞模式的試驗結(jié)果進行分析，得到如下結(jié)論：

1.無圍壓時，CA砂漿的應(yīng)力應(yīng)變曲線有明顯的尖峰，應(yīng)力到達尖峰后迅速下降。隨著圍壓增大，應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值點逐漸平緩，應(yīng)力到達峰值后下降比較緩慢。

2.隨著圍壓的增大，峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變及殘余強度都逐漸增加，彈性模量變化不大。

3.無圍壓時，CA砂漿豎向劈裂破壞。隨著圍壓增大，斜裂縫與主軸夾角逐漸變大，最后發(fā)生剪切破壞。

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Effects of Confining Pressure on Mechanical Behavior of CRTS-Ⅱ CA Mortar

WANG Jinfeng， ZHANG Liang， WU Xi， WANG Wenhao

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

In order to get the stress-strain curve of CRTS-Ⅱ CA mortar, the triaxial compression tests under different confining pressures were conducted. The variation of the peak stress, peak strain, residual strength and elastic modulus under different confining pressures were analyzed, then followed by a linear regression of them. Results show in the following: Along with the increase of confining pressure, the peak of stress-strain curves tends to be gentle, residual strength, peak stress and peak strain increase gradually, and elastic modulus remains unchanged. The angle between crack and axis increases gradually when the CA mortar specimen is destroyed.

CA mortar； confining pressure； stress-strain curve

1673-2812(2017)03-0380-05

2016-03-09；

2016-04-26

國家自然科學(xué)基金資助項目(51578496，51108411)

汪勁豐(1976-)，男，副教授，安徽懷寧人，從事大跨度橋梁結(jié)構(gòu)及材料性能研究。E-mail：wangjinfeng@zju.edu.cn。

TU528

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.03.007