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

(1.中南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410075； 2.西安建筑科技大學 土木工程學院， 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鍵工程材料，起支撐、調平、傳遞荷載、協調變形以及阻斷裂紋等重要作用，對高速列車的安全、穩定、舒適運營有嚴重影響．基于中國軌道結構的特點，中國研制了適應中國鐵路軌道結構系統(CRTS)的Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿．現場調研結果表明，部分早期的CA砂漿充填層在運營后出現脫空、離縫、積水、翻漿、開裂和碎裂等劣化現象，這一方面與溫變、路基沉降等導致的軌道結構變形有關，另一方面也與充填層材料自身在服役環境下耐久性不足有關，而長期荷載作用下的不可恢復變形是其中關鍵因素之一[1-3]．因此，研究CA砂漿的徐變及其機理有十分重要的意義．

作為一種有機-無機復合材料，CA砂漿的徐變影響因素較多，機理復雜．Xie等[4]研究了加載時間為100d左右的CA砂漿徐變，發現CA砂漿的徐變表現出階段性，Ⅰ型CA砂漿的徐變高于Ⅱ型CA砂漿，并基于熱力學理論建立了CA砂漿徐變方程，推導出CA砂漿長期荷載限值為其極限抗壓強度的40%．彭濤等[5]研究了CA砂漿在不同圍壓條件下短時間內的徐變，并基于徐變類型構建了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)質量比的增加而增大，較大瀝灰比(mA/mC)的CA砂漿適合于對數型徐變模型，而在較小圍壓下，冪函數型模型擬合精度更高．周錫玲等[6]發現長期、反復的溫濕度變化將導致CA砂漿產生不可恢復變形．由于材料徐變是一個長期過程，而目前尚無加載時間為3a以上CA砂漿徐變特性的報導，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砂漿在加載時間為3a時的徐變，分析了應力水平對其徐變的影響，并結合掃描電子顯微鏡和孔隙結構等試驗結果，探討了其徐變機理．

1 試驗

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量分數或質量比.

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砂漿的各項性能分別滿足《客運專線鐵路CRTS Ⅰ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術條件》[7]和《客運專線鐵路CRTS Ⅱ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術條件》[8]的規定．

1.2 試驗方法

將乳化瀝青和水倒入攪拌鍋中慢攪1min，在前30s內，加入適量(約0.05g/L)消泡劑以消除攪拌過程中產生的較大氣泡；在后30s內，將干粉料緩慢加入攪拌鍋中．投料結束后，快速攪拌砂漿2min，最后再慢速攪拌約30s，以消除大氣泡．攪拌結束后，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)%的環境箱中進行養護．

在1mm/min的加載速度下測試CA砂漿的 56d 抗壓強度，得出Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿的抗壓強度分別為1.99、 5.26MPa．徐變測試裝置如圖1所示.分別采用抗壓強度的10%、20%、30%、40%、50%作為設計荷載進行CA砂漿徐變試驗，即應力水平為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定荷載，采用測力環讀取荷載值，當荷載達到設定的徐變荷載時，通過調整螺母以保持荷載在±2%范圍內.徐變變形通過千分表讀取，千分表插頭預先埋入試件中．每組測試3個試件，結果取平均值，同時測試CA砂漿同條件收縮變形，以補償實際徐變值．

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

當達到設計荷載時，立即讀取CA砂漿變形值作為瞬時變形．在開始1h內，每隔20min采集1次數據，之后每隔1h采集1次數據，12h后每隔6h采集1次數據，7d后每隔12h采集1次數據，當變形速率較穩定時，每隔24或48h采集1次數據．加載至 960d 左右進行卸載，卸載完后，立即讀取CA砂漿瞬時變形恢復值，并每隔2h采集1次數據，在變形較穩定時每隔24h采集1次數據，最后對卸載后的CA砂漿試件進行力學性能測試、壓汞測試和掃描電子顯微鏡(SEM)分析．本文采用文獻[9]中的C40普通混凝土進行對比分析.

2 結果與討論

2.1 CA砂漿的徐變分析

不同應力水平下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大于普通混凝土，應力水平越高時越明顯；當應力水平為0.3時，Ⅰ型CA砂漿的10d徐變為1400μm/m，Ⅱ型CA砂漿的10d徐變為 1000μm/m，而普通混凝土徐變為700μm/m；但當應力水平達到0.5時，Ⅰ型CA砂漿的10d徐變為5000μm/m，Ⅱ型CA砂漿在10d時就已經破壞，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個階段：早期快速增長階段、中期穩定增長階段、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 徐變達到3a徐變的近50%；中期Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿的徐變也穩定增長，300d徐變達到3a徐變的近90%；而后期Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿的徐變增加較小．在較低應力水平下，CA砂漿的徐變在300d左右基本不再增長，而應力水平較高時，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，徐變恢復進入穩定的時間要短很多，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砂漿徐變與應力水平的關系如圖3所示，不同應力水平下CA砂漿的徐變及徐變恢復如 表3、4所示.由圖3可見：CA砂漿的總徐變隨應力水平呈指數函數關系增長，且對于Ⅱ型CA砂漿，當應力水平為0.5時，在持續荷載作用下短期內即發生開裂與失效，Ⅱ型CA砂漿的長期承載力僅為其抗壓強度的40%左右．由表3、4可見：應力水平越高，CA砂漿各個階段的徐變越大，不可逆徐變占比越高，徐變恢復與徐變的比值越低，這反映出由徐變導致的內部傷損增多；在應力水平較低時，Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿的加載瞬時應變和瞬時應變恢復比較接近，隨著應力水平的增大，Ⅰ型CA砂漿的加載瞬時應變比Ⅱ型增加的幅度更大；同時，Ⅰ型CA砂漿的加載瞬時應變和瞬時應變恢復的差值越來越大，Ⅱ型CA砂漿相對較小；當應力水平為0.3時，Ⅰ型CA砂漿的加載瞬時應變為506μm/m，Ⅱ型CA砂漿為 496μm/m，更接近于普通混凝土的488μm/m，Ⅰ型CA砂漿的瞬時應變恢復為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砂漿徐變與應力水平的關系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，但其徐變對應力水平更為敏感，徐變隨應力水平增加的幅度更大.當應力水平由0.1提高至0.4時，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]，且應力水平在0.4以下時，其徐變和應力比呈線性關系．當應力水平為0.5時，Ⅱ型CA砂漿出現了徐變破壞，這表明其所能承受的長期荷載僅為0.4倍極限應力，遠小于普通混凝土的0.75[11]．Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿的徐變恢復分別是其徐變的3%～10%、6%～14%，而普通混凝土的徐變恢復是徐變的 5%～ 15%[12]，甚至可能達到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生的變形大部分不能恢復[14]，因此CA砂漿的可恢復徐變的較小，瀝青含量較多的Ⅰ型CA砂漿的可恢復徐變最少，且應力水平越大，瀝青的塑性變形越大，CA砂漿的可恢復變形越少．

表3 Ⅰ型CA砂漿的徐變及徐變恢復

表4 Ⅱ型CA砂漿的徐變及徐變恢復

2.2 CA砂漿徐變度分析

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

由圖4可見：在徐變階段，應力水平為0.3時，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：在徐變恢復階段，應力水平為0.3時，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階段的徐變度均遠大于普通混凝土的徐變度，說明CA砂漿的變形能力遠強于普通混凝土，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砂漿徐變恢復的徐變度曲線Fig.5 Creep degree curves of creep recovery of CA mortar

在徐變階段，應力水平越大，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.當應力水平從0.1到0.4時，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，其徐變度隨應力水平增加的幅度更大，這與3.1節中徐變隨應力水平增加的趨勢一致．在徐變恢復階段，隨著應力水平的增大，CA砂漿和普通混凝土的徐變度都是先減小后增大，Ⅰ型CA砂漿轉折點的應力水平為0.3，而Ⅱ型CA砂漿為0.2．

2.3 CA砂漿徐變后的力學性能

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

Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿的力學性能隨應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，當應力水平從0.1增大到0.4時，其彈性模量(1/3割線模量)與峰值應變基本不變；而對于Ⅱ型CA砂漿，徐變后的抗壓強度與彈性模量均明顯增加，但峰值應變卻明顯減小，這表明其變形能力在徐變后明顯退化．

圖6 徐變3a后CA砂漿的應力-應變曲線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砂漿徐變后的微細觀結構

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物凝膠和瀝青膜2種膠結相，這2種膠結相形成相互交織的空間網絡結構并將砂子骨料膠結成整體，其內部存在大量的有機-無機物界面[16]．

目前對于水泥基材料的徐變研究集中在普通混凝土領域，徐變理論較多，且理論大多基于水泥水化物的微、細觀結構特性，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、內力平衡等[10,15,17-18]．由于CA砂漿存在復雜的物相與界面，因此其徐變機理復雜．圖9為徐變后CA砂漿的孔隙結構曲線．

圖8 CA砂漿的SEM照片Fig.8 SEM photograph of CA mortar

圖9 徐變后CA砂漿的孔隙結構曲線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生化學反應，且瀝青顆粒的粒徑為1～10μm，因此40nm孔應與水泥水化物的毛細孔有關，而 1μm 孔應與水泥水化物與瀝青界面孔有關， 6μm 孔應與瀝青顆粒間隙等有關；隨著應力水平的變化，徐變后的CA砂漿孔徑分布曲線變化較大，且變化規律呈非單調的特點，不同孔徑的孔隙存在轉化與遷移現象，顯示出其內部微結構發生著較大變化；隨著應力水平的增加，CA砂漿40nm、 1μm 孔數量先減小后增加，而6μm孔數量先增大后減小．40nm孔數量的變化應與水化物毛細孔的閉合與擴張有關，在低應力水平下，毛細孔發生閉合，隨著荷載的增加，水泥水化物凝膠將產生流動，進而導致毛細孔增加．1μm孔數量的變化應與各物相界面孔的閉合與擴張有關，低應力水平同樣導致界面孔閉合，而增大荷載將使界面產生滑移，界面孔體積增大，但當滑移至一定程度，滑移面受約束與阻隔時，荷載又產生密實閉合效果，進而導致界面孔體積減少． 6μm 孔數量為其中大型復合凝膠團結構間的孔隙，受荷時其變形最先啟動，導致CA砂漿內部應力重分布，隨后的密實效應則導致孔隙減小、強度增加、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，同時由于CA砂漿與普通混凝土組成、結構之間差別較大，CA砂漿與普通混凝土徐變特性存在質的區別．CA砂漿徐變較大以及徐變導致變形能力退化與微結構變化等，在實際工程中應引起重視，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意義．

4 結論

(1)CA砂漿徐變速度遠大于普通混凝土.應力水平為0.5時，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砂漿可恢復徐變的比例較小．

(2)應力水平對CA砂漿徐變有嚴重影響，在低應力水平下，徐變在300d后幾乎不再增長，而高應力水平下，后期徐變仍增加明顯，Ⅱ型CA砂漿的長期承載力僅為其抗壓強度的40%左右．

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

(4)徐變使CA砂漿孔結構發生變化，應力水平對其徐變過程中的孔結構演化有較大影響，這可能與長期荷載作用下砂漿內部的微裂紋閉合、界面滑移、瀝青黏性流動等有關．