長期荷載作用下水泥乳化瀝青砂漿的徐變特性

宋 昊， 曾曉輝， 謝友均， 龍廣成， 傅 強(qiáng)

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410075； 2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710055)

水泥乳化瀝青砂漿(CA砂漿)是板式無砟軌道的關(guān)鍵工程材料，起支撐、調(diào)平、傳遞荷載、協(xié)調(diào)變形以及阻斷裂紋等重要作用，對高速列車的安全、穩(wěn)定、舒適運(yùn)營有嚴(yán)重影響．基于中國軌道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，中國研制了適應(yīng)中國鐵路軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)(CRTS)的Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿．現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果表明，部分早期的CA砂漿充填層在運(yùn)營后出現(xiàn)脫空、離縫、積水、翻漿、開裂和碎裂等劣化現(xiàn)象，這一方面與溫變、路基沉降等導(dǎo)致的軌道結(jié)構(gòu)變形有關(guān)，另一方面也與充填層材料自身在服役環(huán)境下耐久性不足有關(guān)，而長期荷載作用下的不可恢復(fù)變形是其中關(guān)鍵因素之一[1-3]．因此，研究CA砂漿的徐變及其機(jī)理有十分重要的意義．

作為一種有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料，CA砂漿的徐變影響因素較多，機(jī)理復(fù)雜．Xie等[4]研究了加載時(shí)間為100d左右的CA砂漿徐變，發(fā)現(xiàn)CA砂漿的徐變表現(xiàn)出階段性，Ⅰ型CA砂漿的徐變高于Ⅱ型CA砂漿，并基于熱力學(xué)理論建立了CA砂漿徐變方程，推導(dǎo)出CA砂漿長期荷載限值為其極限抗壓強(qiáng)度的40%．彭濤等[5]研究了CA砂漿在不同圍壓條件下短時(shí)間內(nèi)的徐變，并基于徐變類型構(gòu)建了CA砂漿的徐變模型，研究表明CA砂漿徐變大小隨瀝青(A)與水泥(C)質(zhì)量比的增加而增大，較大瀝灰比(mA/mC)的CA砂漿適合于對數(shù)型徐變模型，而在較小圍壓下，冪函數(shù)型模型擬合精度更高．周錫玲等[6]發(fā)現(xiàn)長期、反復(fù)的溫濕度變化將導(dǎo)致CA砂漿產(chǎn)生不可恢復(fù)變形．由于材料徐變是一個(gè)長期過程，而目前尚無加載時(shí)間為3a以上CA砂漿徐變特性的報(bào)導(dǎo)，因此研究其長期荷載作用下的徐變十分必要．

本文測試了Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿在加載時(shí)間為3a時(shí)的徐變，分析了應(yīng)力水平對其徐變的影響，并結(jié)合掃描電子顯微鏡和孔隙結(jié)構(gòu)等試驗(yàn)結(jié)果，探討了其徐變機(jī)理．

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

采用安徽中鐵工程材料科技有限公司提供的Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿專用干粉料，由水泥、細(xì)砂及其他外加劑組成，其中的水泥含量1)分別為33%、36%.2類CA砂漿的24h體積膨脹率分別為2.10%、1.25%，1d抗壓強(qiáng)度分別為6.89、13.15MPa．

1)文中涉及的含量、比值等除特別說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.

型CA砂漿采用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性陽離子乳化瀝青，Ⅱ型CA砂漿采用陰離子乳化瀝青.2類CA砂漿的瀝灰比分別為0.85、0.30；水灰比分別為0.78、0.50；消泡劑摻量約為0.05g/L.其物理性能見表1；主要性能見表2．

表1 乳化瀝青的物理性能

表2 CA砂漿的主要性能

Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿的配合比與主要性能如表2所示．新拌CA砂漿的各項(xiàng)性能分別滿足《客運(yùn)專線鐵路CRTS Ⅰ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》[7]和《客運(yùn)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》[8]的規(guī)定．

1.2 試驗(yàn)方法

將乳化瀝青和水倒入攪拌鍋中慢攪1min，在前30s內(nèi)，加入適量(約0.05g/L)消泡劑以消除攪拌過程中產(chǎn)生的較大氣泡；在后30s內(nèi)，將干粉料緩慢加入攪拌鍋中．投料結(jié)束后，快速攪拌砂漿2min，最后再慢速攪拌約30s，以消除大氣泡．?dāng)嚢杞Y(jié)束后，測試CA砂漿流動度、含氣量和表觀密度．測試完成后，將砂漿灌入φ100×150mm試模，1d 后拆模，并將試件放入 (23±2)℃，相對濕度(65±5)%的環(huán)境箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)．

在1mm/min的加載速度下測試CA砂漿的 56d 抗壓強(qiáng)度，得出Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿的抗壓強(qiáng)度分別為1.99、 5.26MPa．徐變測試裝置如圖1所示.分別采用抗壓強(qiáng)度的10%、20%、30%、40%、50%作為設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行CA砂漿徐變試驗(yàn)，即應(yīng)力水平為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5.徐變測試裝置通過千斤頂施加縱向荷載，通過底部可壓縮彈簧穩(wěn)定荷載，采用測力環(huán)讀取荷載值，當(dāng)荷載達(dá)到設(shè)定的徐變荷載時(shí)，通過調(diào)整螺母以保持荷載在±2%范圍內(nèi).徐變變形通過千分表讀取，千分表插頭預(yù)先埋入試件中．每組測試3個(gè)試件，結(jié)果取平均值，同時(shí)測試CA砂漿同條件收縮變形，以補(bǔ)償實(shí)際徐變值．

圖1 CA砂漿徐變測試裝置Fig.1 Creep experiment of CA mortar

當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)荷載時(shí)，立即讀取CA砂漿變形值作為瞬時(shí)變形．在開始1h內(nèi)，每隔20min采集1次數(shù)據(jù)，之后每隔1h采集1次數(shù)據(jù)，12h后每隔6h采集1次數(shù)據(jù)，7d后每隔12h采集1次數(shù)據(jù)，當(dāng)變形速率較穩(wěn)定時(shí)，每隔24或48h采集1次數(shù)據(jù)．加載至 960d 左右進(jìn)行卸載，卸載完后，立即讀取CA砂漿瞬時(shí)變形恢復(fù)值，并每隔2h采集1次數(shù)據(jù)，在變形較穩(wěn)定時(shí)每隔24h采集1次數(shù)據(jù)，最后對卸載后的CA砂漿試件進(jìn)行力學(xué)性能測試、壓汞測試和掃描電子顯微鏡(SEM)分析．本文采用文獻(xiàn)[9]中的C40普通混凝土進(jìn)行對比分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 CA砂漿的徐變分析

不同應(yīng)力水平下Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿的徐變曲線如圖2所示．由圖2可見：CA砂漿的徐變以及徐變速度均遠(yuǎn)大于普通混凝土，應(yīng)力水平越高時(shí)越明顯；當(dāng)應(yīng)力水平為0.3時(shí)，Ⅰ型CA砂漿的10d徐變?yōu)?400μm/m，Ⅱ型CA砂漿的10d徐變?yōu)?1000μm/m，而普通混凝土徐變?yōu)?00μm/m；但當(dāng)應(yīng)力水平達(dá)到0.5時(shí)，Ⅰ型CA砂漿的10d徐變?yōu)?000μm/m，Ⅱ型CA砂漿在10d時(shí)就已經(jīng)破壞，而普通混凝土的10d徐變僅為1300μm/m，即CA砂漿早期徐變速度為普通混凝土的3～4倍． 圖2 中CA砂漿徐變大體可分為3個(gè)階段：早期快速增長階段、中期穩(wěn)定增長階段、后期緩慢增長階段．早期Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿的徐變均迅速增加， 10d 徐變達(dá)到3a徐變的近50%；中期Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿的徐變也穩(wěn)定增長，300d徐變達(dá)到3a徐變的近90%；而后期Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿的徐變增加較小．在較低應(yīng)力水平下，CA砂漿的徐變在300d左右基本不再增長，而應(yīng)力水平較高時(shí)，CA砂漿徐變在后期仍有增加，這在Ⅰ型CA砂漿上尤為明顯．相對于徐變變形，徐變恢復(fù)進(jìn)入穩(wěn)定的時(shí)間要短很多，在28d左右就基本保持不變．

圖2 CA砂漿的徐變曲線Fig.2 Creep curves of CA mortar

CA砂漿徐變與應(yīng)力水平的關(guān)系如圖3所示，不同應(yīng)力水平下CA砂漿的徐變及徐變恢復(fù)如 表3、4所示.由圖3可見：CA砂漿的總徐變隨應(yīng)力水平呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系增長，且對于Ⅱ型CA砂漿，當(dāng)應(yīng)力水平為0.5時(shí)，在持續(xù)荷載作用下短期內(nèi)即發(fā)生開裂與失效，Ⅱ型CA砂漿的長期承載力僅為其抗壓強(qiáng)度的40%左右．由表3、4可見：應(yīng)力水平越高，CA砂漿各個(gè)階段的徐變越大，不可逆徐變占比越高，徐變恢復(fù)與徐變的比值越低，這反映出由徐變導(dǎo)致的內(nèi)部傷損增多；在應(yīng)力水平較低時(shí)，Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿的加載瞬時(shí)應(yīng)變和瞬時(shí)應(yīng)變恢復(fù)比較接近，隨著應(yīng)力水平的增大，Ⅰ型CA砂漿的加載瞬時(shí)應(yīng)變比Ⅱ型增加的幅度更大；同時(shí)，Ⅰ型CA砂漿的加載瞬時(shí)應(yīng)變和瞬時(shí)應(yīng)變恢復(fù)的差值越來越大，Ⅱ型CA砂漿相對較?。划?dāng)應(yīng)力水平為0.3時(shí)，Ⅰ型CA砂漿的加載瞬時(shí)應(yīng)變?yōu)?06μm/m，Ⅱ型CA砂漿為 496μm/m，更接近于普通混凝土的488μm/m，Ⅰ型CA砂漿的瞬時(shí)應(yīng)變恢復(fù)為450μm/m，Ⅱ型CA砂漿為 464μm/m，與普通混凝土的460μm/m差不多．

圖3 CA砂漿徐變與應(yīng)力水平的關(guān)系Fig.3 Relationship between creep of CA mortar and stress level

由表3、4還可知：與Ⅰ型CA砂漿相比，Ⅱ型CA砂漿的徐變變形值和不可逆徐變都略小，但其徐變對應(yīng)力水平更為敏感，徐變隨應(yīng)力水平增加的幅度更大.當(dāng)應(yīng)力水平由0.1提高至0.4時(shí)，Ⅱ型CA砂漿的徐變增加了9.5倍，Ⅰ型CA砂漿徐變增加了5.8倍，而普通混凝土只增加了3倍左右[10]，且應(yīng)力水平在0.4以下時(shí)，其徐變和應(yīng)力比呈線性關(guān)系．當(dāng)應(yīng)力水平為0.5時(shí)，Ⅱ型CA砂漿出現(xiàn)了徐變破壞，這表明其所能承受的長期荷載僅為0.4倍極限應(yīng)力，遠(yuǎn)小于普通混凝土的0.75[11]．Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿的徐變恢復(fù)分別是其徐變的3%～10%、6%～14%，而普通混凝土的徐變恢復(fù)是徐變的 5%～ 15%[12]，甚至可能達(dá)到15%～50%[13]．CA砂漿中瀝青的主要組分為芳香分，提供了很好的塑性，使瀝青在荷載作用下產(chǎn)生的變形大部分不能恢復(fù)[14]，因此CA砂漿的可恢復(fù)徐變的較小，瀝青含量較多的Ⅰ型CA砂漿的可恢復(fù)徐變最少，且應(yīng)力水平越大，瀝青的塑性變形越大，CA砂漿的可恢復(fù)變形越少．

表3 Ⅰ型CA砂漿的徐變及徐變恢復(fù)

表4 Ⅱ型CA砂漿的徐變及徐變恢復(fù)

2.2 CA砂漿徐變度分析

徐變度是單位應(yīng)力作用下的徐變變形，可表征材料的變形能力[15]．不同應(yīng)力水平下Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿的徐變以及徐變恢復(fù)的徐變度曲線如 圖4、5所示．

由圖4可見：在徐變階段，應(yīng)力水平為0.3時(shí)，Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿在120d的徐變度分別為3800、 200μm/(m·MPa)，而普通混凝土徐變度僅為 64μm/(m·MPa)，只有Ⅰ型CA砂漿的1/59.由 圖5 可見：在徐變恢復(fù)階段，應(yīng)力水平為0.3時(shí)，Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿的徐變度分別為350、55μm/ (m·MPa)，而普通混凝土徐變度為5μm/(m·MPa)，僅為Ⅰ型CA砂漿的1/70．CA砂漿徐變變形階段及恢復(fù)階段的徐變度均遠(yuǎn)大于普通混凝土的徐變度，說明CA砂漿的變形能力遠(yuǎn)強(qiáng)于普通混凝土，尤以Ⅰ型CA砂漿更為 明顯．

圖4 CA砂漿徐變的徐變度曲線Fig.4 Creep degree curves of creep of CA mortar

圖5 CA砂漿徐變恢復(fù)的徐變度曲線Fig.5 Creep degree curves of creep recovery of CA mortar

在徐變階段，應(yīng)力水平越大，CA砂漿的徐變度越大，而普通混凝土的徐變度先減小后增大.當(dāng)應(yīng)力水平從0.1到0.4時(shí)，Ⅰ型CA砂漿的徐變度增加了0.4倍，Ⅱ型CA砂漿增加了1.4倍，其徐變度隨應(yīng)力水平增加的幅度更大，這與3.1節(jié)中徐變隨應(yīng)力水平增加的趨勢一致．在徐變恢復(fù)階段，隨著應(yīng)力水平的增大，CA砂漿和普通混凝土的徐變度都是先減小后增大，Ⅰ型CA砂漿轉(zhuǎn)折點(diǎn)的應(yīng)力水平為0.3，而Ⅱ型CA砂漿為0.2．

2.3 CA砂漿徐變后的力學(xué)性能

圖6為CA砂漿徐變3a后的抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線．由圖6可見：在不同應(yīng)力水平的長期荷載作用下，Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均有較大變化，且以Ⅱ型CA砂漿尤為明顯；當(dāng)應(yīng)力水平從0增大到0.4時(shí)，Ⅰ型CA砂漿抗壓強(qiáng)度從2.57MPa增至 2.91MPa，提高了13%，Ⅱ型CA砂漿則由 15.20MPa 增至20.37MPa，提高了34%；應(yīng)力水平越高，Ⅱ型CA砂漿峰值應(yīng)力前的非線性變形階段越小，峰值應(yīng)力后曲線的下降速度越快，脆性破壞越明顯；Ⅰ型和Ⅱ型CA砂漿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰值應(yīng)力后存在顯著差別，Ⅰ型CA砂漿的變形能力強(qiáng)于Ⅱ型CA砂漿，且隨著應(yīng)力水平的增加，仍能保持良好的延性，這可能與Ⅰ型CA砂漿采用SBS對瀝青進(jìn)行改性有關(guān)．

Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿的力學(xué)性能隨應(yīng)力水平的變化趨勢如圖7所示．由圖7可見：對于Ⅰ型CA砂漿，當(dāng)應(yīng)力水平從0.1增大到0.4時(shí)，其彈性模量(1/3割線模量)與峰值應(yīng)變基本不變；而對于Ⅱ型CA砂漿，徐變后的抗壓強(qiáng)度與彈性模量均明顯增加，但峰值應(yīng)變卻明顯減小，這表明其變形能力在徐變后明顯退化．

圖6 徐變3a后CA砂漿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of CA mortar after 3 years of creep

圖7 徐變對CA砂漿力學(xué)性能的影響Fig.7 Effect of creep on mechanical properties of CA mortar

3 CA砂漿徐變后的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)

圖8為Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿的SEM照片．由 圖8 可見，CA砂漿中存在水泥水化產(chǎn)物凝膠和瀝青膜2種膠結(jié)相，這2種膠結(jié)相形成相互交織的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并將砂子骨料膠結(jié)成整體，其內(nèi)部存在大量的有機(jī)-無機(jī)物界面[16]．

目前對于水泥基材料的徐變研究集中在普通混凝土領(lǐng)域，徐變理論較多，且理論大多基于水泥水化物的微、細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性，主要理論有黏彈性理論、滲出理論、黏性流動理論、塑性流動理論、微裂縫理論、內(nèi)力平衡等[10,15,17-18]．由于CA砂漿存在復(fù)雜的物相與界面，因此其徐變機(jī)理復(fù)雜．圖9為徐變后CA砂漿的孔隙結(jié)構(gòu)曲線．

圖8 CA砂漿的SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM photograph of CA mortar

圖9 徐變后CA砂漿的孔隙結(jié)構(gòu)曲線Fig.9 Pore structure curves of CA mortar after creep

由圖9可見：CA砂漿在40nm、1μm與6μm處均存在大量孔隙，由于CA砂漿中瀝青與水泥并未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且瀝青顆粒的粒徑為1～10μm，因此40nm孔應(yīng)與水泥水化物的毛細(xì)孔有關(guān)，而 1μm 孔應(yīng)與水泥水化物與瀝青界面孔有關(guān)， 6μm 孔應(yīng)與瀝青顆粒間隙等有關(guān)；隨著應(yīng)力水平的變化，徐變后的CA砂漿孔徑分布曲線變化較大，且變化規(guī)律呈非單調(diào)的特點(diǎn)，不同孔徑的孔隙存在轉(zhuǎn)化與遷移現(xiàn)象，顯示出其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)發(fā)生著較大變化；隨著應(yīng)力水平的增加，CA砂漿40nm、 1μm 孔數(shù)量先減小后增加，而6μm孔數(shù)量先增大后減?。?0nm孔數(shù)量的變化應(yīng)與水化物毛細(xì)孔的閉合與擴(kuò)張有關(guān)，在低應(yīng)力水平下，毛細(xì)孔發(fā)生閉合，隨著荷載的增加，水泥水化物凝膠將產(chǎn)生流動，進(jìn)而導(dǎo)致毛細(xì)孔增加．1μm孔數(shù)量的變化應(yīng)與各物相界面孔的閉合與擴(kuò)張有關(guān)，低應(yīng)力水平同樣導(dǎo)致界面孔閉合，而增大荷載將使界面產(chǎn)生滑移，界面孔體積增大，但當(dāng)滑移至一定程度，滑移面受約束與阻隔時(shí)，荷載又產(chǎn)生密實(shí)閉合效果，進(jìn)而導(dǎo)致界面孔體積減少． 6μm 孔數(shù)量為其中大型復(fù)合凝膠團(tuán)結(jié)構(gòu)間的孔隙，受荷時(shí)其變形最先啟動，導(dǎo)致CA砂漿內(nèi)部應(yīng)力重分布，隨后的密實(shí)效應(yīng)則導(dǎo)致孔隙減小、強(qiáng)度增加、變形能力退化．

由于瀝青含量與性能的差異，Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿徐變性能差別明顯，同時(shí)由于CA砂漿與普通混凝土組成、結(jié)構(gòu)之間差別較大，CA砂漿與普通混凝土徐變特性存在質(zhì)的區(qū)別．CA砂漿徐變較大以及徐變導(dǎo)致變形能力退化與微結(jié)構(gòu)變化等，在實(shí)際工程中應(yīng)引起重視，通過SBS改性瀝青可減緩其變形能力退化，這對工程有一定的指導(dǎo)意義．

4 結(jié)論

(1)CA砂漿徐變速度遠(yuǎn)大于普通混凝土.應(yīng)力水平為0.5時(shí)，CA砂漿10d徐變是普通混凝土的 3～ 4倍，徐變度是普通混凝土的幾十倍.但CA砂漿可恢復(fù)徐變的比例較?。?/p>

(2)應(yīng)力水平對CA砂漿徐變有嚴(yán)重影響，在低應(yīng)力水平下，徐變在300d后幾乎不再增長，而高應(yīng)力水平下，后期徐變?nèi)栽黾用黠@，Ⅱ型CA砂漿的長期承載力僅為其抗壓強(qiáng)度的40%左右．

(3)徐變后的CA砂漿強(qiáng)度有所提高；Ⅰ型CA砂漿彈性模量、峰值應(yīng)變基本不變，但Ⅱ型CA砂漿峰值應(yīng)變明顯減小，這可能與Ⅰ型CA砂漿采用SBS改性瀝青有關(guān)．

(4)徐變使CA砂漿孔結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，應(yīng)力水平對其徐變過程中的孔結(jié)構(gòu)演化有較大影響，這可能與長期荷載作用下砂漿內(nèi)部的微裂紋閉合、界面滑移、瀝青黏性流動等有關(guān)．