雙塊式無砟軌道混凝土界面疲勞性能試驗研究

王明昃，蔡成標，張嘉偉，何慶烈，曾東方，羅信偉

(1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；2.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010)

無砟軌道作為高速鐵路關鍵基礎結構，長期承受車輛動載、復雜環境等復合作用影響，無法避免出現病害現象。針對雙塊式無砟軌道服役現狀的調查發現道床板與支承層層間離縫是其服役過程中的典型病害之一[1]。在無砟軌道的服役過程中，道床板受溫度梯度作用發生翹曲變形，層間界面產生拉應力。當界面應力達到界面黏結強度時，道床板與支承層脫黏形成離縫；即使在界面應力低于界面黏結強度時由于長期反復的溫度梯度、列車荷載及離縫積水耦合作用，道床板與支承層黏結界面也會發生疲勞損傷與離縫擴展。離縫的形成會加速無砟軌道層間損壞，最終導致無砟軌道系統失效，帶來嚴重的服役安全問題[1-3]。

雙塊式無砟軌道道床板-支承層混凝土層間黏結屬于新老混凝土黏結。國內外對新老混凝土黏結力學性能的研究表明，界面表面處理和粗糙程度是新老混凝土界面黏結強度的重要影響因素[4-5]。田冬梅等[6]針對無砟軌道層間黏結性能研究發現，環境溫度變化是導致層間離縫的重要原因之一。元強等[7]、彭勇[8]研究表明混凝土表面粗糙度和強度等級是無砟軌道界面黏結性能的重要影響因素。Zhu等[9]在研究無砟軌道界面黏結性能時成功引入內聚力模型，較好的模擬了界面離縫、脫黏、損傷等力學行為。李培剛[10]使用內聚力模型分析界面損傷、開裂，并研究層間脫黏對軌道動力性能的影響。高亮等[11]研究了溫升和持續高溫荷載作用下，無砟軌道層間界面脫黏情況。王明昃等[12]采用DIC技術研究了單調荷載下C40～C20混凝土界面開裂行為，得到了界面強度的關鍵參數，但未獲得界面的疲勞性能。Dai等[13]開展了連續板式軌道層間抗剪性能的推板試驗，研究了無砟軌道界面剪切強度和界面黏結滑移行為。綜上可見，目前針對雙塊式無砟軌道層間黏結疲勞行為的理論與試驗研究鮮有相關文獻報道。為探明無砟軌道層間界面黏結疲勞性能，本文通過雙塊式無砟軌道道床板-支承層復合試件疲勞試驗方法，探明了疲勞加載和單調加載下界面的破壞形態，分析確定了雙線性內聚力本構模型關鍵參數，研究得到了不同疲勞應力水平下界面疲勞S-N關系，以及界面張開位移幅值增長率、界面張開速率等隨荷載循環次數的發展演變規律。這些測試結果可用于列車動載、環境荷載等長期反復作用下軌道層間界面長期服役性能的理論與仿真分析，為研究雙塊式無砟軌道層間界面疲勞損傷與離縫擴展提供理論依據和參考。

1 試驗方案

試驗在電液伺服疲勞試驗機上進行，采用應變片測量界面力學行為。

1.1 加載方式和試件制作

參考雙塊式軌道施工步驟確定試件制作方法。雙塊式無砟軌道建造時，首先鋪設支承層混凝土并進行表面拉毛，待支承層混凝土達到一定強度后，在其表面架立鋼筋、雙塊式軌枕以及鋼軌扣件，隨后立模澆筑道床板混凝土[14]。

試件為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，由兩層75 mm厚混凝土塊先后澆筑而成，分別按照道床板、支承層混凝土配比制作，參照現場施工順序先后澆筑支承層、道床板混凝土。試驗采取劈拉方式加載。試塊中支承層低塑性水泥混凝土相關技術要求見表1。混凝土性能指標符合科技基〔2008〕74號《客運專線鐵路無砟軌道支承層暫行技術條件》[15]規定。

表1 試塊支承層低塑性水泥混凝土技術要求

試塊道床板混凝土相關技術要求見表2。所用原料與支承層低塑性水泥混凝土相同。

表2 試塊道床板混凝土技術要求

試件混凝土塊制作成型主要有攪拌、振搗、脫模、養護幾個工序。先澆筑位于下層的支承層混凝土，在經過28 d養護之后重新裝入試模，在其上部按同樣方法澆筑道床板混凝土，再經28 d養護后試件即制作完成，形成研究所需的混凝土界面。

1.2 試驗裝置

參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[16]對立方體試塊劈拉試驗的要求，采用半徑75 mm的鋼制弧形墊塊加載。在鋼墊塊和試件之間有寬20 mm、厚4 mm的三層膠合板緩沖墊條。正式加載前先施加1 kN預壓力使鋼墊塊與試件緊密接觸。試驗包括兩部分：單調加載測定界面靜強度和法向張力-位移關系，等幅正弦波加載研究界面疲勞性能。

1.3 測試內容和方法

試件疲勞破壞時的交變應力幅值與靜強度之比為疲勞應力水平，顯然不同循環次數下的疲勞強度亦不相同。在進行疲勞試驗前需獲得界面靜強度和單調荷載下的界面張力-位移關系。首先進行界面黏結強度測試，需測3個試塊。以0.02 MPa/s速率單調增加荷載，直至試件破壞。隨后開展界面受拉疲勞試驗，得到界面開裂壽命與疲勞應力水平的關系，并分析界面張開運動特征的演變規律。疲勞加載時施加等幅的正弦荷載，最小為1 kN，遠小于試塊靜強度，即此為最小應力水平Smin≈0。疲勞試驗加載工況見表3。任一試件的界面疲勞壽命為試件界面開裂時的加載次數。疲勞加載次數超過300萬次視為不發生疲勞破壞。

表3 界面疲勞試驗加載工況

測定界面張開位移、界面應力等力學參數是本試驗的重點和難點。諸多研究者在脆性材料破壞性能的研究中，通過試驗證實采用應變計記錄試件破壞過程是可行的[17]，該方法簡單易行且成本較低。參考上述方法，將應變計橫跨于被測界面兩端，為確保應變計金屬柵格部分變形均勻，試驗中金屬柵格部分的應變計基底不粘貼，其余部分與試件牢固粘貼，測得應變計長度變化值即可得到界面張開位移。信號采集系統的采樣頻率為1 kHz，遠大于荷載最大作用頻率15 Hz。

數值計算分析表明，劈拉荷載作用下，試件界面約80%區域的法向應力幾乎相等，即所受疲勞效應是相同的，見圖1。

圖1 劈拉試件受壓時水平向應力分布

為了迅速捕捉到界面開裂行為，可將應變片充分覆蓋該區域。因此，本試驗沿界面方向間隔1.5 cm分布應變片，每個試件共布置9個應變片。這些應變片用于檢測界面張開位移，可稱為“位移測量應變片”。在距離界面10 mm處粘貼90°夾角的2軸應變花，用于測量該點應力。根據數值計算結果，測點處的橫向應力近似等于界面處法向張力。為防止應變片銅線短路，采用絕緣膠泥固定應變片端頭銅線。單調加載下同時測量界面位移和應力，循環荷載下只測量界面位移。

2 試件破壞形態

試件受準靜態劈拉破壞和疲勞破壞的形態相同，見圖2。所有試件均發生界面破壞，沿界面分裂成兩個“半試塊”，同預期一致。試件頂部及底部劈拉荷載加載區域附近混凝土有壓潰脫落現象。可能是因為試件開裂后，荷載作用線集中在“半試塊”的邊緣，附近的混凝土受到較大的三向應力作用從而發生破壞。界面清晰平整，以水泥砂漿與骨料的脫粘為主，其中又以低塑性水泥混凝土破壞為主，道床板混凝土水泥漿體破壞較少。可見界面破壞的細觀視角下，水泥強度越高越不容易發生破壞。

圖2 試件破壞形態

在疲勞試驗中，貼于界面的各個位移測量應變片都記錄了該點界面破壞歷程，直至應變片破壞斷裂。通過觀察界面準靜態劈拉破壞和界面疲勞破壞結果，發現試件在破壞前無顯見界面裂紋，在一個極短時間內，界面經歷了裂紋逐漸萌生、擴展直至完全貫通的歷程，這與文獻[12]的觀測結果是一致的，見圖3。由圖3可知，18#試塊于不同位置處先后萌發了三個相對獨立的裂紋點，分別是H、D、B點，隨后這三處初始裂紋逐漸擴展并連通，最終導致界面完全破壞。

圖3 18#試塊各點開裂順序

3 單調加載下界面黏結性能

3.1 界面力學參數變化歷程

選取三組試驗中測得界面法向臨界斷裂能居中的一組測試值作為試驗結果。測點處混凝土橫向(垂直于界面)應變ex、垂向(平行于界面)應變ey和界面張開位移s的時程曲線見圖4。在時間約75 s以前ex、ey和s均呈線性增加，此階段界面尚未開裂。時間在75 s時三個指標均發生突變，符合脆性破壞特征。ex在0.5 s內 “斷崖式”下降約60%，然后下降趨勢緩和，在時間到90 s時降為0。這種變化顯示出界面破壞后新的自由表面形成，橫向應變得以釋放。ey的負值表示測點處于垂向壓縮狀態，本節觀察其絕對值變化。ey與ex一致，在界面破壞后出現驟變，但降幅更為緩和(約為14%)，隨后ey緩緩增加。試驗發現破壞后的試件由于摩擦力的影響仍然受加載鋼墊塊擠壓，因此界面破壞后ey并不會降為零。s在界面破壞時有明顯拐點，界面破壞后極速增大。界面張開位移和橫向應變對界面破壞較為敏感，破壞瞬時均發生較大突變。

圖4 應變及界面張開位移隨時間變化過程

由彈性理論，測點處試件垂直于界面方向 (橫向)應力為

(1)

式中：σx為橫向應力；E為C40混凝土彈性模量，E=3.25×1010Pa；ν為泊松比。

界面法向張力tn近似等于σx，即

(2)

式中：n為第n次荷載循環。

圖5 界面法向張力時程曲線

3.2 界面法向張力-位移關系

圖6 試驗實測界面法向張力-位移關系

4 循環荷載下界面疲勞性能

4.1 界面疲勞S-N關系

隨機選取本批試件中3個試塊進行劈拉試驗，測得界面強度分別為0.95、1.05、1.26 MPa。參照文獻[16]對劈拉試驗數據處理要求，確定該組試件界面抗拉強度為1.05 MPa，即循環荷載下的界面疲勞試驗中ft為1.05 MPa，據此可求得各疲勞應力水平下的疲勞荷載值并用于試驗加載。各試件界面疲勞壽命見表4。

由于混凝土黏結強度具有離散性，界面黏結強度亦具有離散型，這是造成同一疲勞荷載下界面疲勞壽命差別較大的主要因素。測試結果顯示同一疲勞荷載下不同試件界面疲勞壽命N最大相差3個數量級，這與其他研究結論類似，甚至會達到4個數量級[18]。

試件界面疲勞壽命N和界面受拉疲勞應力幅值Smax關系見圖8。

圖8 試件界面S-N關系

界面受拉疲勞S-N關系為

lgN=16.698-17.197Smaxr=0.802

(3)

式中：r為相關系數。

現有研究較少關注新老混凝土界面抗拉疲勞性能，而針對混凝土受拉疲勞性能的研究成果較為豐富，但二者的微觀破壞機理相同，都緣于水泥漿體斷裂以及同骨料脫黏。文獻[19]開展了C30混凝土試件直拉疲勞試驗，其結果同S-N關系對比見圖9。可見S-N曲線同文獻[19]試驗數據的變化規律較一致，這與二者微觀機理的一致性互相印證。從側面對S-N關系的合理性進行了驗證。

圖9 S-N曲線與文獻[19]試驗數據對比

此外，文獻20根據等幅疲勞200萬次試驗結果，將疲勞強度修正系數定義為疲勞強度與靜強度的比值，即γp=Smax,N=2×106。由本試驗S-N關系可得出N=2×106時Smax,N=2×106=0.60，與文獻[19-24]對比見表5。由表5可知，結果處于上述文獻建議的修正系數之間，除文獻[23]以外其他文獻均比結果偏大。但本文修正系數適用范圍為混凝土黏結界面，與其他文獻不同。建議用于界面疲勞性能分析時，可適當降低現有規范、文獻推薦的疲勞強度修正系數值。例如混凝土界面疲勞強度修正系數按文獻[20-21，24]推薦值取為γp=Smax,N=2×106=0.63時，代入式(3)可得疲勞壽命約73萬次?200萬次，差異較大。

表5 疲勞強度修正系數對比

4.2 界面張開位移演變規律

以8#試塊為例，界面張開位移變化歷程見圖10。循環荷載每實現一次加載—卸載，界面張開位移伴隨著經歷一次增大—減少，圖10中的“黑帶”即為全歷程數十萬次循環過程的集中表現。由圖10可見，隨著界面所受循環荷載次數逐漸累積，界面張開位移的變化幅值和最大、最小值均不斷增大，直至界面破壞。位移的這種變化體現了疲勞加載過程中塑性變形的逐漸增加。

圖10 界面張開位移變化歷程

試驗得到界面張開位移的峰值s、幅值Δs隨加載次數的變化歷程見圖11，限于篇幅僅以Smax=0.8、0.7為例。圖中橫坐標為各試件相對壽命(循環次數與疲勞壽命之比)。由圖11(a)可知，位移峰值變化歷程具有較明顯的階段性，可分三個階段，位移幅值的發展也有類似規律。

圖11 界面張開位移隨循環次數的發展演變

第一階段：快速增長階段。界面張開位移的峰值和幅值均高速增長。加載的疲勞應力幅值Smax=0.7時，界面張開位移峰值的快速增長階段占全壽命約25%，幅值的快速增長階段占全壽命約5%；Smax=0.8時，峰值和幅值的這一比例均為15%左右。

第二階段：穩定增長階段。從圖11可見，穩定增長階段內各曲線幾乎平行，即兩種應力水平下，位移峰值相對增長率無明顯差異，位移幅值也有相同規律。加載的疲勞應力幅值Smax=0.7時，界面張開位移峰值的穩定增長階段占全壽命約65%，幅值的穩定增長階段占全壽命約85%；Smax=0.8時，峰值和幅值的這一比例均為75%左右。

第三階段：不穩定增長階段(急劇增長)，約占10%。試件界面破壞時，界面張開位移峰值約10～20 μm，位移幅值約5～15 μm。文獻[12]測得界面張開位移為7.5、10 μm，本文同文獻[12]測試結果較為接近。

4.3 界面張開速率與張開位移幅值增長率的演變規律

4.3.1 界面張開速率

參考應變率[25]，界面張開速率為

(4)

式中：vn為界面張開速率，μm/s；Δsn為作用時間內界面張開位移幅值，μm；tn為第n次荷載循環歷時的一半，s。

通過式(4)可以獲得本試驗一次荷載循環對應的界面張開速率，進而可以得到界面疲勞試驗全過程各次循環荷載下界面張開速率并分析其演變規律。現有研究表明用穩定增長階段變化規律表述全過程變化的誤差很小[25]。本試驗穩定增長階段，有

Smax=0.8r=0.982

lgvn=1.304+0.211 9lgN

(5)

Smax=0.7r=0.994

lgvn=-0.182 4+0.320 6lgN

(6)

4.3.2 界面張開位移幅值增長率

第二階段界面張開位移幅值Δsn的增長率可參考應變增長率[25]，即

(7)

(8)

5 結論

通過制作高速鐵路雙塊式軌道道床板-支承層混凝土復合試件，設計界面疲勞試驗方法，開展道床板-支承層混凝土層間黏結性能及界面疲勞性能試驗，探明了單調加載和循環荷載下界面破壞的特點，獲得了雙線性內聚力本構模型關鍵參數，并得到了界面疲勞S-N曲線，界面張開位移、界面張開速率、界面張開位移幅值增長率隨試件壽命的變化規律，主要結論如下：

(1)通過試驗獲得了雙塊式無砟軌道混凝土層間界面疲勞S-N曲線。

(2)試件的準靜態劈拉破壞和疲勞破壞形態基本相同，且兩種破壞都有一個裂縫萌生、擴展直至最后完全貫通的過程。

(3)通過測量道床板-支承層界面法向內聚強度、界面張開位移、界面法向臨界斷裂能，可確定雙線性內聚力模型參數并以此模擬道床板-支承層界面開裂行為。

(4)界面張開位移峰值的發展分三個階段：快速、穩定和不穩定增長，界面破壞時張開位移峰值為10～20 μm，張開位移幅值為5～15 μm。

(5)界面疲勞破壞歷程以第二階段為主，可通過監測界面張開位移幅值預估界面疲勞剩余壽命，對無砟軌道安全服役提供參考。