疲勞荷載對水泥乳化瀝青纖維復合材料黏彈行為的影響及機理分析

曹睿明，陳小兵，陳先華

(東南大學 交通學院，江蘇 南京 210096)

0 引言

水泥乳化瀝青復合膠漿是由水泥和乳化瀝青復合而成的膠結材料，主要用于高速鐵路板式無砟軌道CA砂漿的膠結料[1-4]，在道路工程中水泥乳化瀝青復合膠漿與適宜級配的集料一起經過冷拌、冷鋪和碾壓之后形成的水泥乳化瀝青混凝土，可以作為道路鋪面材料使用[5-8]。水泥和乳化瀝青結合時，水泥遇水發生水化硬化，乳化瀝青失水破乳出現凝結，共同促進了材料基體強度的增長，同時也發揮了水泥高強度和瀝青易變形的優勢，極大地擴展了復合材料的服役范圍[9-11]。實際使用時，荷載作用下，水泥乳化瀝青復合膠漿受到疲勞荷載的重復作用，性能會逐漸劣化直至破壞。水泥乳化瀝青復合膠漿中瀝青作為典型的黏彈性材[12-13]，在荷載作用下會出現應力應變的滯后，造成材料整體力學響應狀態的變化。為了增強水泥乳化瀝青復合膠漿的性能，本研究將玄武巖纖維作為增強相摻入水泥乳化瀝青復合膠漿中制備得到了水泥乳化瀝青纖維復合材料，并研究了疲勞荷載作用下，復合材料的黏彈行為，為促進水泥乳化瀝青復合膠漿的纖維增強研究提供理論指導。

1 試驗

1.1 原材料

乳化瀝青采用自制的陽離子乳化瀝青，其蒸發殘留物的主要技術指標如表1所示；水泥采用P.O.42.5R普通硅酸鹽水泥，其主要化學成分如表2所示；纖維選用鹽城市某工程材料有限公司生產的短切玄武巖纖維，外觀呈灰白色絮狀，單纖直徑約5 μm，長度3～6 mm，密度為2.815 g/cm3；增稠劑和消泡劑分別選用聚氨酯類增稠劑和有機硅消泡劑。

表1 乳化瀝青蒸發殘留物基本性質Tab.1 Basic properties of emulsified asphalt evaporation residue

表2 水泥的化學組成Tab.2 Chemical composition of cement

1.2 水泥乳化瀝青纖維復合材料制備

首先按不同A/C稱取一定質量的乳化瀝青倒入拌和鍋中，并加入一定質量的消泡劑，以60 r/min的速度攪拌60 s使材料充分混合直至均勻;然后稱取一定質量的玄武巖纖維倒入拌和鍋并繼續攪拌180 s,使纖維均勻分散在乳化瀝青中;再將對應比例的水泥、減水劑和增稠劑倒入拌和鍋，以60 r/min的速度攪拌60 s，以120 r/min的速度快速攪拌180 s，再以60 r/min的速度攪拌60 s;最后將混合物倒入60 mm×15 mm×4 mm的試模中，放置3 d后拆模，將拆模后的試件放入標準養護室養護60 d后，進行蠕變試驗。

1.3 試驗方法

采用動態剪切流變儀(DSR)測試水泥乳化瀝青纖維復合材料的黏彈行為，測試循環荷載作用下，復合材料復數模量和相位角的變化規律。其中加載模式采用應力控制模式，試驗溫度為25 ℃，加載頻率為10 Hz。并根據不同A/C情況下復合材料的強度差異，選用合適的應力水平。

將循環荷載施加于黏彈性材料時，應力和應變的響應會存在一個初始的相位差[14-16]，如圖1所示。此時繪制應力-應變曲線發現曲線呈閉合環狀，在黏彈性理論中將應力應變環稱為滯后環線，如圖2所示。

圖1 應力應變響應Fig.1 Stress and strain responses

圖2 滯后環線Fig.2 Hysteresis loop

滯后環所包含的面積稱為一個循環加載過程中產生的耗散能，分別由式(1)和式(2)可以計算得到一個循環加載后的耗散能和前n個循環的累計耗散能[17-18]。

(1)

(2)

式中，wi為第i個循環的耗散能；σ為應力值；ε為應變振幅；δ為相位角；G*為復數模量值。

2 試驗結果及分析

2.1 水泥乳化瀝青膠漿黏彈行為

配置不同A/C的水泥乳化瀝青膠漿，測定在不同應力水平時，膠漿試件的耗散能隨疲勞荷載作用次數的變化規律，并計算破壞時的累計耗散能，研究水泥乳化瀝青膠漿的黏彈行為，試驗結果如圖3和表3所示。

圖3 疲勞荷載對水泥乳化瀝青膠漿耗散能的影響Fig.3 Influence of fatigue load on dissipation energy of cement emulsified asphalt mortar

從圖3可以看出，各配比下水泥乳化瀝青膠漿的耗散能隨疲勞荷載的變化規律可分為:快速增長期，緩慢增長期和急速增長期3個階段。在快速增長期，隨著加載次數的增多，耗散能迅速增大；直至加載次數達到一定值后，進入緩慢增長期，耗散能的增長速率逐漸放緩，應力水平越小，此階段的耗散能變化速率越慢，持續時間越長；當加載次數達到一定值后，進入急速增長期，耗散能隨著加載次數的增多急速增長，直至試件完全破壞。之所以出現這種現象，是因為水泥乳化瀝青膠漿中，瀝青為黏彈性材料，硬化后的水泥為剛性材料，在荷載作用初期，瀝青會有一段流變區，在流變期內應力應變滯后圈對應的面積相等，因此瀝青部分的耗散能是一定的，沒有損傷產生，而水泥在荷載作用下無法發生相應的緩沖形變，應力無法得到釋放，水泥部分的損傷從加載開始就產生了，因此快速增長期主要是因為水泥部分的損傷造成的。進入緩慢增長期后，水泥部分的損傷接近完成，瀝青部分的損傷逐漸開始，而具有黏彈屬性的瀝青在荷載作用下產生形變，使部分應力得到釋放，因此損傷速率較慢；進入急速增長期后，瀝青部分出現了大面積損傷，隨著加載次數的增多，損傷急速發展，試件很快達到破壞狀態。

表3 疲勞荷載對水泥乳化瀝青膠漿累計耗散能的影響Tab.3 Influence of fatigue load on cumulative dissipation energy of cement emulsified asphalt mortar

從表3可以看出，A/C一定時，隨著應力的增大，水泥乳化瀝青破壞時對應的累計耗散能逐漸減小，說明疲勞荷載越大，試件內部出現裂縫越早，且裂縫的擴展速度越快，因此累計耗散能越小。當應力一定時，隨著A/C的增大，水泥乳化瀝青膠漿破壞時的累計耗散能逐漸增大。解釋其原因主要為，當A/C較小時，水泥乳化瀝青膠漿中彈性成分逐漸較多，黏性成分較少，隨著A/C的增大，膠漿中黏彈性比例發生變化，導致儲存模量增大，而損耗模量減小，疲勞荷載對試件所做的功大部分被完全消耗，得不到儲存，因此每個循環加載時所產生的耗散能逐漸增大，膠漿破壞時對應的累計耗散能逐漸增大。

2.2 水泥乳化瀝青纖維復合材料黏彈行為

控制A/C=1.0不變，在水泥乳化瀝青膠漿中摻加不同摻量的玄武巖纖維(0%，1%，2%，3%和4%)，測定不同應力水平時，試件耗散能和累計耗散能隨纖維摻量的變化規律，研究水泥乳化瀝青纖維復合材料的黏彈行為，試驗結果如圖4和表4所示。

圖4 疲勞荷載對水泥乳化瀝青復合材料耗散能的影響Fig.4 Influence of fatigue load on dissipation energy of cement emulsified asphalt composite

從圖4可以看出，玄武巖纖維的摻入使水泥乳化瀝青膠漿破壞時對應的疲勞荷載作用次數增多，且隨著纖維摻量的增多，試件破壞時對應的加載次數呈現先增大后減小的變化規律，當纖維摻量為2%時，試件破壞時對應的加載次數最大。摻入玄武巖纖維后，試件耗散能曲線變緩，且應力水平越大，這一現象越明顯，表明纖維的加入能延緩水泥乳化瀝青的破壞速率。

從表4可以看出，當應力水平一定時，隨著玄武巖纖維摻量的增多，水泥乳化瀝青纖維復合材料破壞時的累計耗散能呈現先增大后減小的變化規律，當纖維摻量為2%時，累計耗散能有最大值。這是因為，當玄武巖纖維摻量小于2%時，纖維在水泥乳化瀝青膠漿中起到加筋作用，荷載作用下纖維得到拉伸，荷載對試件做的功被纖維的受力變形所消耗，此時增大纖維摻量使試件儲存的能量逐漸減小，因此累計耗散能逐漸增大。而當玄武巖纖維摻量大于2%時，纖維在水泥乳化瀝青膠漿中的分散均勻性變差，此時增大纖維摻量造成部分纖維出現結團現象，成為水泥乳化瀝青中的應力集中點，在荷載作下容易出現尖端裂縫，因此在疲勞荷載作用下更容易出現破壞，對應的疲勞荷載作用次數減少，累計耗散能隨之減小。

表4 疲勞荷載對水泥乳化瀝青復合材料累計耗散能的影響Tab. 4 Influence of fatigue load on cumulative dissipation energy of cement emulsified asphalt composite

2.3 微觀機理分析

為了分析玄武巖纖維對水泥乳化瀝青膠漿黏彈行為的作用機理，利用掃描電鏡分別測試A/C=1.0時，添加纖維前后(纖維摻量為2%)水泥乳化瀝青膠漿的微觀形貌，試驗結果如圖5所示。

圖5 水泥乳化瀝青纖維復合材料掃描電鏡微觀結構圖Fig.5 SEM microstructure of cement emulsified asphalt fiber composite

從圖5可以看出，未摻加纖維時，水泥乳化瀝青膠漿固化體系的微觀結構中，瀝青與水泥的水化產物相互包裹，形成良好的有機無機復合材料結合體。在膠漿中摻入2%的玄武巖纖維后，纖維在復合基體中的分散性良好，玄武巖纖維良好的吸附能力，使瀝青黏附于纖維表面形成觸角狀結構，在纖維的相交交聯中起到嵌鎖作用，增強了材料間的黏附性和整體性，因此使復合材料的黏彈行為發生改變。另外，玄武巖纖維具有加筋作用，纖維雜亂均勻地分散在水泥乳化瀝青膠漿中，相互搭接形成穩定的空間網絡結構，當疲勞荷載作用時，膠漿基體將應力傳至纖維形成的網絡結構中，空間網絡結構受力變形使應力得到釋放，因此改變了水泥乳化瀝青膠漿的黏彈行為。

3 結論

(1)隨著疲勞荷載作用次數的增多，水泥乳化瀝青膠漿的耗散能呈現快速增長期，緩慢增長期和急速增長期3個階段的變化規律；應力水平越大，水泥乳化瀝青破壞的累計耗散越小；隨著A/C的增大，水泥乳化瀝青膠漿破壞時的累計耗散能逐漸增大。

(2)玄武巖纖維的摻入提高了水泥乳化瀝青膠漿的疲勞壽命，降低了耗散能曲線的變化速率；隨著纖維摻量的增多，疲勞壽命和累計耗散能呈現先增大后減小的變化規律，當纖維摻量為2%時，疲勞壽命和累計耗散能都出現最大值。

(3)A/C=1.0的水泥乳化瀝青膠漿的微觀結構具有良好的均勻性，玄武巖纖維能良好地分散在膠漿基體中；纖維對瀝青起到吸附作用，且纖維間相互搭接形成穩定的空間網絡結構，改變了受力時水泥乳化瀝青膠漿的黏彈行為。