不同浸水历时水泥乳化沥青砂浆动态受压试验

徐 浩，王 平，孙宏友，曾晓辉，赵坪锐

（1.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031；2.西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031）

水泥乳化沥青砂浆（CA 砂浆）层是填充于板式轨道轨道板与底座板之间的关键结构层，主要起支承、传载、调整、减振隔振和阻断裂纹等作用［1－5］，其长期服役性能对轨道结构的平顺性、耐久性和列车运行的安全性、舒适性至关重要［6］.在实际运营过程中发现板式轨道的轨道板在温度梯度作用下发生翘曲变形，CA 砂浆层与轨道板之间出现缝隙，雨水渗入CA 砂浆充填层；或在列车动荷载的作用下界面缝隙中的雨水被压入CA 砂浆充填层.此时，CA 砂浆层将长期浸泡在雨水中.为研究水对CA 砂浆力学性能的影响，田冬梅等［6］对不同饱水度的CA 砂浆试件进行抗压试验，结果表明CA 砂浆的抗压强度和弹性模量随饱水度的增加而显著降低，且抗压强度降低较大，因此文献［7］认为雨水是引起水泥乳化沥青砂浆层劣化与失效的主要环境因素之一.

高速铁路在其服役过程中，CA 砂浆主要承受列车竖向荷载且处于动态加载过程［8－9］，文献［10－12］研究了不同加载速率对CA 砂浆动态力学性能的影响，认为CA 砂浆的极限抗压强度、弹性模量及峰值应力处应变均随加载速率的增大而提高.然而，当水泥乳化沥青砂浆层长期浸泡于雨水中时，其动态力学性能的研究尚未被报道.

本文测试了不同水浸泡时间、不同应变速率下CRTSⅠ型板式轨道CA 砂浆的应力－应变全曲线，研究了水浸泡历时和加载应变速率对CA 砂浆动态力学性能的影响，并对实测数据和力学性能变化机理进行了分析.

1 试验概况

1.1 原材料

CA 砂浆干料由水泥、细砂和其他添加剂等主要成分混合而成，其基本配合比为：m（水泥）∶m（细砂）∶m（膨胀剂）＝1.0∶2.0∶0.1，其中水泥为P·Ⅱ42.5R硅酸盐水泥，相关技术指标符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的规定.CA 砂浆干料24h体积膨胀率为2.1%，7d线膨胀率为0.1%，1d抗压强度为6.89MPa.CA砂浆的配合比为：m（干料）∶m（乳化沥青）∶m（水）＝1 100∶515∶50，其中乳化沥青采用CRTSⅠ型板式轨道CA 砂浆专用乳化沥青，其固含量（质量分数）为62.1%，黏度、针入度、延度等均满足铁道部科技基2008［74］《客运专线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》（简称“暂规”）规定的要求，相关主要性能指标见表1；拌和水为自来水.新拌CA 砂浆的J型漏斗流下时间为24s，分离度（质量分数）为0.2%.

表1 乳化沥青的主要性能指标Table 1 Properties of emulsified asphalt

1.2 试件制备

按设定的配合比，先将乳化沥青和水投入搅拌锅内慢速搅匀，并在搅拌过程中缓慢加入水泥乳化沥青砂浆干料，加完后快速搅拌3min，再慢速搅拌1min.然后按照“暂规”规定的方法测量新拌CA 砂浆的流动度、表观密度和含气量，其中CA 砂浆的流动度为24s，表观密度为1 610kg／m3，含气量为8.2%（体积分数）.同时，将新拌的CA 砂浆注入尺寸为φ50×50mm 的塑料模具中，成型100个试件，并将其置于温度为（23±2）℃，相对湿度为（65±5）%的环境中养护24h拆模，然后在标准养护室中养护至28d备用.

1.3 试验

CA 砂浆水浸泡试验：将养护至28d的CA 砂浆试件放入水箱中浸泡，保持环境温度为20℃，浸泡时间分别为0，7，14，30，60d.

CA 砂浆力学性能试验：采用WDW 系列微机控制电子万能材料试验机对不同浸泡时间的CA砂浆试件进行单轴压缩试验，试验方法参照文献［11］，环境温度为20 ℃，加载速率为0.03，0.30，3.00，30.00 mm／min，对应的应变速率为1×10－5～1×10－2s－1，取1×10－5s－1作为准静态应变速率.每组取3个试件进行加载试验，若测试数据离散性较大，则增加试件数量以保证试验数据的有效性.试件受压面与加载板之间采用滑石粉进行减摩处理.为防止试件表面不平整产生的误差，正式加载前将试件以0.5 mm／min的速率、0.1 MPa的强度预压3次.

2 结果与讨论

2.1 CA 砂浆的应力－应变全曲线

CRTSⅠ型板式轨道CA 砂浆的应力－应变全曲线如图1所示.图1（a）为未经过浸水处理，不同应变速率下的CA 砂浆应力－应变全曲线.从图1（a）可知，不同应变速率下CA 砂浆的应力－应变曲线变化明显，且CA 砂浆的极限抗压强度、峰值应力处应变均随应变速率的增大而增大.图1（b）是应变速率为1×10－4s－1时不同浸水时间下CA 砂浆的应力－应变全曲线.由图1（b）可见，CA 砂浆的极限抗压强度随水浸泡时间的增长逐渐降低，当CA 砂浆在水中的浸泡时间达到60d时，其抗压强度较水浸泡30d的强度大.在应力达到峰值后，CA 砂浆的抗压强度降低较为缓慢，这是由于沥青的存在，改善了CA 砂浆的断裂韧性，当应变达到0.10时仍具有一定的承载能力，说明CA 砂浆具有良好的韧性和延展性.

2.2 CA砂浆动态抗压强度

表2为不同浸水历时、不同应变速率下CA 砂浆的单轴动态抗压强度.

图1 CA 砂浆应力－应变全曲线Fig.1 Stress－strain full curves of CA mortar

表2 不同水浸泡时间下CA砂浆的动态抗压强度Table 2 Dynamic compressive strengths of CA mortar at different water immersion times

从表2可以看出，在相同的应变速率下，CA 砂浆的极限抗压强度随水浸泡时间的增加先减小后增大.在应变速率为1×10－5，1×10－4，1×10－3，1×10－2s－1时，水浸泡7，14，30，60d后CA 砂浆比未经过水浸泡试件的平均抗压强度分别降低了34.85%，37.27%，46.31%，31.47%；32.93%，34.21%，38.65%，16.82%；15.61%，20.05%，21.22%，9.32%；12.22%，15.07%，15.39，－6.03%.从表2可见，CA 砂浆的抗压强度随应变速率的增大而增大，这是由于CA 砂浆破坏时沿耗能最快的路径发展，因此其极限抗压强度逐渐增大.水泥乳化沥青砂浆由沥青包裹水泥水化产物和砂形成骨架结构［13］，水泥水化产物与沥青或砂子与沥青之间的黏结作用导致CA砂浆强度提高.CA 砂浆在水中长时间浸泡后，水浸入沥青－水泥相或沥青－砂子相界面，形成水泥相－水或砂子－水、沥青－水界面，破坏原来界面的结合状态，削弱界面黏结力，从而使其强度降低，造成CA 砂浆强度发生“软化”现象［6］.另外，CA 砂浆中的沥青膜浸水软化，也将削弱界面的黏结力，使CA 砂浆的强度降低.当应变速率较小时，CA 砂浆的破坏将沿着水泥水化产物－沥青或砂－沥青的薄弱界面发展，因此应变速率越低，CA砂浆在水的作用下强度降低幅度越大，其最大降低幅度可达46.31%.

当CA 砂浆的水浸泡时间达到60d时，CA 砂浆的抗压强度又逐渐升高.这是由于浸泡中的CA砂浆其水泥水化仍不断进行，从而提高了CA 砂浆的强度.不同应变速率下未浸水与浸水60d的CA砂浆抗压强度对比如图2所示.

图2 不同应变速率下CA 砂浆的抗压强度Fig.2 Compressive strength of CA mortar at different strain rates

由图2可见，由于水的“软化”作用，应变速率为1×10－5，1×10－4，1×10－3，1×10－2s－1时，泡水60d的CA 砂浆与未泡水的CA 砂浆相比，抗压强度分别降低了47.60%，34.27%，29.72%，25.67%，可见，水对CA 砂浆的“软化”作用明显.

2.3 CA砂浆弹性模量

采用0～1／3抗压强度处的割线模量作为不同应变速率下CA 砂浆的弹性模量［11］.通过对不同应变速率下CA 砂浆的应力－应变曲线进行分析，得到不同水浸泡时间下的弹性模量如表3所示.

表3 不同水浸泡时间下CA砂浆的弹性模量Table 3 Elastic modulus of CA mortar with different water immersion times

从表3可见，水浸泡时间相同时，CA 砂浆的弹性模量随着应变速率的增加而明显提高.浸水0，7，14，30，60d后，相对于应变速率为1×10－5s－1时的弹性模量，当应变速率为1×10－4，1×10－3，1×10－2s－1时，CA 砂浆的平均弹性模量分别增加了17.70%，24.56%，46.68%；10.33%，75.82%，102.72%；26.33%，75.95%，102.05%；19.56%，74.46%，151.96%；41.33%，65.42%，145.76%.在相同的应变速率下，CA 砂浆的弹性模量也随着水浸泡的时间增长先减小后增大，当水浸泡14d，应变速率从1×10－5s－1增大到1×10－2s－1时，CA 砂浆的弹性模量分别降低了44.91%，40.87%，22.19%，24.12%.后期CA 砂浆的弹性模量增大也是由于随着时间的增加，CA 砂浆内产生的水泥水化产物增加所致.

2.4 CA砂浆峰值应变

峰值应变为CA 砂浆峰值应力对应的应变.CA砂浆在不同应变速率和不同浸水时间时的峰值应变见表4.

表4 不同水浸泡时间下CA砂浆的峰值应变Table 4 Peak strains of CA mortar at different water immersion times

从表4可见，浸水时间相同时，随着应变速率的增加，CA 砂浆的峰值应变有增大的趋势.浸水0，7，14，30，60d后，相对于应变速率1×10－5s－1时的峰值应变，应变速率为1×10－2s－1时的平均峰值应变分别增大了37.10%，16.49%，15.54%，11.64%，8.92%.由于CA 砂浆的峰值应变由CA 砂浆的弹性应变和黏性应变组成，随着应变速率的增加，在动荷载作用下，沥青的掺入使CA 砂浆的黏性增大，黏性应变效应增加，因而导致其峰值应变增加.由于水浸入水泥－沥青相界面或砂子－沥青相界面，削弱了CA 砂浆的黏性应变，因此随着水浸泡时间延长，CA 砂浆的平均峰值应变增大趋势减小.由于CA 砂浆在水中浸泡时一直处于水泥水化过程，而水泥水化又抑制了CA 砂浆的黏性应变，因此水浸泡30～60d时CA 砂浆的峰值应变随应变速率的增大呈减小趋势.

从表4还可见，在相同的应变速率下，CA 砂浆的峰值应变随水浸泡时间的延长先增大后减小.在应变速率为1×10－5，1×10－4，1×10－3，1×10－2s－1时，CA 砂浆在泡水7，14，30，60d后，相比未经水浸泡的试件，其平均峰值应变分别增大了37.64%，42.33%，25.83%，16.95%；41.55%，28.0%，14.69%，19.29%；24.32%，19.23%，15.64%，1.24%；33.75%，11.92%，－5.78%，6.26%.可见，相对于不同的应变速率，经过水浸泡后CA 砂浆的峰值应变增加幅度更大，说明水浸泡对峰值应变的影响大于应变速率对峰值应变的影响.这是由于应变速率对峰值应变的影响主要是CA 砂浆的黏性，水浸泡后削弱了沥青与水泥水化产物的黏结，形成的沥青－水相界面或水泥水化产物－水界面加剧了CA 砂浆的黏性变形，因此水浸泡对峰值应变的影响大于应变速率的影响.

3 结论

（1）水浸泡历时和应变速率对CA 砂浆的力学性能影响显著.

（2）随着应变速率的增加，CA 砂浆动态抗压强度增大；水浸泡将侵害CA 砂浆中的沥青－水泥水化产物相界面，同时沥青膜浸水软化，也将削弱CA 砂浆中原来的相界面，使界面黏结力降低，从而降低CA砂浆的强度，且应变速率越低，CA 砂浆的“软化”现象越明显，其强度最大降低幅度可达46.31%.

（3）当水浸泡历时相同时，CA 砂浆的弹性模量随应变速率的增大而明显提高；当应变速率一定时，随着水浸泡时间的延长，CA 砂浆的弹性模量先减小后增大，其最大降低幅度可达44.91%.

（4）CA 砂浆的峰值应变随应变速率与水浸泡历时的增加有增大的趋势，且水浸泡历时对CA 砂浆峰值应变的影响大于应变速率的影响.

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