不同浸水歷時水泥乳化瀝青砂漿動態受壓試驗

徐 浩，王 平，孫宏友，曾曉輝，趙坪銳

（1.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031；2.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）

水泥乳化瀝青砂漿（CA 砂漿）層是填充于板式軌道軌道板與底座板之間的關鍵結構層，主要起支承、傳載、調整、減振隔振和阻斷裂紋等作用［1－5］，其長期服役性能對軌道結構的平順性、耐久性和列車運行的安全性、舒適性至關重要［6］.在實際運營過程中發現板式軌道的軌道板在溫度梯度作用下發生翹曲變形，CA 砂漿層與軌道板之間出現縫隙，雨水滲入CA 砂漿充填層；或在列車動荷載的作用下界面縫隙中的雨水被壓入CA 砂漿充填層.此時，CA 砂漿層將長期浸泡在雨水中.為研究水對CA 砂漿力學性能的影響，田冬梅等［6］對不同飽水度的CA 砂漿試件進行抗壓試驗，結果表明CA 砂漿的抗壓強度和彈性模量隨飽水度的增加而顯著降低，且抗壓強度降低較大，因此文獻［7］認為雨水是引起水泥乳化瀝青砂漿層劣化與失效的主要環境因素之一.

高速鐵路在其服役過程中，CA 砂漿主要承受列車豎向荷載且處于動態加載過程［8－9］，文獻［10－12］研究了不同加載速率對CA 砂漿動態力學性能的影響，認為CA 砂漿的極限抗壓強度、彈性模量及峰值應力處應變均隨加載速率的增大而提高.然而，當水泥乳化瀝青砂漿層長期浸泡于雨水中時，其動態力學性能的研究尚未被報道.

本文測試了不同水浸泡時間、不同應變速率下CRTSⅠ型板式軌道CA 砂漿的應力－應變全曲線，研究了水浸泡歷時和加載應變速率對CA 砂漿動態力學性能的影響，并對實測數據和力學性能變化機理進行了分析.

1 試驗概況

1.1 原材料

CA 砂漿干料由水泥、細砂和其他添加劑等主要成分混合而成，其基本配合比為：m（水泥）∶m（細砂）∶m（膨脹劑）＝1.0∶2.0∶0.1，其中水泥為P·Ⅱ42.5R硅酸鹽水泥，相關技術指標符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的規定.CA 砂漿干料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.CA砂漿的配合比為：m（干料）∶m（乳化瀝青）∶m（水）＝1 100∶515∶50，其中乳化瀝青采用CRTSⅠ型板式軌道CA 砂漿專用乳化瀝青，其固含量（質量分數）為62.1%，黏度、針入度、延度等均滿足鐵道部科技基2008［74］《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》（簡稱“暫規”）規定的要求，相關主要性能指標見表1；拌和水為自來水.新拌CA 砂漿的J型漏斗流下時間為24s，分離度（質量分數）為0.2%.

表1 乳化瀝青的主要性能指標Table 1 Properties of emulsified asphalt

1.2 試件制備

按設定的配合比，先將乳化瀝青和水投入攪拌鍋內慢速攪勻，并在攪拌過程中緩慢加入水泥乳化瀝青砂漿干料，加完后快速攪拌3min，再慢速攪拌1min.然后按照“暫規”規定的方法測量新拌CA 砂漿的流動度、表觀密度和含氣量，其中CA 砂漿的流動度為24s，表觀密度為1 610kg／m3，含氣量為8.2%（體積分數）.同時，將新拌的CA 砂漿注入尺寸為φ50×50mm 的塑料模具中，成型100個試件，并將其置于溫度為（23±2）℃，相對濕度為（65±5）%的環境中養護24h拆模，然后在標準養護室中養護至28d備用.

1.3 試驗

CA 砂漿水浸泡試驗：將養護至28d的CA 砂漿試件放入水箱中浸泡，保持環境溫度為20℃，浸泡時間分別為0，7，14，30，60d.

CA 砂漿力學性能試驗：采用WDW 系列微機控制電子萬能材料試驗機對不同浸泡時間的CA砂漿試件進行單軸壓縮試驗，試驗方法參照文獻［11］，環境溫度為20 ℃，加載速率為0.03，0.30，3.00，30.00 mm／min，對應的應變速率為1×10－5～1×10－2s－1，取1×10－5s－1作為準靜態應變速率.每組取3個試件進行加載試驗，若測試數據離散性較大，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0.5 mm／min的速率、0.1 MPa的強度預壓3次.

2 結果與討論

2.1 CA 砂漿的應力－應變全曲線

CRTSⅠ型板式軌道CA 砂漿的應力－應變全曲線如圖1所示.圖1（a）為未經過浸水處理，不同應變速率下的CA 砂漿應力－應變全曲線.從圖1（a）可知，不同應變速率下CA 砂漿的應力－應變曲線變化明顯，且CA 砂漿的極限抗壓強度、峰值應力處應變均隨應變速率的增大而增大.圖1（b）是應變速率為1×10－4s－1時不同浸水時間下CA 砂漿的應力－應變全曲線.由圖1（b）可見，CA 砂漿的極限抗壓強度隨水浸泡時間的增長逐漸降低，當CA 砂漿在水中的浸泡時間達到60d時，其抗壓強度較水浸泡30d的強度大.在應力達到峰值后，CA 砂漿的抗壓強度降低較為緩慢，這是由于瀝青的存在，改善了CA 砂漿的斷裂韌性，當應變達到0.10時仍具有一定的承載能力，說明CA 砂漿具有良好的韌性和延展性.

2.2 CA砂漿動態抗壓強度

表2為不同浸水歷時、不同應變速率下CA 砂漿的單軸動態抗壓強度.

圖1 CA 砂漿應力－應變全曲線Fig.1 Stress－strain full curves of CA mortar

表2 不同水浸泡時間下CA砂漿的動態抗壓強度Table 2 Dynamic compressive strengths of CA mortar at different water immersion times

從表2可以看出，在相同的應變速率下，CA 砂漿的極限抗壓強度隨水浸泡時間的增加先減小后增大.在應變速率為1×10－5，1×10－4，1×10－3，1×10－2s－1時，水浸泡7，14，30，60d后CA 砂漿比未經過水浸泡試件的平均抗壓強度分別降低了34.85%，37.27%，46.31%，31.47%；32.93%，34.21%，38.65%，16.82%；15.61%，20.05%，21.22%，9.32%；12.22%，15.07%，15.39，－6.03%.從表2可見，CA 砂漿的抗壓強度隨應變速率的增大而增大，這是由于CA 砂漿破壞時沿耗能最快的路徑發展，因此其極限抗壓強度逐漸增大.水泥乳化瀝青砂漿由瀝青包裹水泥水化產物和砂形成骨架結構［13］，水泥水化產物與瀝青或砂子與瀝青之間的黏結作用導致CA砂漿強度提高.CA 砂漿在水中長時間浸泡后，水浸入瀝青－水泥相或瀝青－砂子相界面，形成水泥相－水或砂子－水、瀝青－水界面，破壞原來界面的結合狀態，削弱界面黏結力，從而使其強度降低，造成CA 砂漿強度發生“軟化”現象［6］.另外，CA 砂漿中的瀝青膜浸水軟化，也將削弱界面的黏結力，使CA 砂漿的強度降低.當應變速率較小時，CA 砂漿的破壞將沿著水泥水化產物－瀝青或砂－瀝青的薄弱界面發展，因此應變速率越低，CA砂漿在水的作用下強度降低幅度越大，其最大降低幅度可達46.31%.

當CA 砂漿的水浸泡時間達到60d時，CA 砂漿的抗壓強度又逐漸升高.這是由于浸泡中的CA砂漿其水泥水化仍不斷進行，從而提高了CA 砂漿的強度.不同應變速率下未浸水與浸水60d的CA砂漿抗壓強度對比如圖2所示.

圖2 不同應變速率下CA 砂漿的抗壓強度Fig.2 Compressive strength of CA mortar at different strain rates

由圖2可見，由于水的“軟化”作用，應變速率為1×10－5，1×10－4，1×10－3，1×10－2s－1時，泡水60d的CA 砂漿與未泡水的CA 砂漿相比，抗壓強度分別降低了47.60%，34.27%，29.72%，25.67%，可見，水對CA 砂漿的“軟化”作用明顯.

2.3 CA砂漿彈性模量

采用0～1／3抗壓強度處的割線模量作為不同應變速率下CA 砂漿的彈性模量［11］.通過對不同應變速率下CA 砂漿的應力－應變曲線進行分析，得到不同水浸泡時間下的彈性模量如表3所示.

表3 不同水浸泡時間下CA砂漿的彈性模量Table 3 Elastic modulus of CA mortar with different water immersion times

從表3可見，水浸泡時間相同時，CA 砂漿的彈性模量隨著應變速率的增加而明顯提高.浸水0，7，14，30，60d后，相對于應變速率為1×10－5s－1時的彈性模量，當應變速率為1×10－4，1×10－3，1×10－2s－1時，CA 砂漿的平均彈性模量分別增加了17.70%，24.56%，46.68%；10.33%，75.82%，102.72%；26.33%，75.95%，102.05%；19.56%，74.46%，151.96%；41.33%，65.42%，145.76%.在相同的應變速率下，CA 砂漿的彈性模量也隨著水浸泡的時間增長先減小后增大，當水浸泡14d，應變速率從1×10－5s－1增大到1×10－2s－1時，CA 砂漿的彈性模量分別降低了44.91%，40.87%，22.19%，24.12%.后期CA 砂漿的彈性模量增大也是由于隨著時間的增加，CA 砂漿內產生的水泥水化產物增加所致.

2.4 CA砂漿峰值應變

峰值應變為CA 砂漿峰值應力對應的應變.CA砂漿在不同應變速率和不同浸水時間時的峰值應變見表4.

表4 不同水浸泡時間下CA砂漿的峰值應變Table 4 Peak strains of CA mortar at different water immersion times

從表4可見，浸水時間相同時，隨著應變速率的增加，CA 砂漿的峰值應變有增大的趨勢.浸水0，7，14，30，60d后，相對于應變速率1×10－5s－1時的峰值應變，應變速率為1×10－2s－1時的平均峰值應變分別增大了37.10%，16.49%，15.54%，11.64%，8.92%.由于CA 砂漿的峰值應變由CA 砂漿的彈性應變和黏性應變組成，隨著應變速率的增加，在動荷載作用下，瀝青的摻入使CA 砂漿的黏性增大，黏性應變效應增加，因而導致其峰值應變增加.由于水浸入水泥－瀝青相界面或砂子－瀝青相界面，削弱了CA 砂漿的黏性應變，因此隨著水浸泡時間延長，CA 砂漿的平均峰值應變增大趨勢減小.由于CA 砂漿在水中浸泡時一直處于水泥水化過程，而水泥水化又抑制了CA 砂漿的黏性應變，因此水浸泡30～60d時CA 砂漿的峰值應變隨應變速率的增大呈減小趨勢.

從表4還可見，在相同的應變速率下，CA 砂漿的峰值應變隨水浸泡時間的延長先增大后減小.在應變速率為1×10－5，1×10－4，1×10－3，1×10－2s－1時，CA 砂漿在泡水7，14，30，60d后，相比未經水浸泡的試件，其平均峰值應變分別增大了37.64%，42.33%，25.83%，16.95%；41.55%，28.0%，14.69%，19.29%；24.32%，19.23%，15.64%，1.24%；33.75%，11.92%，－5.78%，6.26%.可見，相對于不同的應變速率，經過水浸泡后CA 砂漿的峰值應變增加幅度更大，說明水浸泡對峰值應變的影響大于應變速率對峰值應變的影響.這是由于應變速率對峰值應變的影響主要是CA 砂漿的黏性，水浸泡后削弱了瀝青與水泥水化產物的黏結，形成的瀝青－水相界面或水泥水化產物－水界面加劇了CA 砂漿的黏性變形，因此水浸泡對峰值應變的影響大于應變速率的影響.

3 結論

（1）水浸泡歷時和應變速率對CA 砂漿的力學性能影響顯著.

（2）隨著應變速率的增加，CA 砂漿動態抗壓強度增大；水浸泡將侵害CA 砂漿中的瀝青－水泥水化產物相界面，同時瀝青膜浸水軟化，也將削弱CA 砂漿中原來的相界面，使界面黏結力降低，從而降低CA砂漿的強度，且應變速率越低，CA 砂漿的“軟化”現象越明顯，其強度最大降低幅度可達46.31%.

（3）當水浸泡歷時相同時，CA 砂漿的彈性模量隨應變速率的增大而明顯提高；當應變速率一定時，隨著水浸泡時間的延長，CA 砂漿的彈性模量先減小后增大，其最大降低幅度可達44.91%.

（4）CA 砂漿的峰值應變隨應變速率與水浸泡歷時的增加有增大的趨勢，且水浸泡歷時對CA 砂漿峰值應變的影響大于應變速率的影響.

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