水泥乳化瀝青砂漿峰值應(yīng)變的試驗(yàn)研究

田 青，張 苗，蔡基偉，袁玉卿，鄧德華

(1.河南大學(xué)循環(huán)與功能建材實(shí)驗(yàn)室，開封 475004；2.河南大學(xué)開封市工程修復(fù)與材料循環(huán)工程技術(shù)研究中心，開封 475004； 3.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，長沙 410075)

0 引 言

水泥乳化瀝青砂漿(Cement Asphalt Mortar，CA Mortar)是以水泥、乳化瀝青、水、砂和多種外加劑為原材料，經(jīng)水泥與乳化瀝青共同作用并膠結(jié)硬化而成的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合砂漿，其重要用途之一是用作我國高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的充填層材料，起著承力、傳力、幾何調(diào)整和提供阻尼的重要作用[1-4]。作為一種工程結(jié)構(gòu)材料，力學(xué)性能是評(píng)價(jià)其服役性能的重要依據(jù)，隨著高速鐵路基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，國內(nèi)外對(duì)CA砂漿的力學(xué)性能進(jìn)行了深入研究。黃直久[5]、Wang[6]等分析了CA砂漿抗壓強(qiáng)度的主要影響因素及內(nèi)在機(jī)理，萬赟等[7]依據(jù)混凝土的微觀力學(xué)理論，建立了CA砂漿抗壓強(qiáng)度與組成參數(shù)的數(shù)學(xué)模型。譚憶秋等[8]分析了材料組成及配比對(duì)CA砂漿彈性模量的影響規(guī)律，萬赟[9]、Tian[10]等建立了其彈性模量與微結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系。

從上述研究可以看出，國內(nèi)外對(duì)于CA砂漿力學(xué)性能的研究主要集中于抗壓強(qiáng)度或彈性模量，而對(duì)于CA砂漿變形特性的研究則鮮見報(bào)道。了解與掌握CA砂漿的變形規(guī)律，是進(jìn)一步評(píng)價(jià)CA砂漿傷損劣化行為及提高其服役性能的關(guān)鍵之一。本文基于不同配合比CA砂漿的單軸壓縮試驗(yàn)，分析其結(jié)構(gòu)組成對(duì)峰值應(yīng)變的影響，并進(jìn)一步建立了CA砂漿峰值應(yīng)變與抗壓強(qiáng)度之間的定量關(guān)系，可為板式無砟軌道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全維護(hù)提供一定參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)采用安徽中鐵工程材料科技有限公司生產(chǎn)的CA砂漿專用干料，其中水泥含量為37.5%，28 d實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度為40.85 MPa。選用殼牌(天津)公司產(chǎn)陽離子乳化瀝青，其中瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%。消泡劑為有機(jī)硅類消泡劑，固含量為25%，拌合水為飲用自來水。

1.2 試件制備

試驗(yàn)所用CA砂漿的配合比如表1所示。其中A/C為瀝灰比，即CA砂漿中所含瀝青與水泥質(zhì)量之比；W/C為水灰比，水灰比的計(jì)算中水為乳化瀝青中水與外加水之和。試驗(yàn)采用“先濕后干”的方法進(jìn)行攪拌，先將稱量好的水、乳化瀝青和消泡劑以50 r/min的速度拌和30 s，然后在轉(zhuǎn)速為90 r/min時(shí)緩慢加入干料，再以120 r/min快速攪拌120 s，最后以50 r/min慢速攪拌30 s。

表1 不同配合比CA砂漿的εp、fp值Table 1 Values of εp, fp of different proportions of CA mortar

將拌和好的CA砂漿注入φ50 mm×50 mm的模具中，24 h后拆模，然后置于(20±2) ℃、相對(duì)濕度90%的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至28 d。用打磨機(jī)對(duì)試件的表面進(jìn)行處理，使其上、下表面平行。

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)不同組成的CA砂漿進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，參照文獻(xiàn)[11]的試驗(yàn)方法，測(cè)試各配合比試件的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。

2 結(jié)果與討論

2.1 CA砂漿的峰值應(yīng)變

CA砂漿的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示，曲線峰值點(diǎn)所能承受的最大應(yīng)力即為試件的抗壓強(qiáng)度(fp)，相應(yīng)的應(yīng)變即為峰值應(yīng)變(εp)，峰值應(yīng)變反映了CA砂漿破壞時(shí)的極限變形能力。試驗(yàn)所用不同配合比CA砂漿的εp、fp值如表1所示。

圖1 CA砂漿的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Typical stress-strain curves of CA mortar

由圖1及表1可知，εp隨A/C、W/C的減小而減小。A/C的變化改變了CA砂漿的結(jié)構(gòu)特性，CA砂漿的微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。A/C較大時(shí)，CA砂漿的微觀結(jié)構(gòu)以瀝青為連續(xù)相，水泥水化物和砂子則充當(dāng)分散相，膠凝體系的力學(xué)性能更接近于瀝青的力學(xué)特性[12]，因而CA砂漿表現(xiàn)為低強(qiáng)度、低模量特性。由于水泥水化物之間的搭接程度較低，形成的只是松散狀態(tài)的骨架結(jié)構(gòu)，故在較低的應(yīng)力水平下骨架結(jié)構(gòu)即達(dá)到承載極限，即CA砂漿達(dá)到彈性變形極限，開始進(jìn)入塑性變形階段。常溫下瀝青具有顯著的粘塑性變形能力，包裹著水化產(chǎn)物和砂子持續(xù)的塑性變形與粘性流動(dòng)直至最終破壞，因而CA砂漿具有較大的峰值應(yīng)變。

圖2 CA砂漿的微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructure of CA mortar

隨著A/C的減小，水泥砂漿逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)相，瀝青只作為分散相填充其中，因而整個(gè)膠凝體系的力學(xué)性能更接近于普通砂漿，呈現(xiàn)高強(qiáng)度、高模量的力學(xué)特征[12]。此時(shí)，CA砂漿的力學(xué)性能主要由水泥砂漿的剛性骨架提供，其強(qiáng)度雖然有所提高，破壞前能夠承受更大的荷載，但材料本身的變形能力不斷下降，一旦超過彈性變形階段，內(nèi)部的裂紋等損傷將快速發(fā)展，使CA砂漿迅速達(dá)到變形極限。

當(dāng)瀝青含量不變而W/C改變時(shí)，影響了CA砂漿中毛細(xì)孔的體積含量。CA砂漿在受壓過程中，富集在毛細(xì)孔中的自由瀝青將產(chǎn)生粘性流動(dòng)從而消耗外力功[13]，而毛細(xì)孔的多少正是影響瀝青流動(dòng)效果的重要因素。隨著W/C的減小，CA砂漿中的孔隙含量降低，瀝青流動(dòng)的通道減少，相應(yīng)消耗的外力功也較少。當(dāng)CA砂漿達(dá)到承載極限時(shí)，內(nèi)部?jī)?chǔ)存的彈性能轉(zhuǎn)變?yōu)槿毕輸U(kuò)展的表面能[14]，在總能量相近的情況下，耗散能越小，表面能相對(duì)越大，缺陷擴(kuò)展越為迅速，試件破壞的發(fā)生也更為急促，相應(yīng)的εp越小。

2.2 峰值應(yīng)變與抗壓強(qiáng)度的定量關(guān)系

CA砂漿的各力學(xué)參數(shù)并不是孤立的，峰值應(yīng)變與抗壓強(qiáng)度是對(duì)CA砂漿宏觀力學(xué)性能的某一方面描述，兩者之間必然存在某種定量的轉(zhuǎn)換關(guān)系。目前，國內(nèi)外針對(duì)水泥基材料的峰值應(yīng)變已有較多的研究，并且提出了多種計(jì)算公式[15]，如：

Ros方程：

εp=a+b·fp

(1)

Brandtzaeg方程：

(2)

Saenz方程：

(3)

林大炎方程：

(4)

式中:fp為抗壓強(qiáng)度，MPa；εp為峰值應(yīng)變；a、b為方程參數(shù)。

將式(1)～(4)對(duì)實(shí)測(cè)的抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變等數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，所得的典型擬合曲線如圖3所示，參數(shù)a、b的值及相關(guān)系數(shù)如表2所示。

由圖3及表2可知，由林大炎方程得到的擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性，兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.923 8。由此可得，林大炎方程最適合描述CA砂漿抗壓強(qiáng)度與峰值應(yīng)變之間的關(guān)系。

圖3 不同方程的擬合結(jié)果Fig.3 Fitting results of different formulas

表2 參數(shù)a、b的值及相關(guān)系數(shù)Table 2 Values of a, b and correlation coefficients

式(1)～(4)的不同點(diǎn)主要體現(xiàn)在峰值應(yīng)變隨抗壓強(qiáng)度的變化程度上。式(1)和(2)中，峰值應(yīng)變與抗壓強(qiáng)度的一次方呈正比，即具有較大的峰值變形。式(3)中，峰值應(yīng)變與抗壓強(qiáng)度的四分之一次方呈函數(shù)關(guān)系，即破壞時(shí)發(fā)生較小的極限變形。由剛性、脆性的水泥及柔韌、黏性的瀝青復(fù)合構(gòu)成的CA砂漿具有典型的黏彈性特征，其在破壞時(shí)產(chǎn)生的變形介于彈性和黏性之間，式(1)～(3)描述峰值應(yīng)變隨抗壓強(qiáng)度的變化程度偏大或偏小了。式(4)中峰值應(yīng)變與抗壓強(qiáng)度的平方根成正比，比較實(shí)際地反映了CA砂漿的黏彈變形特征。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[16-17]對(duì)于Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿的28 d強(qiáng)度要求分別為大于或等于1.8 MPa、15.0 MPa。由表1及圖3可知，對(duì)應(yīng)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，CA砂漿的峰值應(yīng)變近似為4.5×10-3、3.0×10-3。以CA砂漿的高度為50 mm計(jì)，結(jié)合峰值應(yīng)變的理論計(jì)算，Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿單軸壓縮破壞時(shí)縱向約產(chǎn)生0.225 mm、0.15 mm的幾何尺寸變化。然而，不同于單軸壓縮試驗(yàn)的獨(dú)立個(gè)體，實(shí)際工程中CA砂漿充填層是一個(gè)較大的整體，有著不同的側(cè)限條件[18]，圍壓的存在使得CA砂漿的峰值應(yīng)變顯著提高(至少可提高約3～5倍[18])。參考單軸壓縮破壞時(shí)的幾何尺寸變化，實(shí)際工程中，Ⅰ、Ⅱ型砂漿充填層發(fā)生傷損破壞時(shí)約產(chǎn)生0.675～1.125 mm、0.45～0.75 mm的高度變化。結(jié)合高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)幾何狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)砂漿充填層的縱向尺寸變化接近上述閾值時(shí)，應(yīng)引起警示并對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)與維護(hù)。

3 結(jié) 論

(1)峰值應(yīng)變反映了CA砂漿在破壞荷載時(shí)的變形能力，峰值應(yīng)變?cè)酱?，破壞前能夠發(fā)生的變形越大。

(2)峰值應(yīng)變隨A/C、W/C的減小而減小，A/C的變化改變了CA砂漿的結(jié)構(gòu)特性，W/C的不同則影響了內(nèi)部能量的釋放過程。

(3)依據(jù)擬合良好性，林大炎方程最適合表征CA砂漿峰值應(yīng)變與抗壓強(qiáng)度間的定量關(guān)系。結(jié)合峰值應(yīng)變的理論計(jì)算及CA砂漿充填層的實(shí)際受力狀態(tài)，估算了充填層發(fā)生傷損破壞時(shí)的幾何尺寸變化。