極端溫度下CRTSⅠ型板式無砟軌道CA砂漿受壓傷損試驗

丁維桐,楊吉龍,吳夢瑤,楊榮山

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

CA砂漿是高速鐵路板式無砟軌道的充填層材料，起調整、支承、減振隔振等作用。其長期服役性能的優(yōu)劣關系到軌道及下部結構的平順性、耐久性及列車行駛的安全性[1]。CA砂漿是由乳化瀝青和骨料混合制成的，因為乳化瀝青是一種溫度敏感性材料，所以這導致了溫度的變化會影響CA砂漿的使用性能。

文獻[2]研究了齡期對CA砂漿力學參數(shù)的影響，CA砂漿的抗壓強度和彈性模量都隨放置天數(shù)的增長呈線性增長。文獻[3]研究了CA砂漿力學性能和體積對溫度的穩(wěn)定性，得出了溫度從-10 ℃增加到40 ℃時，CA砂漿的抗壓強度和彈性模量均呈降低趨勢的結論。文獻[4]研究了不同溫度條件下不同瀝青含量水泥瀝青砂漿的抗壓性能，發(fā)現(xiàn)力學特性會逐漸出現(xiàn)韌-脆轉換，描述了不同瀝青含量情況下水泥瀝青砂漿力學性能隨溫度變化的定量關系。文獻[5]研究了不同應變率下的CA砂漿單軸抗壓特性。文獻[6]在不同溫度、齡期和加載速率共同作用下，對CRTSⅡ型CA砂漿進行單軸壓縮試驗，研究了CA砂漿在溫度及齡期相互作用下應力-應變關系及破壞形態(tài)變化規(guī)律。文獻[7]發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，CA砂漿的峰值應力和彈性模量均降低且存在線性關系，水灰比對CA砂漿的溫敏性也有影響。文獻[8]從動靜態(tài)力學行為出發(fā)，研究了不同乳化瀝青水泥砂漿的力學行為。上述文獻所研究溫度的范圍很小，均未考慮到極端溫度下對CA砂漿的影響程度。然而在幅員遼闊的地域，氣溫差異非常大。隨著高速鐵路無砟軌道的發(fā)展，CA砂漿所面臨的氣候條件也越來越復雜。

基于上述考慮，研究在極端溫度條件下的CRTSⅠ型板式無砟軌道CA砂漿的力學性能，測得了應力-應變曲線的變化規(guī)律，研究了不同溫度狀況下的彈性模量和抗壓強度及峰值，并以本試驗為基礎，嘗試用切線模量的退化來度量試件的損傷程度，研究了不同溫度下的CA砂漿的損傷檻值和溫度傷損程度。

1 試驗

1.1 CRTSⅠ型CA砂漿的原材料及配合比

水泥乳化瀝青專用干料:24 h體積膨脹率2.1%，7 d線長度膨脹率0.1%，1 d抗壓強度7.4 MPa。乳化瀝青:陽離子乳化瀝青，固含量60.1%、黏度、針入度、延度等滿足要求；聚合物乳液的相關性能指標滿足要求。水:自來水。消泡劑:有機硅消泡劑。CRTSⅠ型CA砂漿的配合比如表1所示。將拌制好的CA砂漿液體倒入φ50 mm×50 mm的塑料模具中，在中心位置埋入溫度傳感器，24 h后拆掉模具，將試塊在標準養(yǎng)護條件下(20±3 ℃，65±15% RH)養(yǎng)護28 d。

表1 CRTSⅠ型CA砂漿原材料配合比

1.2 試驗設計

取制備好的Ⅰ型試件21個，分7組，每組3個，記為M1、M2、M3，編號為1～7，第7組為對照試驗組。用游標卡尺測量試件底面直徑，精確到0.02 mm，測量3次后取平均值。其中對照組在室溫條件下進行單軸壓縮試驗，第1組試件在溫度箱中，調節(jié)溫度為-50 ℃，直到試件溫度達到設定溫度，并在此溫度下用萬能試驗機進行單軸靜態(tài)抗壓測試，試驗機的加載速率為1 mm/min。測出每個試件的應力-應變全曲線。其他各組試件按照相同方法，分別在-40、-30、20、40、60 ℃和80 ℃下進行試驗。同時注意測量室溫并做記錄。

2 結果與討論

2.1 溫度變化對應力-應變的影響

不同溫度條件下CA砂漿的應力-應變曲線如圖1所示，由圖1可見，不同溫度狀態(tài)下的應力-應變曲線形狀大致相同，曲線達到峰值后緩慢下降，這是由于瀝青的黏彈性改變了砂漿的韌性。當曲線越過峰值后趨于平緩，說明砂漿仍具有承載能力，存在一定的韌性和延性。砂漿在正溫和負溫的應力差別很大，負溫時瀝青處于脆性狀態(tài)，正溫時瀝青處于塑性狀態(tài)，當溫度從-50 ℃升至80 ℃時，抗壓強度由16 MPa降至1.6 MPa。

圖1 CRTSⅠ型砂漿應力-應變曲線

2.2 溫度變化對彈性模量的影響

取應力-應變曲線的峰值應力為抗壓強度σp，取0.3σp～0.5σp之間的割線斜率表示砂漿的靜態(tài)彈性模量[7]。由試驗所得數(shù)據(jù)繪制log(E)彈性模量-溫度曲線，如圖2所示。

圖2 CRTSⅠ型砂漿彈性模量-溫度曲線

由CRTSⅠ型砂漿log(E)彈性模量-溫度曲線可知，在低溫時，當溫度由-40 ℃降到-50 ℃時，彈性模量有急劇增加的現(xiàn)象。研究表明，乳化瀝青的玻璃化轉變溫度在-40 ℃左右，由此可見，在-50 ℃時，砂漿的變形微小，彈性模量較大，此時已處于玻璃態(tài)。-40 ℃時，砂漿完成了由玻璃態(tài)向橡膠態(tài)的轉變過程。在-40～40 ℃的階段，砂漿則基本表現(xiàn)出橡膠態(tài)的特性，彈性模量呈現(xiàn)出有規(guī)律的遞減。在40 ℃時，曲線出現(xiàn)拐點。研究表明，35 ℃左右為乳化瀝青的軟化點，由此可知，本試驗中乳化瀝青在40 ℃達到軟化點，當溫度大于40 ℃時，砂漿材料呈現(xiàn)出一定的流變性。

2.3 溫度變化對抗壓強度的影響

圖4 不同溫度下砂漿破壞情況

抗壓強度是一項體現(xiàn)砂漿受壓時力學性能的重要參數(shù)。通過處理不同溫度下的應力-應變曲線所得抗壓強度如表2所示。以-50 ℃時的抗壓強度作為參考抗壓強度，當溫度分別為-40、-30、20、40、60、80 ℃時，抗壓強度分別降低了8.80%、41.67%、87.30%、90.29%、93.01%、93.93%。CA砂漿抗壓強度隨著溫度的增高而減小，這是因為溫度升高后，瀝青由脆性轉變成塑性，承載能力越來越弱。

表2 不同溫度下砂漿的抗壓強度 MPa

從圖3可以看出，砂漿的抗壓強度與溫度變化存在某種擬合關系，本文在已有數(shù)據(jù)的基礎上，利用多項次函數(shù)得到擬合曲線如圖3所示。

圖3 CRTSⅠ型砂漿抗壓強度-溫度曲線

擬合曲線關系式可以表示為

σ=3.279 55-0.103 23×T+0.001 46×T2-

6.962 64×10-6×T3

(-50 ℃≤T≤80 ℃)

(1)

擬合后相關系數(shù)為0.97，擬合度較高。由表2中的關系數(shù)值可以看出，抗壓強度隨著溫度的升高快速減小，之后趨于平緩。擬合結果和實際情況十分吻合，相關系數(shù)接近1，由此說明，上述公式可以作為預測曲線來準確計算砂漿的抗壓強度。

通過上述兩個關系式，對不同溫度條件下Ⅰ型砂漿的抗壓強度進行分析，得出砂漿抗壓強度與溫度之間的經(jīng)驗公式。

3 溫度變化下砂漿傷損特性分析

在不同的溫度條件下處理后加載試件，得到的試樣破壞情況如圖4所示。由圖4可見，在極端低溫下，試件的裂紋非常大，并出現(xiàn)一定的掉塊現(xiàn)象，而當溫度高于常溫時，破壞情況并不嚴重。這是因為砂漿中的瀝青是黏彈性材料，賦予了砂漿同樣的性能，在溫度從低到高過程中，砂漿從脆性特征表現(xiàn)為塑性特征。然而這種非勻質材料，在溫度的作用下會產(chǎn)生內部應力，由此引發(fā)內部細微裂紋的發(fā)展，從而間接影響彈性模量出現(xiàn)非線性的變化。

損傷最早的時候是通過受損材料橫截面的有效面積的變化來判定的。由于材料受損時的有效面積難以測量，有部分學者提出通過利用彈性模量的變化來定義損傷[12-20]。該假說認為，當應力作用于受損材料，此時應力情況下所引起的變形可等效于作用在一虛擬的無損材料上的變形，此時虛擬無損材料的受荷載面積等于受損材料的有效承載面積[12]。

本文從宏觀角度上給出極端溫度傷損程度的定義

(2)

式中，E0為初始時的切線模量；EC為任一應力水平比情況時相對應的切線模量，其中應力水平比表示不同溫度情況下CA砂漿應力-應變曲線增加階段中任一應力與相對應抗壓強度的比。

通過這種計算，可以忽略內部傷損產(chǎn)生的初始微縫隙和微裂紋，能夠簡化內部傷損變化的過程，從而對傷損的變化進行有效的分析。引入混凝土中描述損傷程度的方法及應力空間的概念，來描述不同溫度處理下的損傷情況[14-15]。

在應力空間[14]中，將砂漿損傷過程趨于穩(wěn)定的應力大小稱為損傷應力檻值σk，定義損傷應力檻值為砂漿傷損程度為0.05時對應的應力[16]。通過分析可以得到不同溫度下的砂漿損傷應力檻值σk以及與抗壓強度σC的比值RC(RC=σk/σC)。如表3所示。

表3 砂漿的σk和RC

由表3可知，隨著溫度的不斷上升，損傷應力檻值在減小。這說明在低溫狀態(tài)時，砂漿承載能力相應提高了，而溫度升高之后承載能力逐漸下降，這是由于砂漿中的瀝青的存在，瀝青在低溫時表現(xiàn)出脆性狀態(tài)，高溫時表現(xiàn)出黏塑性狀態(tài)[7]。以-50 ℃為準參考溫度，-40，-30，20，40，60，80 ℃的平均損傷應力檻值依次降低了47.42%，69.36%，84.01%，84.29%，85.23%，93.39%。當溫度增大到一定時，溫度對砂漿的應力影響不是非常明顯，產(chǎn)生這一結果的原因是瀝青還有一定的高溫潤滑性，高溫潤滑性影響了砂漿應力-應變曲線的狀態(tài)，從而導致了砂漿損傷應力檻值不斷減小，同時也減小了砂漿的抗壓強度，因此，在溫度升高時，砂漿的應力檻值與抗壓強度的比值RC受溫度的影響不是很明顯。

4 結論

通過單軸壓縮試驗，研究了不同溫度下砂漿的彈性模量和抗壓強度，根據(jù)測試結果得出以下結論。

(1)隨著溫度的升高，砂漿的抗壓強度和彈性模量變小，通過模量-溫度曲線表現(xiàn)出砂漿彈性模量由脆性逐漸轉變?yōu)樗苄浴姸?溫度曲線進行三次多項式擬合，能夠對不同溫度下的砂漿抗壓強度進行較優(yōu)的擬合。

(2)砂漿的模量和抗壓強度對溫度非常敏感。在極端低溫下，砂漿損傷的檻值均增高。隨著溫度的升高，砂漿損傷應力檻值減小，當溫度增大到一定時，砂漿的應力檻值與抗壓強度的比值RC受溫度的影響不是很明顯。