軌枕-環氧瀝青砂漿-高膠道床界面黏結性能研究

周彥冰 石晨光 陳輝民 王 軒 王厚植 楊 軍

(東南大學交通學院 南京 211100)

0 引 言

使用如改性瀝青、環氧瀝青等替代性材料對道砟進行固化處理,既可減少安全隱患,也可以降低成本,提高性能[1].在瀝青混合料中添加高彈性橡膠顆粒,并通過控制級配和成型工藝,制備高膠瀝青混合料.高膠瀝青混合料具有相對較低的剛度、良好的承載能力和應力分散能力,應用了該瀝青混合料技術的彈性道床稱為高膠瀝青彈性道床(下稱高膠道床).

裝配式施工是指把傳統施工中的現場作業轉移到工廠進行,在工廠預制產品[2].該方法施工便捷,降低成本,適合高膠道床的生產.但是,預制高膠道床有兩個問題需要解決:①高膠道床需要和軌枕保持黏結;②對于軌枕因誤差而與道床間的空隙,需要找到可以便捷、快速地填充空隙的材料.環氧瀝青混合料具有強度高、高溫穩定性能、抗疲勞性能以及抗侵蝕性能等特點[3],并且,環氧瀝青砂漿是一種不同于普通瀝青砂漿的熱固性材料,具有良好的黏結強度和流動性.

目前,對于黏結材料的研究通常采用室內試驗和數值模擬相結合的方法[4-5].丁敏[6]通過有限元軟件研究防水黏結層的模量對層間剪應力的影響,并推薦模量較小的材料作為防水黏結層.此外,界面黏附受到許多因素影響,如物理因素、材料類型和外部環境[7-8].趙勝等[9-10]針對目前關于黏結材料的用量確定方法并不明確,分別從層次分析法和變形能的角度提出了確定用量的優化方法.黃余陽陽[11]以SBS、SBR改性乳化瀝青、普通乳化瀝青和熱瀝青等6種黏結材料作為研究對象,得到了黏結材料、用量、混合料級配等因素對結構抗剪強度的影響.

文中選擇環氧瀝青砂漿作為黏結材料,確定最佳配合比、最佳用量及該用量下高膠瀝青混合料-環氧瀝青砂漿-水泥混凝土結構的黏結性能.通過Abaqus建立混凝土軌枕-環氧瀝青砂漿-高膠道床(下稱軌枕-道床)結構的模型,驗證裝配式施工的可行性.

1 材料制備與試驗方案

1.1 原材料

將粒徑為2.36 mm以下的細集料、礦粉與瀝青的混合物稱為瀝青砂漿.細集料采用與粗集料同一廠家的石灰巖顆粒,膠結料中瀝青組分采用江蘇某公司生產的I-D型SBS改性瀝青,環氧組分采用東南大學黃衛院士團隊研制開發的國產環氧樹脂及固化劑.

1.2 制備工藝

在190 ℃烘箱中加熱SBS改性瀝青,稱量所需礦質集料并在200 ℃的烘箱中加熱.拌和工藝流程見圖1.

圖1 環氧瀝青砂漿制備拌和工藝流程圖

1.3 成型小梁試件和抗壓試件

通過靜壓成型的方式成型300 mm×300 mm×50 mm的環氧瀝青砂漿車轍板,使車轍板在60 ℃的烘箱中養生3 d后,采用瀝青混凝土切割機在將車轍板切割成多個160 mm×40 mm×40 mm的棱柱體試件用于小梁彎曲試驗,小梁彎曲試驗后的兩個半棱柱試件將用于抗壓試驗.

1.4 成型復合試件

參照混凝土III型軌枕和高膠道床,通過車轍板模具分別成型并養護好與實際工程相同材料和工藝的水泥混凝土板和高膠瀝青車轍板,各板尺寸均為300 mm×300 mm×50 mm,并通過上述試驗得出的最佳配合比的環氧瀝青砂漿作為黏結材料,將其按照不同的用量黏結水泥混凝土板和高膠瀝青車轍板,分別形成不同用量下的高膠瀝青混合料-水泥混凝土復合試件,用量分別為:15,16,17,18和19 kg/m2.待養生完成后將5塊復合試件均切割成5 mm×5 mm×7 mm的小試件,用于界面拉拔試驗和斜剪試驗,見圖2.

圖2 試驗試件

1.5 試驗方案

1.5.1小梁彎曲試驗

將小梁彎曲試件放入環境箱在25 ℃下保溫4 h,再通過MTS以中心加荷法對環氧瀝青砂漿棱柱體試件進行小梁彎曲試驗,測試其小梁彎曲強度.將試體側面的中心放在MTS傳力桿正下方,試體長軸垂直于底座的垂直圓柱,通過傳力桿以(50±10) N/s的速率均勻地將荷載垂直地加在棱柱體相對側面上,直至試件折斷.小梁彎曲強度Rf以MPa為單位,為

Rf=1.5FfL/b3

(1)

式中:Ff為折斷時施加于棱柱體中部的荷載,N;L為支撐圓柱之間的距離,mm;B為棱柱體正方形截面的邊長,mm.

1.5.2抗壓試驗

通過壓力機對小梁彎曲試驗破壞后的半棱柱體進行抗壓試驗.半截棱柱體中心與壓力機壓板受壓中心差應在±0.5 mm內,棱柱體露在壓板外的部分約有10 mm.在整個加荷過程中以(2 400±200) N/s的速率均勻地加荷直至破壞.抗壓強度Rc以MPa為單位,為

Rf=Fc/A

(2)

式中:Fc為破壞時的最大荷載,N;A為受壓部分面積,mm2(40 mm×40 mm).

1.5.3流動度試驗

通過瀝青混凝土劉埃爾流動性試驗儀進行劉埃爾流動度測試.步驟如下.

步驟1將剛拌合好的環氧瀝青砂漿沿桶的邊沿注入桶內,將支架立于桶的邊沿,預熱的落錘通過支架的導孔垂直置于試樣表面的正中央.

步驟2放下落錘,記錄落錘上兩個刻度線通過導孔的時間間隔,即為環氧瀝青砂漿的流動性.

1.5.4斜剪試驗

環氧瀝青砂漿應控制用量.用量不足時,不能形成連續、均勻的薄層,無法提供足夠的黏結力;反之,涂刷過量,層間會形成軟弱夾層.同樣影響拉拔強度和抗剪強度.

將不同用量的復合試件放入環境箱在25 ℃下保溫4 h,采用810MTS單軸伺服液壓機對保溫后的復合試件進行勻速剪切,加載速率為5 mm/min.

根據MTS記錄的最大荷載值,計算復合試件在斜剪試驗下的層間剪切強度.

p=(F/A)×sin30°

(3)

式中:p為層間剪切強度,MPa;F為剪切力峰值,N;A為試件面積,m2.

1.5.5界面拉拔試驗

將不同用量的復合試件放入環境箱在25 ℃下保溫4 h,采用拉拔儀,對保溫后的復合試件進行勻速拉拔,加載速率為10 mm/min.

根據拉拔儀記錄的最大荷載值,計算復合試件在拉拔試驗下的黏結強度:

p=F/A

(4)

式中:p為黏結強度,MPa;F為拉拔力峰值,N;A為試件面積,m2.

2 軌枕-瀝青塊單元吊裝力學分析

2.1 配合比設計

根據泰波級配理論的最大密度曲線為

Pi=(di/D)n×100%

(5)

式中:Pi為粒徑為di的通過百分率;D為礦質混合料的最大粒徑,此處為2.36 m;n為實驗指數,此處參照Superpave,取n=0.45.

根據JTGF40—2017《公路瀝青路面施工技術規范》推薦瀝青膜計算為

Pb=TF×SA

(6)

式中:Pb為瀝青用量(瀝青質量占瀝青混合料總質量的比率);TF為瀝青膜厚度,μm;SA為集料比表面積,cm2/g;SA根據美國AI給出的式(7)估算.

SA=10×[0.41+0.004 1P4.75+0.008 2P2.36+

0.016 4P1.18+0.028 77P0.6+0.061 4P0.3+

0.122P0.15+0.327 7P0.075]

(7)

式中:Pi為粒徑為di的通過百分率.

以混合料耐久性能為評價指標,結合集料的隨機空間分布數學模型,建立了一種新的瀝青膜厚度預測模型——The VIRTUAL Model.該模型預測瀝青膜厚度為8.5～13.5 μm.結合該研究結果,本文假定環氧瀝青砂漿的平均瀝青膜厚度取為9.5 μm[12].

礦粉相比于其他細集料來說,其比表面積較大,且在瀝青用量計算公式中其系數也較大,所以礦粉的含量不僅僅影響砂漿的集料組成,對瀝青用量也有極大影響,對砂漿的性能影響較大.

環氧瀝青砂漿試件抗彎拉強度與抗壓強度的比值稱為彎壓比.彎壓比用來表示砂漿的柔韌性,彎壓比越大,砂漿的柔韌性就越好,易于成型,便于施工;反之,彎壓比越小越容易開裂[13].優異的彎壓比可以使得砂漿在與其他材料黏結時容易形成很好的黏結界面,附著強度高,為后續施工工作節約時間和成本.此外,考慮到環氧瀝青砂漿需要填充軌枕和道床之間可能存在的空隙,所以也需要考慮環氧瀝青砂漿的流動度.因此,綜合考慮彎壓比、流動度確定環氧瀝青砂漿中的礦粉的比例以確定最佳配合比.

由式(1)可確定礦粉/集料大致在8%～11%,故分別選擇礦粉與集料的比值為8%、9%、10%、11%的四組計算其最佳油石比,并測試其彎壓比和流動度,測試結果見圖3.

圖3 不同配合比下環氧瀝青砂漿小梁試件的彎壓比基和流動度

由圖3可知:當礦粉占集料的比例不足10%時,環氧瀝青砂漿的彎壓比和流動度隨著礦粉比例的提高而提高;而當礦粉占集料的比例達到10%后,環氧瀝青砂漿的彎壓比和流動度隨著礦粉比例的提高而降低.因此,選擇礦粉/集料為10%作為環氧瀝青砂漿的最佳配合比.

2.2 黏結性能測試

不同用量下環氧瀝青砂漿黏結后的復合試件層間剪切強度和黏結強度,見圖4.

圖4 環氧瀝青砂漿不同用量下復合試件層間剪切強度和黏結強度

由圖4可知:環氧瀝青砂漿用量在17 kg/m2時,復合試件層間剪切強度和黏結強度達到最大值,分別為2.40和0.57 MPa.

綜合剪切試驗和拉拔試驗的試驗結果,發現對于復合試件而言,環氧瀝青砂漿作為黏結材料的最佳用量均為17 kg/m2,并將之作為軌枕—道床結構黏結材料用量的控制依據.

2.3 黏結行為設置

2.3.1黏結行為定義

在Abaqus中,根據實際的黏結材料試驗結果,膠合力學理論將黏結材料的黏結行為變化曲線看成是一個三角形,見圖5.通過對2.1的復合試件黏結性能測試結果分析,計算Fmax、δinit和δfail,并將上述參數代入Abaqus的接觸作用模塊,模擬環氧瀝青砂漿的黏結行為,其中Fmax是最大黏結強度,δinit是Fmax對應的界面位移,δfail是黏結材料失效時的界面位移量.

圖5 黏結行為變化曲線

基于斜剪試驗和界面拉拔試驗計算得到界面法向和切向張力-位移關系,由黏聚力模型理論可知:模型共涉及到法向及切向方向的張力-位移關系.本文前面通過試驗得到的法向張力-位移關系以及切向方向的張力-位移關系參數見表1.選用最大名義應力準則(maximum nominal stress)為起始損傷判據,采用BK(Benzeggagh-Kenane) 準則為破壞演變準則.最大名義應力準則的定義為:當任何一個名義應力比值達到1時,損傷開始.即當計算結果中某處的初始損傷變量CSMAXSCRT數值達到1時,該處表面的環氧瀝青砂漿開始出現斷裂,隨后開始裂縫擴展狀況,此時判定環氧瀝青砂漿難以滿足軌枕-道床結構的吊裝要求[14].

表1 黏聚力模型參數

2.3.2參數設置

模擬的軌枕-道床單元由下列部分構成:長2.6 m、寬0.32 m、高0.26 m的混凝土Ⅲ型軌枕和長1.05 m、寬0.5 m、高0.35 m的高膠道床,見圖6.有限元模型中,軌枕采用均質、線彈性、各向同性的假定,而道床作為一種瀝青混合料,是典型的黏彈性材料.在不同的溫度和加載頻率作用下,瀝青混合料的力學特性變化很大.因此,采用Abaqus內置的黏彈性材料模型,即采用Prony級數輸入瀝青混合料的黏彈性參數.材料參數分別見表2～3.

表2 材料計算參數

表3 高膠道床的prony參數

圖6 軌枕-道床單元

2.4 結果分析

2.4.1靜態分析

在standard分析中,需要通過接觸對的形式(node-surface)定義軌枕和高膠道床的接觸界面,界面共分為8對接觸面.在軌枕底部施加固定端約束,施加范圍分別在于道床相鄰的左右各0.1 m范圍內,同時施加全局范圍內的重力,軌枕-高膠道床單元在自重作用下的靜態吊裝計算結果,見圖7.

圖7 軌枕-道床單元在靜態吊裝狀態下的環氧瀝青砂漿損傷萌生情況

由圖7可知:軌枕-高膠道床單元在靜態吊裝的過程中,僅有一對接觸面的CSMAXSCRT在3×10-2左右,有兩對接觸面的CSMAXSCRT在1.5×10-2左右,遠小于1,其余各對接觸面的CSMAXSCRT均為0,且損傷萌生的位置均出現在道床與軌枕的豎直面相接觸處.這表明在靜態吊裝過程中,環氧瀝青砂漿的剪切強度和黏結強度足以滿足要求,且相對薄弱面在道床與軌枕的豎直面相接觸處.

2.4.2動態分析

在動態力學分析中,在軌枕底部設置邊界條件,控制軌枕在豎直方向緩慢移動,范圍與靜態分析相同,同時施加全局范圍內的重力,以此來檢測環氧瀝青砂漿的黏結性能是否足以拉起高膠道床,使其完成整個吊裝過程.軌枕-道床單元在自重作用下的動態吊裝計算結果,見圖8.

圖8 軌枕-高膠道床單元在動態吊裝狀態下的環氧瀝青砂漿損傷萌生情況

由圖8可知:軌枕-道床單元在動態吊裝的過程中,僅有部分接觸面的CSMAXSCRT相較于靜態吊裝有所增長,但仍然遠小于1,且損傷萌生的位置與靜態過程類似,也是出現在道床與軌枕的豎直面相接觸處.這表明在動態吊裝過程中,軌枕-道床結構對環氧瀝青砂漿黏結強度的要求雖然有所提高,但是環氧瀝青砂漿的黏結強度仍足以滿足要求,且相對薄弱面在道床與軌枕的豎直面相接觸處.

綜上所述,針對軌枕-道床單元,無論是靜態吊裝還是動態吊裝,環氧瀝青砂漿的黏結性能均可以滿足要求,保證吊裝過程中的安全和穩定,為軌枕-道床結構實現裝配式施工技術提供了可能.

3 結 論

1) 對于高膠瀝青混合料-水泥混凝土復合試件,當環氧瀝青砂漿的用量在17 kg/m2時,復合試件的層間剪切強度和黏結強度均達到最大值,分別為2.40和0.57 MPa.

2) 通過試驗確定的模型能較好地反映軌枕-道床結構在吊裝過程中的黏結材料的損傷開裂行為,為軌枕-道床結構的裝配式施工研究提供了有效的理論分析工具.

3) 環氧瀝青砂漿的初始損傷變量CSMAXSCRT在動態吊裝和靜態均遠小于1,驗證了環氧瀝青砂漿黏結的軌枕-道床結構可以滿足實際工程中裝配式施工的需要.