CRTSⅠ型CA砂漿動態受壓損傷試驗

徐 浩，王 平，魏賢奎，曾曉輝

（1.西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；2.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031）

隨著無砟軌道技術的日趨成熟和完善，世界各國高速鐵路采用無砟軌道已成為主要的發展方向［1］.CRTSⅠ型板式無砟軌道是一種應用最多、最為成熟的無砟軌道結構型式［2］，由鋼軌、扣件、軌道板、水泥乳化瀝青砂漿（CA 砂漿）充填層以及混凝土底座板等組成.其中CA 砂漿是一種由水泥、乳化瀝青、細骨料、水及鋁粉等組成的有機－無機復合材料［3］，是填充于板式無砟軌道的軌道板與混凝土底座板之間的關鍵功能材料之一，起支承、調整、傳載、減振和隔振等作用［4－8］.CRTSⅠ型板式無砟軌道CA 砂漿具有高韌性、低彈性模量和低強度的特點［3］.由于CA 砂漿是典型的黏彈性材料，其力學性能與外界荷載的作用時間及頻率有關.

在CRTSⅠ型板式無砟軌道結構中，CA 砂漿主要承受列車的豎向荷載作用，且在列車行駛過程中CA 砂漿處于動態加載的狀態［9－10］.列車運營速度變化將導致CA 砂漿應變率的變化，因此需要研究CA砂漿在不同應變率下的動態力學特性及損傷特性.國內外學者研究了不同加載速率對CA 砂漿力學性能的影響規律：文獻［11］認為CA 砂漿的抗壓強度隨加載速率的增大而增大，二者大致呈線性關系；文獻［12］針對2種典型的CA 砂漿進行不同加載速率下的抗壓試驗，結果表明這2種典型的CA 砂漿的峰值應力和彈性模量均隨加載速率的增大而呈遞增趨勢，且加載速率對瀝青與水泥質量比（mA／mC）較高的CA 砂漿影響更大；文獻［13］認為CA 砂漿的抗壓強度及彈性模量均隨加載速率的增大而呈冪指數增大.雖然對不同加載速率下CA 砂漿的力學性能已經有了一定的研究，但所用試件均為實驗室模制試件，由于現場環境復雜，養護、施工條件以及灌注袋的約束作用均會導致現場CA 砂漿與室內試件存在差異，因此模制試件無法真實反映現場CA 砂漿的動態力學性能.

本文對正在施工的某線上CRTSⅠ型板式無砟軌道進行現場揭板，并對揭板后的CA 砂漿層進行室內鉆芯取樣，測試不同應變率下現場取樣CA 砂漿試件的應力－應變曲線，研究不同應變率對其抗壓特性的影響；并以切線模量的退化來度量試件的損傷程度，研究了不同應變率下CA 砂漿的損傷檻值.

1 試驗

1.1 試件制備

為了反映實際運營中的CRTSⅠ型板式無砟軌道CA 砂漿的力學性能，對正在施工的某線上CRTSⅠ型板式無砟軌道進行揭板，得到的CA 砂漿層未經歷過動車荷載，對其在室內鉆心取樣，并加工成φ50×50mm 的圓柱體試件.現場取樣CA 砂漿試件的原材料均來自安徽中鐵工程材料科技有限公司，其干料24h體積膨脹率為2.1%，7d線膨脹率為0.1%，1d抗壓強度為6.89MPa；改性陽離子乳化瀝青固含量1）文中涉及的固含量、配合比等除特別說明外均為質量分數或質量比.為62.1%.現場取樣CA 砂漿試件的配合比m（干料）∶m（乳化瀝青）∶m（水）∶m（減水劑）∶m（引氣劑）∶m（消泡劑）＝（900～1 150）∶（400～550）∶（30～100）∶（0.5～5.0）∶（1～5）∶（0.05～0.50）.新拌CA 砂漿的J型漏斗流下時間為24s，分離度為0.2%.硬化CA 砂漿的1d抗壓強度為0.5MPa，28d抗壓強度為2.0MPa.現場取樣CA 砂漿試件的各項性能均滿足《客運專線鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術條件》.

1.2 力學性能測試

采用WDW 系列微機控制電子萬能試驗機對現場取樣CA 砂漿試件進行動態單軸抗壓試驗，試驗方法參照文獻［13］進行.綜合考慮試驗系統的加載能力，加載速率確定為0.03，0.30，3.00，30.00mm／min，根據CA 砂漿試件尺寸對應的應變率Δε為1×10－5～1×10－2s－1，取1×10－5s－1作為準靜態應變率.每組加載試驗取3 個試件，編號為CA1～CA3.若試驗結果離散性較大，則增加試件數量以保證試驗數據的有效性.試件受壓面與加載板之間采用滑石粉進行減摩處理.為防止試件表面不平整產生的誤差，正式加載前將試件以0.5mm／min的速率、0.05 MPa的強度預壓3 次.加載時由于儀器或測試的原因致使應力－應變曲線中0～0.25 MPa范圍內應力變化緩慢（見圖1中AB 段），按文獻［13］的方法進行數據處理，即從B 點作切線，以切線與橫坐標的交點C 作為修正后的原點.以應力－應變曲線最高點的橫、縱坐標作為CA 砂漿峰值應力處的應變（臨界應變εc）和抗壓強度σc.

2 試驗結果分析

2.1 CA 砂漿應力－應變曲線

圖1 CA 砂漿應力－應變曲線Fig.1 σ－εcurve of CA mortar（Δε＝1×10－4s－1）

圖2 不同應變率下CA 砂漿應力－應變曲線Fig.2 σ－εcurves of CA mortar under different strain rates

應力－應變（σ－ε）曲線能夠全面體現CA 砂漿在加載過程中的力學性能，是進行其他力學分析的基礎.不同應變率（Δε）下CA 砂漿的應力－應變曲線如圖2所示.由圖2可見，不同應變率下CA 砂漿的應力－應變曲線形狀基本一致，其應力在達到峰值后降低較為緩慢，這是由于瀝青的存在改善了CA 砂漿的斷裂韌性.當CA 砂漿的應變達到0.08時仍具有一定的承載能力，說明其具有良好的韌性和延展性.CA 砂漿的抗壓強度和臨界應變均隨著應變率的增大而增大，當應變率從1×10－5s－1增至1×10－2s－1時，該CA 砂漿的抗壓強度由2.221 MPa 增至5.189MPa，同時臨界應變由0.017 58增至0.023 75.

2.2 CA 砂漿的抗壓強度

抗壓強度是描述CA 砂漿力學性能的重要參數.根據試驗測得的應力－應變曲線數據，得到不同應變率下CA 砂漿的抗壓強度σc，列于表1.由表1可知，CA 砂漿試件的抗壓強度在同一應變率下表現出不等的離散性，這是由于試驗不可避免的誤差造成的.本試驗以應變率為1×10－5s－1時的抗壓強度作為CA 砂漿的準靜態抗壓強度，當應變率分別為1×10－4，1×10－3，1×10－2s－1時，CA 砂漿的抗壓強度分別增長了22.657%，62.331%，149.417%.CA 砂漿的抗壓強度隨著應變率的增大而增加，原因是CA 砂漿破壞時不再按原來的微裂縫路徑發展，而是沿耗能最快的路徑發展，因此其抗壓強度逐漸增大.

根據文獻［13］的研究可知，CA 砂漿的抗壓強度隨應變率呈冪函數變化，兩者的關系可表示為y＝axb.本文考慮到冪函數還可以表示為y＝a＋bxc（式中：y 代表CA 砂漿在不同應變率下的抗壓強度；x 代表應變率；a，b，c為擬合曲線系數），因此按這2種冪函數關系式擬合CA 砂漿抗壓強度與應變率的關系，得到的擬合曲線如圖3所示.

表1 不同應變率下CA砂漿的抗壓強度σcTable 1 Compressive strength of CA mortar under different strain rates MPa

圖3 CA 砂漿抗壓強度與應變率的關系Fig.3 Relationship between compressive strength of CA mortar and strain rate

不同的冪函數擬合得到的CA 砂漿的抗壓強度與應變率之間的關系式分別為y＝10.133 9x0.1442，擬合優度R2＝0.977 1；y＝1.741 4＋15.131 7x0.3115，擬合優度R2＝0.999 7.從擬合優度可知，采用冪函數y＝a＋bxc來擬合CA 砂漿抗壓強度與應變率的關系更優.

2.3 CA 砂漿的彈性模量

彈性模量是描述CA 砂漿力學性能的又一重要參數，且隨著應變率的增加而增加［11－13］.為了定量描述彈性模量與應變率的關系，本文采用0～1／3抗壓強度處的割線模量作為CA 砂漿的彈性模量Ec［13］.不同應變率下CA 砂漿的彈性模量如表2所示.

圖4為CA 砂漿的彈性模量與應變率的關系圖.由圖4可知，CA 砂漿的彈性模量隨應變率的增加呈冪函數增大，關系式為：y＝110＋748.043 3x0.1663，擬合優度R2＝0.999 1，其中y 代表CA 砂漿的彈性模量.

表2 不同應變率下的CA砂漿的彈性模量EcTable 2 Elastic modulus of CA mortar under different strain rates MPa

圖4 CA 砂漿彈性模量與應變率的關系Fig.4 Relationship between elastic modulus of CA mortar and strain rate

2.4 CA 砂漿的臨界應變

臨界應變定義為CA 砂漿峰值應力處的應變，是反映CA 砂漿變形特性的重要參數之一.在本試驗中，發現隨著應變率的增加，CA 砂漿的臨界應變增大，不同應變率下CA 砂漿的臨界應變εc見表3.

表3 不同應變率下CA砂漿的臨界應變εcTable 3 Critical strain of CA mortar under different strain rates

在動荷載作用下，CA 砂漿的臨界應變是由CA砂漿的彈性應變和黏性應變共同引起的.隨著應變率的增加，瀝青的摻入使得CA 砂漿的黏性表現得更明顯，其黏性應變效應增加，因而導致CA 砂漿在峰值應力處的應變增加.圖5給出了CA 砂漿的臨界應變與應變率的關系.由圖5可知，CA 砂漿臨界應變也隨應變率的增加呈冪函數增大，關系式為：y＝0.016 61＋0.021 89x0.1705，擬合優度R2＝0.960 3，其中y 代表CA 砂漿的臨界應變.

圖5 CA 砂漿的臨界應變與應變率的關系Fig.5 Relationship between critical strain of CA mortar and strain rate

3 CA砂漿動態損傷特性分析

當加載到相同的應變時，不同應變率下CA 砂漿的破壞情況如圖6所示.由圖6可見，CA 砂漿的破壞情況在低應變率下較高應變率下更為嚴重.當應變率為1×10－5s－1時，CA 砂漿試件不僅嚴重開裂還出現掉塊現象；而當應變率增大到1×10－2s－1時，CA 砂漿試件僅出現少量開裂.這是因為CA 砂漿屬于典型的黏彈性材料，在動態荷載作用下其應力和應變存在滯后效應［14］，應變率越小，作用時間越長，CA 砂漿的變形越充分，其破壞情況也越嚴重.

圖6 不同應變率下CA 砂漿的破壞情況Fig.6 Damage state of CA mortars under different strain rates

本文從宏觀上定義CA 砂漿的損傷程度D，即用CA 砂漿試件受損傷而引起的宏觀力學性能參數的變化量（切線模量的退化）來表征CA 砂漿的損傷程度，即：

式中：E0指初始切線模量；Ec指任一應力水平比對應的切線模量，其中應力水平比指不同應變率下CA 砂漿應力－應變曲線上升段中任一應力與相應抗壓強度的比值.使用該方法可以不計CA 砂漿的初始微裂隙和微空洞，能簡化CA 砂漿內部損傷生成和演化的測量過程，從而對CA 砂漿在動態受壓情況下的實時損傷演化規律進行分析和研究.本文參考文獻［15］，引入描述混凝土損傷程度的方法及“應力空間”和“應變空間”的概念來描述CA 砂漿在不同應變率下的動態損傷.

3.1 應力空間CA砂漿損傷變化

在應力空間下，CA 砂漿損傷開始穩定發展時對應的應力大小定義為CA 砂漿的損傷應力檻值參照文獻［15］，取CA 砂漿損傷程度為0.05時對應的應力作為CA 砂漿的損傷應力檻值.通過分析計算可知，不同應變率下CA 砂漿損傷應力檻值σk及其與平均抗壓強度σc的比值Rσ（Rσ＝σk／σc）如表4所示.

表4 CA砂漿的σk及RσTable 4 σk and Rσ of CA mortar

由表4可知，隨著應變率的增大，損傷應力檻值增大.這說明在高應變率下，CA 砂漿內部裂縫的發展相對低應變率下出現滯后現象，這是由于CA 砂漿中瀝青的存在使CA 砂漿的應力與應變之間存在滯后效應，且應變始終落后于應力1 個相位［14］.以1×10－5s－1的應變率作為準靜態應變率，應變率1×10－4，1×10－3，1×10－2s－1下的平均損傷應力檻值分別增加了134.85%，220.45%，263.64%.當應變率增大到一定值以后，應變率對損傷應力檻值與平均最大應力的影響不再明顯.產生這一結果的原因是高應變率時CA 砂漿中乳化瀝青的黏性阻礙了CA 砂漿內部微裂縫的產生與發展，從而導致CA 砂漿損傷應力檻值不斷增大，同時這種阻礙作用也增大了CA 砂漿的抗壓強度，因而當應變率增大以后，CA 砂漿損傷應力檻值與平均抗壓強度的比值Rσ受應變率影響不大.

3.2 應變空間CA砂漿損傷變化

在應變空間下，CA 砂漿損傷開始穩定發展時對應的應變大小定義為CA 砂漿的損傷應變檻值εk.文中依然取CA 砂漿損傷程度D＝0.05時對應的應變為CA 砂漿的損傷應變檻值.通過對CA 砂漿損傷程度隨應變水平比（不同應變率下CA 砂漿應力－應變曲線上升段中任一應力對應的應變與相應臨界應變εc的比值）的分析計算，將不同應變率下CA 砂漿損傷應變檻值εk及其與平均臨界應變εc的比值Rε（Rε＝εk／εc）列于表5.

表5 CA砂漿的εk及RεTable 5 εk and Rε of CA mortar

由表5可知，隨著應變率的增大，CA 砂漿損傷應變檻值εk及Rε呈先增大后穩定的趨勢.產生以上結果的原因是在高應變率作用下，CA 砂漿內部的黏性阻礙了微裂縫的產生和發展，同時也阻礙了損傷的發展，因此CA 砂漿的應變檻值較準靜態應變率下的大.而在高應變率的情況下，應變率對CA砂漿的應變檻值與平均臨界應變的比值Rε影響不大.

4 結論

（1）隨著應變率的增大，CA 砂漿的抗壓強度增大，且呈冪函數變化，采用y＝a＋bxc的冪函數對CA 砂漿抗壓強度與應變率的關系進行擬合較優.

（2）隨著應變率的增大，CA 砂漿的彈性模量和臨界應變均呈冪函數增大.

（3）以不同的應變率加載到相同的應變時，CA砂漿在低應變率下的破壞情況更加嚴重.這是由于CA 砂漿是應變率敏感性材料，應變率越低，作用時間越充分，CA 砂漿的破壞情況越嚴重.

（4）以切線模量的退化來度量CA 砂漿的損傷程度.隨著應變率的增大，CA 砂漿損傷應力檻值及損傷應變檻值均增大，且當應變率較高時，CA 砂漿損傷應力檻值與平均抗壓強度的比值、損傷應變檻值與平均臨界應變的比值均變化不大.

［1］ESVELD C.Low－maintenance ballastless track structures［J］.Rail Engineering International，1997，26（3）：13－16.

［2］劉學毅，趙坪銳，楊榮山，等.客運專線無砟軌道設計理論與方法［M］.成都：西南交通大學出版社，2010：1－10.LIU Xueyi，ZHAO Pingrui，YANG Rongshan，et al.Design theory and method for ballastless track on passenger dedicated line［M］.Chengdu：Southwest Jiaotong University Press，2010：1－10.（in Chinese）

［3］王濤.高速鐵路板式無碴軌道CA 砂漿的研究與應用［D］.武漢：武漢理工大學，2008.WANG Tao.Research and application on CA mortar in ballastless slab track of high speed railway［D］.Wuhan：Wuhan University of Technology，2008.（in Chinese）

［4］COENRAAD E.Recent development in slab track［J］.European Railway Review，2003，9（2）：81－85.

［5］SHIGERU M，HIDEYUKI T，MASSAO U，et al.The mechanism of railway tracks［J］.Japan Railway and Transportation Review，1998，15（3）：38－45.

［6］KATSUOSHI A.Development of slab tracks for Hokuriku Shinkansen line［J］.Quarterly Report of RITI，2001，42（1）：35－41.

［7］MURATA O.Overview of recent structure technology R＆D at RTRI［J］.Quarterly Report of RTRI，2003，44（4）：133－135.

［8］SONG H，DO J Y，SOH Y S.Feasibility study of asphaltmodified mortars using asphalt emulsion［J］.Construction and Building Materials，2006，20（5）：332－337.

［9］蔡成標，翟婉明，王開云.高速列車與橋上板式軌道動力學仿真分析［J］.中國鐵道科學，2004，25（5）：57－60.CAI Chengbiao，ZHAI Wanming，WANG Kaiyun.Dynamic simulation of interactions between high－speed train and slab track laid on bridge［J］.China Railway Science，2004，25（5）：57－60.（in Chinese）

［10］江成，范佳，王繼軍.高速鐵路無碴軌道設計關鍵技術［J］.中國鐵道科學，2004，25（2）：43－48.JIANG Cheng，FAN Jia，WANG Jijun.Key techniques of ballastless track design on high－speed railway［J］.China Railway Science，2004，25（2）：43－48.（in Chinese）

［11］王發洲，劉志超，胡曙光.加載速率對CA 砂漿抗壓強度的影響［J］.北京工業大學學報，2008，34（10）：1059－1065.WANG Fazhou，LIU Zhichao，HU Shuguang.Influence of loading rate on compressive strength of CA mortar［J］.Journal of Beijing University of Technology，2008，34（10）：1059－1065.（in Chinese）

［12］孔祥明，劉永亮，閻培渝.加載速率對水泥瀝青砂漿力學性能的影響［J］.建筑材料學報，2010，13（2）：187－192.KONG Xiangming，LIU Yongliang，YAN Peiyu.Influence of loading rate on mechanical properties of cement asphalt mortars［J］.Journal of Building Materials，2010，13（2）：187－192.（in Chinese）

［13］謝友均，曾曉輝，鄧德華，等.鐵路無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿力學性能［J］.建筑材料學報，2010，13（4）：483－486，528.XIE Youjun，ZENG Xiaohui，DENG Dehua，et al.Mechanical characteristics of China railway track system（CRTS）Ⅰtype slab tracks CA mortar under different strain rates［J］.Journal of Building Materials，2010，13（4）：483－486，528.（in Chinese）

［14］劉永亮，孔祥明，閻培渝.水泥－瀝青膠凝材料動態力學行為的初步研究［J］.工程力學，2011，28（7）：53－58.LIU Yongliang，KONG Xiangming，YAN Peiyu.Investigation on dynamical mechanical behaviors of cement－asphalt binders［J］.Engineering Mechanics，2011，28（7）：53－58.（in Chinese）

［15］肖詩云，張劍.不同應變率下混凝土受壓損傷試驗研究［J］.土木工程學報，2010，43（3）：40－45.XIAO Shiyun，ZHANG Jian.Compressive damage experiment of concrete at different strain rates［J］.China Civil Engineering Journal，2010，43（3）：40－45.（in Chinese）