水泥乳化瀝青砂漿峰值應變的試驗研究

田 青，張 苗，蔡基偉，袁玉卿，鄧德華

(1.河南大學循環與功能建材實驗室，開封 475004；2.河南大學開封市工程修復與材料循環工程技術研究中心，開封 475004； 3.中南大學土木工程學院，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，經水泥與乳化瀝青共同作用并膠結硬化而成的有機-無機復合砂漿，其重要用途之一是用作我國高速鐵路板式無砟軌道結構的充填層材料，起著承力、傳力、幾何調整和提供阻尼的重要作用[1-4]。作為一種工程結構材料，力學性能是評價其服役性能的重要依據，隨著高速鐵路基礎建設的快速發展，國內外對CA砂漿的力學性能進行了深入研究。黃直久[5]、Wang[6]等分析了CA砂漿抗壓強度的主要影響因素及內在機理，萬赟等[7]依據混凝土的微觀力學理論，建立了CA砂漿抗壓強度與組成參數的數學模型。譚憶秋等[8]分析了材料組成及配比對CA砂漿彈性模量的影響規律，萬赟[9]、Tian[10]等建立了其彈性模量與微結構參數的數學關系。

從上述研究可以看出，國內外對于CA砂漿力學性能的研究主要集中于抗壓強度或彈性模量，而對于CA砂漿變形特性的研究則鮮見報道。了解與掌握CA砂漿的變形規律，是進一步評價CA砂漿傷損劣化行為及提高其服役性能的關鍵之一。本文基于不同配合比CA砂漿的單軸壓縮試驗，分析其結構組成對峰值應變的影響，并進一步建立了CA砂漿峰值應變與抗壓強度之間的定量關系，可為板式無砟軌道的結構設計和安全維護提供一定參考。

1 實 驗

1.1 原材料

試驗采用安徽中鐵工程材料科技有限公司生產的CA砂漿專用干料，其中水泥含量為37.5%，28 d實測抗壓強度為40.85 MPa。選用殼牌(天津)公司產陽離子乳化瀝青，其中瀝青的質量分數為60%。消泡劑為有機硅類消泡劑，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量之比；W/C為水灰比，水灰比的計算中水為乳化瀝青中水與外加水之和。試驗采用“先濕后干”的方法進行攪拌，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，然后在轉速為90 r/min時緩慢加入干料，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) ℃、相對濕度90%的環境下養護至28 d。用打磨機對試件的表面進行處理，使其上、下表面平行。

1.3 力學性能測試

對不同組成的CA砂漿進行單軸壓縮試驗，參照文獻[11]的試驗方法，測試各配合比試件的應力-應變全曲線。

2 結果與討論

2.1 CA砂漿的峰值應變

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

圖1 CA砂漿的典型應力-應變曲線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砂漿的結構特性，CA砂漿的微觀結構如圖2所示。A/C較大時，CA砂漿的微觀結構以瀝青為連續相，水泥水化物和砂子則充當分散相，膠凝體系的力學性能更接近于瀝青的力學特性[12]，因而CA砂漿表現為低強度、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的骨架結構，故在較低的應力水平下骨架結構即達到承載極限，即CA砂漿達到彈性變形極限，開始進入塑性變形階段。常溫下瀝青具有顯著的粘塑性變形能力，包裹著水化產物和砂子持續的塑性變形與粘性流動直至最終破壞，因而CA砂漿具有較大的峰值應變。

圖2 CA砂漿的微觀結構Fig.2 Microstructure of CA mortar

隨著A/C的減小，水泥砂漿逐漸轉變為連續相，瀝青只作為分散相填充其中，因而整個膠凝體系的力學性能更接近于普通砂漿，呈現高強度、高模量的力學特征[12]。此時，CA砂漿的力學性能主要由水泥砂漿的剛性骨架提供，其強度雖然有所提高，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，內部的裂紋等損傷將快速發展，使CA砂漿迅速達到變形極限。

當瀝青含量不變而W/C改變時，影響了CA砂漿中毛細孔的體積含量。CA砂漿在受壓過程中，富集在毛細孔中的自由瀝青將產生粘性流動從而消耗外力功[13]，而毛細孔的多少正是影響瀝青流動效果的重要因素。隨著W/C的減小，CA砂漿中的孔隙含量降低，瀝青流動的通道減少，相應消耗的外力功也較少。當CA砂漿達到承載極限時，內部儲存的彈性能轉變為缺陷擴展的表面能[14]，在總能量相近的情況下，耗散能越小，表面能相對越大，缺陷擴展越為迅速，試件破壞的發生也更為急促，相應的εp越小。

2.2 峰值應變與抗壓強度的定量關系

CA砂漿的各力學參數并不是孤立的，峰值應變與抗壓強度是對CA砂漿宏觀力學性能的某一方面描述，兩者之間必然存在某種定量的轉換關系。目前，國內外針對水泥基材料的峰值應變已有較多的研究，并且提出了多種計算公式[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為抗壓強度，MPa；εp為峰值應變；a、b為方程參數。

將式(1)～(4)對實測的抗壓強度、峰值應變等數據進行擬合，所得的典型擬合曲線如圖3所示，參數a、b的值及相關系數如表2所示。

由圖3及表2可知，由林大炎方程得到的擬合結果與實驗結果具有良好的一致性，兩者的相關系數達到0.923 8。由此可得，林大炎方程最適合描述CA砂漿抗壓強度與峰值應變之間的關系。

圖3 不同方程的擬合結果Fig.3 Fitting results of different formulas

表2 參數a、b的值及相關系數Table 2 Values of a, b and correlation coefficients

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

相關標準[16-17]對于Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿的28 d強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，對應相應標準時，CA砂漿的峰值應變近似為4.5×10-3、3.0×10-3。以CA砂漿的高度為50 mm計，結合峰值應變的理論計算，Ⅰ、Ⅱ型CA砂漿單軸壓縮破壞時縱向約產生0.225 mm、0.15 mm的幾何尺寸變化。然而，不同于單軸壓縮試驗的獨立個體，實際工程中CA砂漿充填層是一個較大的整體，有著不同的側限條件[18]，圍壓的存在使得CA砂漿的峰值應變顯著提高(至少可提高約3～5倍[18])。參考單軸壓縮破壞時的幾何尺寸變化，實際工程中，Ⅰ、Ⅱ型砂漿充填層發生傷損破壞時約產生0.675～1.125 mm、0.45～0.75 mm的高度變化。結合高速鐵路軌道結構幾何狀態的實時監控，當砂漿充填層的縱向尺寸變化接近上述閾值時，應引起警示并對其進行檢測與維護。

3 結 論

(1)峰值應變反映了CA砂漿在破壞荷載時的變形能力，峰值應變越大，破壞前能夠發生的變形越大。

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

(3)依據擬合良好性，林大炎方程最適合表征CA砂漿峰值應變與抗壓強度間的定量關系。結合峰值應變的理論計算及CA砂漿充填層的實際受力狀態，估算了充填層發生傷損破壞時的幾何尺寸變化。