模擬服役條件下CRTS Ⅰ型板式無碴軌道用CA砂漿疲勞性能研究

鄭曙光,章雪峰,羅 偉,毛錦達,孔德玉

(1.浙江工業(yè)大學工程設(shè)計集團有限公司,浙江 杭州 310014; 2.浙江工業(yè)大學建筑工程學院,浙江 杭州 310014；3.浙江省工程結(jié)構(gòu)與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研究重點實驗室,浙江 杭州 310014;4.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院,浙江 杭州 310006)

1 概 述

在高速鐵路工程建設(shè)中,為保證列車高速運行的穩(wěn)定性和安全性,減少軌道維護工作量,國內(nèi)外普遍采用板式無碴軌道,首先在路基上鋪設(shè)混凝土底座,底座上放置預(yù)制軌道板,其間預(yù)留40～50 mm空隙,中間灌注水泥乳化瀝青砂漿(Cement Asphalt Mortar,CA砂漿),固化后可形成兼具一定剛性和彈性的填充墊層,具支承、緩沖、減振和降噪等重要作用,其性能好壞直接影響軌道結(jié)構(gòu)的平順性與耐久性,以及列車運行的舒適性與安全性,是高鐵建設(shè)的關(guān)鍵工程材料之一[1-3]。

目前,國內(nèi)外普遍重視工程結(jié)構(gòu)的耐久性。對于CA砂漿,最值得關(guān)注的是其在高頻振動作用下的抗疲勞性能。國外研究表明[4],當列車速度達到或超過某種臨界速度時,高速列車將誘發(fā)地面波引起軌道結(jié)構(gòu)的強烈高頻振動,其后果是影響列車運行的安全性和舒適性,嚴重時將造成列車脫軌。CA砂漿與軌道板、混凝土底座的固有頻率均明顯不同,這對防止高速列車運行過程中產(chǎn)生共振具有極為重要的作用[5]。因此,CA砂漿是板式無碴軌道結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵組成部分。然而,這種高頻振動對CA砂漿的疲勞劣化作用不容忽視。某工程實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)[6],雖然灌注的CA砂漿常規(guī)性能和抗凍性能滿足要求,但耐久性仍較差,實際運行1～2年后,CA砂漿的彈性模量明顯增大,局部出現(xiàn)碎裂現(xiàn)象。

向俊等[7]研究表明,CA砂漿疲勞劣化除降低其本身的減振、降噪功能外,對板式無碴軌道的動力性能也會產(chǎn)生明顯影響。與CA砂漿正常工作狀態(tài)相比,CA砂漿劣化造成軌道板懸空,會引起軌道板加速度增大10多倍,位移增大20多倍；鋼軌對軌道板的壓力急劇增大；隨運行速度提高,系統(tǒng)其它動力響應(yīng)值也迅速增大,因此,在板式軌道養(yǎng)護維修中,應(yīng)嚴格控制CA砂漿病害。

然而,目前《CRTS Ⅰ型板式無砟軌道用CA砂漿暫行技術(shù)條件》中對Ⅰ型CA砂漿并未提出抗疲勞性能要求。在《CRTS Ⅱ型板式無砟軌道用CA砂漿暫行技術(shù)條件》中,雖然對CA砂漿提出了抗疲勞要求,但其測試方法中,其動態(tài)荷載作用頻率僅為5 Hz。王發(fā)洲等[8]研究了CA 砂漿在不同環(huán)境溫度、不同應(yīng)力水平、正弦波加載條件下的疲勞特性,但其加載頻率也僅為10 Hz。然而,隨列車運行速度增大,高速運行過程中的列車對軌道各結(jié)構(gòu)層會產(chǎn)生強烈的高頻振動,其頻率高達50 Hz以上,因此上述低頻條件下的疲勞測試結(jié)果不能完全反映CA砂漿實際所受高頻振動、荷載與溫濕度環(huán)境耦合作用引起的CA砂漿性能劣化。采用自行研制的高速鐵路板式無碴軌道CA砂漿用抗疲勞實驗裝置[3],研究了CRTS Ⅰ型板式無碴軌道用CA砂漿在高頻振動、荷載以及溫度耦合疲勞作用下的性能劣化及機理。

2 試 驗

2.1 原材料

所用瀝青乳液由湖北國創(chuàng)高科集團有限公司提供,為Ⅰ型CA砂漿專用慢裂快凝型改性陽離子瀝青乳液,恩氏粘度7.8,殘留物含量62.5%,針入度、延度等指標符合要求。所用CA砂漿干粉由武漢奧捷新型建材有限公司提供,膨脹率2.52%,1、7 d和28 d抗壓強度分別為11.7、35.9 MPa和60.2 MPa。所用聚合物乳液由武漢理工大學提供,固含量47.2%(質(zhì)量分數(shù),下同),水泥混合性為0.1%。減水劑為杭州建筑構(gòu)件集團外加劑廠生產(chǎn)的HG-PCA600型聚羧酸高性能減水劑,固含量35%,減水率28%；消泡劑為浙江蘭亭高科集團有限公司提供的有機硅消泡劑。

2.2 CA砂漿配合比與力學性能

實驗用CA砂漿配合比見表1。按表1配合比制備CA砂漿,測試新拌CA砂漿性能,均能滿足《CRTSI型板式無砟軌道用CA砂漿暫行技術(shù)條件》要求。成型Φ50 mm× 50 mm圓柱體CA砂漿試件,標準養(yǎng)護1 m、7d和28 d后,測其抗壓強度和彈性模量,測定結(jié)果見表2,由表2可見,制備得到的CA砂漿力學性能均符合《暫行技術(shù)條件》要求。

表1 CRTS Ⅰ型板式軌道用CA砂漿配比

2.3 疲勞實驗

為模擬CA砂漿實際服役環(huán)境中列車循環(huán)載荷、高頻振動和凍融條件,采用自行研制的高速鐵路板式無碴軌道CA砂漿用抗疲勞實驗裝置進行實驗,見圖1。采用該裝置可進行應(yīng)力控制(Stress Control),溫度控制(Temperature Control)以及振動發(fā)生條件預(yù)先定義的任意振動頻率控制(Vibration Frequency Control),其振動頻率經(jīng)過計算機程序化處理為電子信號,通過垂直振動機來模擬所需的高頻振動。該系統(tǒng)適合于動態(tài)測試,加載模式為應(yīng)力控制方式,先固定初始靜荷載應(yīng)力值,然后以電磁式垂直振動實驗機進行振動,同時可使振動頻率和應(yīng)力保持在一定范圍。該系統(tǒng)除應(yīng)力控制動態(tài)加載外,所有的加載模式都可以通過閉環(huán)反饋電路控制。自動控制系統(tǒng)有兩個控制通道,垂直振動加載和溫度既可以獨立變化,又可以同步進行。采用該裝置能較好地模擬無碴軌道CA砂漿實際服役環(huán)境。

實驗時,按圖1所示安裝試件。實驗裝置參數(shù)設(shè)定：凍融環(huán)境和溫度范圍在-12 ℃到50 ℃之間。由于該裝置制冷時間相對較長,故將制冷時間設(shè)為12 h,制熱時間設(shè)為5 h,使裝置溫度在-12℃和50 ℃各保持4 h,其溫度變化曲線見圖2。加載條件：靜荷載設(shè)定為0.5 kN,對應(yīng)的壓應(yīng)力約為0.25 MPa。振動頻率設(shè)定為0、25、50、75 Hz和100 Hz。實測結(jié)果表明,在不同頻率下振動時,試件承受的動荷載為2.0～2.5 kN。疲勞試驗總時間設(shè)定為180 h。

圖1 CA砂漿疲勞實驗裝置

2.4 力學性能測試

將疲勞試驗后的CA砂漿試塊置于標準養(yǎng)護箱養(yǎng)護24 h后,采用微機伺服萬能材料試驗機測定CA砂漿荷載-位移曲線。同時,測定與疲勞試驗試件相同齡期下標準養(yǎng)護的摻聚合物乳液與未摻聚合物乳液的CA砂漿試件荷載-位移曲線,進一步通過數(shù)據(jù)處理得到不同試驗條件下的CA砂漿應(yīng)力-應(yīng)變曲線,并得到峰值應(yīng)力σp；同時,計算CA砂漿彈性模量,用割線模量來表示,即全曲線中0.3σp-0.5σp對應(yīng)的割線斜率。

圖2 溫度變化曲線

2.5 微觀結(jié)構(gòu)分析

采用Hitachi S-4700掃描電子顯微鏡對疲勞實驗前后的CA砂漿試件進行掃描電鏡分析,并采用Autopore Ⅵ9500壓汞儀對疲勞實驗前后的CA砂漿進行孔隙分布分析。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 疲勞前后應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3所示為標準養(yǎng)護28 d后,摻與不摻聚合物乳液CA砂漿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖3可見,CA砂漿應(yīng)力-應(yīng)變曲線初始斜率偏小,其原因主要是由于試件的兩端平面未完全平整,導(dǎo)致應(yīng)力隨著軸向應(yīng)變的增長較緩慢,當軸向壓縮變形超過不平整的高度時,應(yīng)力就與軸向應(yīng)變呈線性增長。然而,CA砂漿應(yīng)力達峰值后下降較為緩慢,瀝青與水泥所形成的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)顯著改善了砂漿的斷裂韌性,使其不會像普通砂漿那樣在應(yīng)力達峰值后迅速下降,表明模擬服役前CA砂漿具有良好的韌性與延性。同時,可以發(fā)現(xiàn),其他配比相同條件下,摻P乳液CA砂漿模擬服役前強度和彈性模量均比不摻P乳液大,見圖3。

圖3 標準養(yǎng)護28 d的CA砂漿應(yīng)力-應(yīng)變曲線

黏彈性材料力學性能特征之一是具有應(yīng)變率敏感性,這與構(gòu)成其結(jié)構(gòu)的黏壺單元應(yīng)變率響應(yīng)特性有關(guān),因而試件在不同振動頻率下模擬服役其黏壺結(jié)構(gòu)單元特性將發(fā)生變化,表現(xiàn)為服役后材料應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)的改變。圖4為摻P乳液CA砂漿在不同振動頻率下模擬服役后的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。圖5為摻P乳液與不摻P乳液CA砂漿在100 Hz振動頻率下模擬服役后的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。表3為模擬服役后的CA砂漿力學性能。

圖4 不同振動頻率疲勞后CA砂漿應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 摻P乳液對CA砂漿疲勞后應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響(100 Hz)

CA砂漿頻率/Hz應(yīng)力峰值/MPa峰值應(yīng)變/%彈性模量/MPaI-PI-NPStandard curing2.3102.2344.0365.586160.0130.0I-P02.1943.027159.8253.3061.755380.1506.3062.048868.9754.1011.821561.61002.6361.838242.6I-NP1004.0831.087745.7

材料受壓后的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€反映了材料的受壓性能。從圖4可以看出,模擬服役后的CA砂漿受壓的初始階段與標準養(yǎng)護條件類似,應(yīng)力-應(yīng)變均表現(xiàn)為線性關(guān)系,可認為CA砂漿處于彈性階段,但可看出斜率明顯增大；隨軸向壓力增大,CA砂漿內(nèi)部產(chǎn)生非線性變形,應(yīng)力-應(yīng)變曲線在達到峰值后發(fā)生彎曲,與標準養(yǎng)護條件下的CA砂漿相比,曲線下降跌落較快,變形能力差,呈現(xiàn)典型的脆性材料特征。無振動荷載時,即僅凍融循環(huán)時,其模擬服役后的強度和彈性模量與標準養(yǎng)護下相比,有一定程度減小,原因可能是材料內(nèi)部自由水凍融后對材料內(nèi)部產(chǎn)生一定的膨脹應(yīng)力且使內(nèi)部孔隙變大,從而模擬服役后力學性能下降。而當模擬服役期間存在振動時,在中低頻范圍(≤60 Hz)內(nèi),服役后CA砂漿強度相比同期標準養(yǎng)護下由2.600 MPa增至6.306 MPa,彈性模量由160.0 MPa增至868.9 MPa；在高頻范圍(>60 Hz)內(nèi),模擬服役后CA砂漿強度和彈模相比同期標準養(yǎng)護仍有一定程度的增大,但比同期低頻下的增長較少。CA砂漿在模擬服役環(huán)境下,在同時受高頻振動和高溫作用時,材料內(nèi)部多余自由水在高頻振動下滲出,同時乳化瀝青顆?？赡苓w移填充大孔而使材料更加密實；在冷熱交替和反復(fù)持續(xù)加載狀態(tài)下,乳化瀝青逐漸偏硬化[10]；在同時受高頻振動和低溫作用時,因高頻振動材料內(nèi)部自由水未能結(jié)晶。當振動頻率過高,材料疲勞加載次數(shù)更多,材料內(nèi)部損傷累積加快,所以高頻范圍內(nèi)材料性能相比低頻增長不多,甚至可能低于標準養(yǎng)護下強度。

由圖5和表3可見,摻加P乳液可明顯提高CA砂漿的抗疲勞性能,相同疲勞實驗條件下,其彈性模量的增長幅度明顯減小。不摻加P乳液的CA砂漿模擬服役后其彈性模量幾乎為摻加P乳液的3倍,高彈性模量使其逐漸失去其作為彈性調(diào)整層的作用,同時曲線下落較快,其性質(zhì)接近普通砂漿,延性和阻尼下降。這可能是由于未摻加P乳液的CA砂漿在疲勞實驗過程中易發(fā)生瀝青析出現(xiàn)象,而摻P乳液的CA砂漿未發(fā)現(xiàn)此類現(xiàn)象發(fā)生(圖6)。

圖6 摻乳液對CA砂漿疲勞性能的影響

3.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

為揭示I型板式無碴軌道CA砂漿在高低溫、高頻振動疲勞實驗后,強度和彈性模量增大以及韌性和延性降低的原因,本文對振動頻率為50 Hz條件下的疲勞試件,通過SEM顯微觀察和壓汞儀孔隙測試分析了同齡期CA砂漿服役前后微觀結(jié)構(gòu)變化和孔隙結(jié)構(gòu)特征。

圖7 CRTS I型板式無碴軌道用CA砂漿疲勞實驗前后的SEM照片

圖7所示分別為同齡期標準養(yǎng)護和經(jīng)50 Hz疲勞實驗后的CA砂漿掃描電鏡照片。由圖7可見,標準養(yǎng)護下CA砂漿內(nèi)部瀝青與水泥形成膠粘多孔的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),宏觀大孔均為球狀孔,為CA砂漿內(nèi)引氣導(dǎo)致的氣泡；微觀孔隙分布均勻,孔壁無破壞現(xiàn)象。而經(jīng)疲勞實驗后,CA砂漿內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)受荷載與振動疲勞荷載影響明顯較大,內(nèi)部互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)明顯發(fā)生變形,其中的大孔明顯因振動而被破壞,孔壁變形嚴重；微觀結(jié)構(gòu)孔雖然孔壁未發(fā)現(xiàn)明顯破壞現(xiàn)象,但微孔孔隙明顯減小,結(jié)構(gòu)更加密實,表現(xiàn)為服役后強度和彈性模量增大、材料延性和韌性降低；而且大孔中出現(xiàn)因振動而遷移出來的物質(zhì),解釋為高頻振動、高溫階段乳化瀝青沿內(nèi)部孔隙發(fā)生流動,填充大孔結(jié)構(gòu)。

圖8為CA砂漿疲勞測試后和同齡期標準養(yǎng)護孔隙分布對比曲線。由圖8可見,經(jīng)疲勞實驗后,CA砂漿內(nèi)部大于1 000 nm的孔隙體積明顯增大, 50～1 000 nm范圍內(nèi)的孔隙體積則有所增大,小于50 nm的孔隙體積基本不變。可見,CA砂漿在振動疲勞荷載作用后,其中的瀝青在較高溫作用和高頻振動荷載作用下發(fā)生遷移,填充了CA砂漿孔隙,使CA砂漿密實度明顯提高。

圖8 CA砂漿疲勞前后孔隙分布對比

表4所示為經(jīng)疲勞實驗后與同齡期標準養(yǎng)護的CA砂漿試塊孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)。由表4可見,模擬服役后CA砂漿孔隙平均體積明顯小于同齡期標準養(yǎng)護試樣,其平均孔隙直徑也明顯小于標準養(yǎng)護試樣。

表4 孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)

3.3 振動頻率對模擬服役后CA砂漿性能的影響

圖9為模擬服役后CA砂漿抗壓強度和彈性模量與服役期間振動頻率的關(guān)系曲線。從圖9可見,CA砂漿抗壓強度和彈性模量的變化與振動頻率的增加近似呈分段直線關(guān)系,其值隨振動頻率增加而先增大后減小,在頻率為50 Hz的高頻振動疲勞試驗條件下,其彈性模量增長幅度最大。原因目前還不清楚,可能是由于此時CA砂漿的固有頻率約為50 Hz,在此頻率條件下,CA砂漿與設(shè)備發(fā)生共振所致,此時對CA砂漿性能的影響最大,有待進一步研究。

由振動頻率與模擬服役后力學性能的近似分段線性關(guān)系可見,為保證CA砂漿彈性調(diào)整作用和軌道結(jié)構(gòu)運行的安全性,應(yīng)預(yù)先控制軌道結(jié)構(gòu)阻尼分布和質(zhì)量分布以使整個軌道結(jié)構(gòu)的振動頻率控制在一定范圍內(nèi),減小服役期間軌道結(jié)構(gòu)與CA砂漿發(fā)生共振的現(xiàn)象,可以防止CA砂漿發(fā)生疲勞破壞。

圖9 疲勞實驗振動頻率對CA砂漿性能的影響

4 結(jié) 語

I型板式無碴軌道CA砂漿在模擬服役環(huán)境下疲勞實驗后變形能力下降,呈現(xiàn)典型的脆性材料特征,材料延性和韌性降低；服役后CA砂漿抗壓強度和彈性模量的變化與振動頻率的增加近似呈分段直線關(guān)系,其值隨振動頻率先增大后減小。服役環(huán)境中僅有凍融作用下,CA砂漿強度和彈性模量同服役前相比減小。

SEM微觀分析和壓汞孔隙分析,服役后材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,大孔、有害孔減小,小孔、無害孔增加,同時乳化瀝青在振動和高溫下沿大孔遷移使結(jié)構(gòu)更加密實。

摻聚合物乳液可明顯提高CA砂漿的抗疲勞性能,防止其過早失去彈性調(diào)整作用；未摻聚合物乳液的CA砂漿服役后性能更接近普通砂漿。

服役后CA砂漿的強度和彈性模量的增大有利于列車運行時的穩(wěn)定性；同時因材料延性和韌性降低,CA砂漿層逐漸失去彈性阻尼調(diào)整作用,列車振動頻率增大,影響列車運行的舒適性和安全性。