水泥乳化沥青砂浆与修补材料的力学性能匹配性研究

刘元文，刘云鹏

(1.武汉理工大学，湖北武汉430070;2.武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉430070;3.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北武汉430070)

0 引言

水泥乳化沥青砂浆是高速铁路板式无砟轨道的关键结构材料，起着支撑列车重量、调整轨道精度、弹性减振等重要作用［1-4］，其质量决定着高速铁路的运行安全与舒适性.由于高速列车运行速度快、砂浆服役环境恶劣，水泥乳化沥青砂浆在服役过程中容易出现不同程度的破损、劣化，严重影响轨道结构安全与列车行驶安全［5-7］，这就需要对砂浆进行及时有效的修补.

水泥乳化沥青砂浆的修补除了需要性能优异的修补材料外，还要与基体材料具有良好的匹配性，其中力学性能匹配是非常重要的方面.这是因为修补后两者组成整体共同服役，力学性能如不匹配会使两者受到荷载时变形不一致，容易产生应力集中及修补失效.在水泥混凝土修补领域，已有学者开展了基体混凝土与修补材料间的匹配性研究.由于界面粘接失效是修补后最常见的破坏形式，并且混凝土结构中修补区域多处于受拉区域［8］，因此，有学者采用四点弯曲试验［9］测试修补材料与基体混凝土间的粘接强度，并对失效模式进行分类［10］.

水泥乳化沥青砂浆在材料组成与性能、受力形式上与混凝土材料有着较大的区别，它的抗弯强度要远小于混凝土材料，在加载过程中可能出现基体提前失效的问题，能否采用评估混凝土材料匹配性的方法还有待验证.此外，水泥乳化沥青砂浆更多是受到列车荷载的纵向冲击作用，需要针对性地开发符合其受力特点的评价方法.

针对上述问题，笔者采用四点弯曲试验评估水泥乳化沥青砂浆与修补材料的匹配性，探讨该方法的可行性.采用有限元模型在理论上分析新老材料的匹配性实验结果，提出两者的匹配机理.针对水泥乳化沥青砂浆独特的受力特点，采用四点弯曲疲劳试验，对其与修补材料的匹配性做进一步的验证评估.

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1.1.1 基体水泥乳化沥青砂浆

采用自主开发的干粉料及阴离子乳化沥青配制基体水泥乳化沥青砂浆，其配合比及性能如表1、2所示.阴离子乳化沥青的性能如表3所示.

表1 基体水泥乳化沥青砂浆配合比Tab.1 Mix proportion of substrate CA mortar kg/m3

1.1.2 修补砂浆

修补材料选择硫铝酸盐水泥基修补砂浆，其干料组成如表4所示，配合比如表5所示.通过不同的A/C比例调控得到不同力学性能的修补砂浆.水泥:采用SAC42.5硫铝酸盐水泥及P.O42.5普通硅酸盐水泥.两种水泥的化学组成及物理性能如表6所示.乳化沥青采用表3中的阴离子乳化沥青.砂:河砂，颗粒粒径小于2.36 mm，表观密度2 630 kg/m3，吸水率为1.8%，含泥量为0.4%.减水剂:天津雍阳减水剂厂生产的高效聚羧酸系减水剂，固含量20%，减水率为26.6%.水:使用洁净自来水.消泡剂:河南道纯有限公司生产的有机硅类消泡剂，固含量30.1%.缓凝组分、早强组分:采用自主研发的复合外加组分，调控修补砂浆的可工作时间及早期小时强度.

表2 基体水泥乳化沥青砂浆性能Tab.2 Properties of substrate CA mortar

表3 阴离子乳化沥青的性能Tab.3 Properties of anionic asphalt emulsion

表4 硫铝酸盐水泥基修补砂浆干料组成Tab.4 Composition of dry blend of sulphoaluminate cement based repair mortar kg

表5 修补砂浆的配合比Tab.5 Mix proportion of repair mortar kg/m3

作为对比，笔者同时制备了树脂基修补砂浆.树脂材料为市售丙烯酸树脂，其黏度为(300±50)mPa·s，密度为1.13 kg/m3.固化剂为过氧化二苯甲酰(简称BPO)，有效含量74% ～76%，填充料选择石英砂.树脂砂浆(MO)配合比(质量比)为树脂∶BPO∶石英砂 =100∶1.5∶235，编号为M0.

1.2 试验方法

四点弯曲试验采用如图1所示的尺寸为100×100×400 mm的组合试块，其由基体水泥乳化沥青砂浆及修补材料组成.在成型基体水泥乳化沥青砂浆前，预先在试模底部放置如图所示的梯形有机玻璃模具，砂浆浇注1 d后脱模并置于标准养护箱中养护27 d后取出，将缺口区域打磨，在空气中继续养护28 d后浇注修补材料.修补材料浇注后第二天拆模，将组合试块继续置于标准养护箱中养护6 d后进行四点弯曲实验.由于水泥乳化沥青砂浆的抗弯强度较混凝土低，因此加载速率选择0.05 mm/min.

1.2.1 力学性能测试

表6 硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥化学组成与物理性能Tab.6 Physical properties of portland cement and fast hardening cement

水泥乳化沥青砂浆及修补材料抗压、抗折强度测试方法参考水泥胶砂强度测试方法，试块尺寸为40×40×160 mm.其中抗折强度测试加载速率为0.05 kN/s，抗压强度测试加载速率为0.5 kN/s.水泥乳化沥青砂浆与修补材料弹性模量的测试参考CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆弹性模量的测试方法，测试时将试块以1 mm/min的速率加载到800 N后再以相同速率卸载，反复4次后，取第5次的测试曲线中3/4处及0.5 MPa处的应力、应变值计算试块的弹性模量.

式中:E为试件的弹性模量;h为试件的高度;σb为试件加载曲线3/4的抗压强度;σa为0.5 MPa;b为试验时第5次加载，加载曲线3/4抗压强度时试样的变形;a为试验时第5次加载，加载曲线0.5 MPa处试样的变形.

1.2.2 四点弯曲疲劳试验

四点弯曲疲劳试块如图2所示.在进行完四点弯曲静态试验后，进行四点弯曲疲劳试验，加载最大应力为静态试验破坏应力的0.35，应力比为0.1，加载频率为12 Hz，加载波形为正弦波.

2 结果与讨论

2.1 不同力学性能的修补材料与基体砂浆的适应性研究

表7为不同力学性能的修补材料与基体水泥乳化沥青砂浆组成的组合试块抗弯强度及破坏形式.由表7可知，组合试块的抗弯强度与修补材料/基体材料的抗弯、抗压强度比值之间没有明显的相关性，而与修补材料的弹性模量密切相关.组合试块的抗弯强度随着修补材料与基体材料间弹性模量差异的增大而增大，并且砂浆的破坏形式也由从组合试块中央处破坏向沿修补材料边缘处破坏转变，如图3.

2.2 有限元模型分析

为了研究修补材料与基体材料间弹性模量差异对组合试块应力、应变分布的影响，按图1所示建立有限元模型.基体砂浆的弹性模量设定为8 000 MPa，修补材料的弹性模量分别设定为基体砂浆的0.7、1.0及1.3倍，保持两者间的伯松比为0.168，加载速率为0.05 mm/min.

不同弹性模量的修补材料与基体砂浆组成的组合试块在受到荷载时的应力分布如表8所示.由表可知，基体水泥乳化沥青砂浆中央处的应变为2.125 MPa，应变为0.287.当修补材料的弹性模量高于基体砂浆时，组合试块中央处承担了较小的应变(0.277)与较高的应力(2.842 MPa).这表明修补材料不能像基体砂浆那样有足够大的变形，两者间的界面可以将荷载充分地传递到修补材料处，因此组合试块更容易在中央处或修补材料处断裂.当修补材料的弹性模量低于基体砂浆时，组合试块中央处承担了较大的应变(0.299)与较小的应力(1.81 MPa).应变的增加意味着低的荷载传输效率，即荷载无法完全传递到修补材料处.分析基体砂浆与修补材料粘接边缘处的应变可知，低弹模修补材料的组合试块粘接边缘处应变为-0.353，基体砂浆及高弹模修补材料组合试块在此处的应变分别为-0.222与-0.145，低弹模材料在界面粘接处受到较为明显的束缚，产生应力集中，当修补材料与基体砂浆的粘接强度足够大时，试块更倾向于在粘接边缘处破坏.

表7 组合试块的抗弯强度及破坏形式Tab.7 Flexural strength and failure mode of composite sample

图3 匹配性实验试块破坏模式Fig.3 Failure mode of sample for compatibility test

表8 基体砂浆与修补材料组合试块的有限元分析Tab.8 Finite element analysis of composite sample

2.3 四点弯曲疲劳实验

图4为四点弯曲疲劳试验结果由图4(a)可知，基体水泥乳化沥青砂浆在经受15万次疲劳试验后依然不断裂，具有良好的服役性能，而组合试块的疲劳寿命大大降低，均小于5万次，且疲劳寿命随着修补材料与基体材料弹性模量差异的增大而减少.与基体砂浆弹性模量差异最大的树脂砂浆组合试块的疲劳寿命只有13 141次.从试块的破坏形式(图4(b))来看，所有试块均沿着基体砂浆与修补材料的粘接边缘处断裂.由于修补材料与基体砂浆弹性模量的差异，导致在承受荷载时变形不一致，低弹模的修补材料变形更大，在基体砂浆的束缚作用下产生应力集中，从而在两者粘接边缘处破坏，这也进一步验证了弹性模量匹配对服役性能的重要影响.

3 结论

(1)修补砂浆与水泥乳化沥青砂浆弹性模量的差异决定着两者的力学匹配性.随着修补材料与基体材料弹性模量差异的增大，组合试块的抗弯强度逐渐增加，破坏形式也由中央破坏转变为修补砂浆与基体砂浆粘接边缘破坏.

(2)高弹模修补材料与基体砂浆组成的整体荷载传输效率高，荷载可以有效地传递到底部修补材料上，其破坏形式主要为中央断裂.低弹模修补材料与基体砂浆组成的整体荷载传输效率低，荷载不能有效地传递到修补材料上，修补材料受到的应力不足以让其破坏.低弹模材料的高形变受到高弹模基体材料的严重束缚，容易在两者粘

图4 四点弯曲疲劳试验结果Fig.4 Result of our point bending fatigne test

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