水泥乳化瀝青砂漿常溫抗斷裂評價

李可鑫

（山東建筑大學交通工程學院，山東 濟南 250101）

水泥乳化瀝青砂漿（CEAM）是一種半剛性的復合材料，是用在高鐵中代替傳統有砟軌道不可或缺的材料[1]。CEAM 由硅酸鹽水泥，乳化瀝青，細集料，水和外加劑組成[2]。由于維護需求較低，結構高度較低，靜載較小，結構尺寸較小，同時可靠性更高[3]，CEAM 被廣泛用于現代高速鐵路中。與傳統有砟軌道相比，CEAM的施工初期成本略高于傳統有砟軌道，但周期性成本卻大大降低[4]。此外，CEAM 的作用還包括減少和消散軌道振動，調整軌道的幾何形狀以及將列車經過時產生的荷載傳遞給下層等。

CEAM 層不僅具有瀝青結合料的柔性，還具有水泥砂漿的強度，因此CEAM 的性能特性與純水泥或瀝青材料相比有很大的不同[5,6]。瀝青與水泥（A/C）、水與水泥（W/C）和砂與水泥（S/C）的比例對CEAM 的力學性能有顯著影響。有研究指出，隨著A/C 的提高，CEAM 的彈性模量、抗壓強度都會降低[7-10]，改變A/C 的值，可以顯著改變CEAM 的空隙率及空隙分布、和易性[9]和溫度敏感性[7]。此外，A/C 的增大可能導致CEAM 的流動性降低[7,8]，塑性增大[10]。有研究證明，斷裂能參數可以評價不同的瀝青水泥比例對CEAM 性能的影響。綜上，以斷裂力學為基礎的試驗可以很好的評價CEAM 的疲勞性能。

本文運用斷裂力學原理，采用SCB 試驗方法研究了CEAM 的抗疲勞斷裂性能。研究了三個不同的參數：斷裂位移、斷裂能（Gf）和臨界應變能釋放率（Jc）的評價準確性。討論了試樣尺寸、切口長度、厚度以及外加劑對CEAM 斷裂特性參數的影響。最后，提出了不受上述因素影響的CEAM 抗疲勞開裂性能評價的最佳參數。

1 原材料與試驗設計

1.1 原材料

試驗原材料包括Ⅰ型硅酸鹽水泥，其物理化學性質如表1所示。固含量59%的慢裂陽離子乳化瀝青，其基本性質如表2所示。細集料，其密度為2.55、吸水率為3.01%，混合料合成集配如圖1所示。

表1 硅酸鹽水泥的物理化學性質

表2 陽離子乳化瀝青

圖1 集料集配

聚羧酸系高效減水劑（固體含量為40±1%，pH 值為7±1，20℃下密度為1.17±0.05），用以滿足CEAM的和易性。此外，為防止混合料起泡添加了有機硅消泡劑。為明確外加劑對CEAM 斷裂性能的影響，使用了納米二氧化硅作為水泥和瀝青基材料的改性劑，其物理化學性質如表3所示。

表3 納米二氧化硅顆粒的物理化學性質

1.2 試樣制備

為探究摻加二氧化硅的影響，設置了對照組和實驗組。對照組A/C 為0.4，水泥含量為500kg/m3，S/C 為1.99，消泡劑與水泥的質量比為0.07，標記為N1。實驗組混合料分別添加0.5%、1.0%和1.5%的納米二氧化硅，分別標記為N2、N3 和N4。先制備CEAM，首先，將乳化瀝青，消泡劑和95%的水（實驗組還加入納米二氧化硅）在140r/min 下攪拌1 分鐘。隨后，將飽和面干砂（SSD）添加到混合料中，然后繼續以140r/min 速度攪拌，同時在1 分鐘內將硅酸鹽水泥逐漸添加到攪拌器中。最后，將剩余的水和減水劑加到砂漿中，并以285r/min 的速度將砂漿攪拌2.5 分鐘。為避免形成氣泡，以低速繼續攪拌30 秒。混合過程完成后，將制成的砂漿立即倒入立方體和圓柱體試模中。用塑料板覆蓋試樣并將其放置在養生室中（20±3℃、相對濕度95%下養生7 天，然后在20±3℃、相對濕度65%下養生至28 天）。

1.3 試驗方案

本研究的主要目的是找出能評估CEAM 抗疲勞開裂性能的最佳參數。IDT 和SCB 試驗均在25℃下進行，其樣品總數分別為12 個和252 個。這些樣品均從36 個圓柱形CEAM 試驗中切取。

對兩種不同的試樣厚度（25 和57mm）、四種切口長度（15.0、25.4、31.8 和38.0 mm）和兩種試樣尺寸（直徑100 和150 mm）的試樣進行了試驗，以研究這些參數是否對CEAM 的開裂性能有影響。試驗變量組合如表4所示。

表4 試驗變量組合

2 結果與討論—對CEAM 疲勞開裂的影響因素

2.1 切口長度的影響

研究選取三種不同切口長度的CEAM 試樣，探討切口長度對斷裂性能的影響。三個不同切口長度分別取三次重復試驗得到的斷裂能（Gf）和斷裂位移值的平均值。

試驗結果表明，具有不同切口長度的CEAM 樣品的應變能破壞斜率與切口長度之間沒有顯著聯系。因此，Jc 值作為斷裂參數與切口長度無關。

2.2 試樣厚度的影響

由于現場施工時CEAM 層厚度可能發生變化，CEAM 試樣厚度是影響其斷裂參數的關鍵因素之一。為評估厚度的影響，制備了兩種不同厚度的CEAM 試樣并進行了試驗研究。

不同厚度CEAM 混合料的dU/da 和樣品厚度的比率幾乎一致。這說明Jc 與樣品厚度無關。

2.3 試樣尺寸的影響

尺寸效應是材料性能評價中需要考慮的重要問題之一。為了評估小尺寸試樣（如直徑小于150 mm 的圓柱形試樣）在設計中的應用，以及探究斷裂參數作為材料特性評價參數的合理性，需要研究試樣尺寸對斷裂指標的影響。

本研究制作了兩種不同的直徑的（100mm 和150 mm）CEAM 樣品，計算了本研究中考慮的所有三個斷裂參數。

結果證明樣品尺寸的減小改變了CEAM 樣品斷裂時的斷裂能和位移。因此CEAM 混合料的Gf 以及斷裂位移和尺寸有關。而樣本大小對另一個參數Jc 的影響，也需要討論。對不同直徑CEAM 樣本進行SCB 試驗得到對于各種不同試樣尺寸的CEAM 混合料，Jc 參數有較高的相關性，因此臨界應變能釋放率與尺寸無關。

3 結 論

本文通過間接拉伸強度試驗（IDT）和半圓彎曲試驗（SCB）在常溫下對水泥乳化瀝青砂漿（CEAM）的抗疲勞開裂性能進行了研究。為了闡明斷裂參數能否評估加入添加劑的CEAM 的抗疲勞開裂性能，將納米二氧化硅以三種不同的含量添加到CEAM 中。結果表明，IDT 試驗不足以評價添加劑（如納米二氧化硅）對CEAM 抗疲勞開裂性能的影響。相比之下，SCB 測試得到的三個斷裂參數，包括斷裂位移、Gf和Jc，都能很好地表征添加劑的作用。為了找到最佳的參數來探索CEAM 的抗疲勞開裂性，研究了試樣尺寸，厚度和切口長度對斷裂參數評價準確性的影響。試驗測試結果和相關分析表明，除了試樣尺寸外，斷裂位移和斷裂能與其他影響因素無關。而Jc參數，各種影響因素都對其評價準確性沒有影響。因此，Jc 可以認為是評價CEAM 抗疲勞開裂性能的良好參數。