CRTSⅡ型板式无砟轨道用CA砂浆的温度疲劳研究

孙宏友，李悦，王平，曾晓辉

(西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)

CRTSⅡ型板式无砟轨道用CA砂浆的温度疲劳研究

孙宏友，李悦，王平，曾晓辉

(西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)

CRTSⅡ型板式无砟轨道充填层CA砂浆与轨道板接触面之间常见脱粘、离缝情况。为探讨CA砂浆在温度疲劳作用下与轨道板脱粘、离缝规律，采用-20℃到60℃的温度循环对试件进行疲劳试验，并对疲劳后的试件进行微观结构分析和热分析。结果表明:由于沥青基体在温度疲劳作用下的迁移、老化、黏性降低，CRTSⅡ型CA砂浆和轨道板混凝土经过16次循环后即出现脱粘，产生裂缝。

CA砂浆 CRTSⅡ型板式无砟轨道 温度疲劳 离缝

水泥乳化沥青砂浆(cement and emulsified asphalt mortar，CA砂浆)是高速铁路板式无砟轨道系统轨道板与底座板间的有机—无机复合充填材料，起调平、吸振、减振的作用，属板式无砟轨道的关键功能材料［1-4］。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［5］。

在板式无砟轨道施工中，把CA砂浆注入至轨道板与混凝土底座板之间，将二者粘合，起到约束结构变形的作用。但当温度变化时，各种材料因热胀冷缩将产生相应变形，若各结构层间温度膨胀系数不同，或各功能层存在着温度梯度，则会导致内应力使轨道板发生翘曲、下部基础沉降或砂浆破损等［6］，进而引起充填层与轨道板的脱粘与离缝。现场调研中发现离缝现象较为普遍。文献［7］中提到，CA砂浆的性能受环境温度影响较大，环境温度越低强度越高，反之强度越低。当轨道板与水泥乳化沥青砂浆产生离缝后，由于离缝区域水泥乳化沥青砂浆对轨道板的黏结力消失，温度荷载作用下离缝区域轨道板的翘曲变形必然增大，一旦变形超过一定的限值，将影响行车的平稳性和安全性［6］。

我国幅员辽阔，地域之间气候差异巨大，粗略统计，地表温度从-20℃到60℃变化［8-9］，甚至变化范围更宽，而轨道结构暴露在自然环境下，有必要研究CRTSⅡ型板式无砟轨道用CA砂浆在热冲击作用下的温度疲劳性能。本文研究了在-20℃到60℃变化的温度疲劳作用下CRTSⅡ型板式无砟轨道用CA砂浆与轨道板离缝问题。

1 试件材料及试验方法

1.1 原材料及配置

沥青乳液为自制慢裂快凝型改性沥青乳液，固含量质量百分比60%，黏度、针入度、延度等均符合“暂行技术条件”的要求;干料为水泥乳化沥青专用干料，24 h体积膨胀率2.0%，D5(出机扩展度)和D30(30 min扩展度)分别为210，190 mm，1 d抗压强度15 MPa，均符合“暂行技术条件”的要求;水为自来水;消泡剂为有机硅消泡剂;减水剂为聚羧酸系减水剂。每立方米CA砂浆用料的具体配置如表1所示。

表1 CA砂浆原材料配合比kg/m3

1.2 试验方法

由于CRTSⅡ型轨道板采用强度等级为C55的混凝土构件，由工厂化预制生产，所以本文试验采用与其强度等级相同的φ200 mm×100 mm混凝土试件，在上面浇注厚度为50 mm的CRTSⅡ型CA砂浆层，养护至规定龄期后，进行温度疲劳试验。温度变化选取按照最极端原则，为-20℃～60℃。先将试件放置在60℃环境下保温12 h，然后再将其取出放入-20℃环境下保温12 h，肉眼观察混凝土与CA砂浆界面随循环次数的变化，当界面出现可见裂缝时即停止试验。温度疲劳前的试件如图1所示。

图1 温度疲劳前的试件

2 试验结果及讨论

2.1 温度疲劳后CA砂浆的形貌特征

试验结果表明，混凝土与CA砂浆界面仅16次循环后就出现了脱粘、离缝，这与CA砂浆的热缩效应有关。与混凝土类材料不同，CA砂浆内部含有大量沥青，由于聚合物在高温下熔融、卷曲，导致CA砂浆体积不随温度的升高而一直增大，而是在某个温度时，其体积不仅不随温度的升高而增大，反而随温度的升高还会减少，发生了高温收缩。温度疲劳后混凝土与CA砂浆界面的变化如图2所示。

2.2 温度疲劳后CA砂浆的微观结构变化

图2 温度疲劳后混凝土与CA砂浆界面的变化

温度疲劳前后CRTSⅡ型CA砂浆的微观结构变化如图3所示。温度疲劳前，CRTSⅡ型CA砂浆内部孔隙较为粗大，孔隙与基体间的间隙较为明显。而温度疲劳后，孔隙与基体逐渐模糊，显示出温度循环过程中基体曾向孔隙移动，由于水泥水化物较硬，在温度疲劳的作用下不会发生移动，因此这种移动与高温下软化的沥青基体有关。由于生产乳化沥青用基质沥青的软化点仅为50℃左右，在高温下沥青基体会发生软化与熔融。如图3中看到的，由于黏性沥青在毛细管力的驱动下往孔隙中迁移的原因，随着温度循环次数的增加CRTSⅡ型板式无砟轨道用CA砂浆中的气孔体积所占的比重逐渐减小(孔隙率降低)。这种高温下的毛细作用力同时也导致CA砂浆出现高温热缩现象，而界面处沥青基体的迁移最终导致了CA砂浆与混凝土脱粘、离缝。

2.3 温度疲劳后CA砂浆的热分析

温度疲劳前后CA砂浆的热分析如图4所示。300℃～400℃失重与放热和沥青的分解、蒸发与氧化有关，450℃的峰与Ca(OH)2分解有关，650℃～750℃的峰与CaCO3的分解有关。在经过温度循环后，CA砂浆在300℃～400℃的失重与放热峰面积减小，这与沥青的挥发和老化有关。尽管循环温度仅为-20℃～60℃，但由于CA砂浆内部沥青膜较薄、较细小，因此较易出现老化，进而使得脆性增加、黏结力降低，最终导致了CA砂浆与混凝土脱粘、离缝。

图3 温度疲劳前后CRTSⅡ型CA砂浆的微观结构变化

图4 温度疲劳前后CRTSⅡ型CA砂浆热分析

3 结论

上述研究结果表明，温度疲劳将对CRTSⅡ型板式无砟轨道的耐久性产生较大影响，在-20℃～60℃的热冲击下，CRTSⅡ型CA砂浆和混凝土经过16次循环后即出现脱粘，产生裂缝，这也与现场调研结果相符。今后若从结构以及材料角度提升CRTSⅡ型板式无砟轨道耐久性，应将改进CA砂浆的温度效应作为工作的重点。

［1］曾晓辉，谢友均，邓德华，等.铁路无砟轨道水泥乳化沥青砂浆吸振与隔振特性［J］.建筑材料学报，2013，16(2):356-360.

［2］金守华，陈秀方，杨军.板式无碴轨道用CA砂浆的关键技术［J］.中国铁道科学，2006，27(2):20-25.

［3］曾晓辉.水泥乳化沥青砂浆材料特性与充填层施工质量控制研究［D］.长沙:中南大学，2010.

［4］贾恒琼，李海燕，吴韶亮，等.CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆微膨胀性能研究［J］.铁道建筑，2010(9): 101-102.

［5］田冬梅，元强，朱蓉，等.水对水泥乳化沥青砂浆静态力学性能的影响［J］.硅酸盐学报，2012，40(11):1544-1551.

［6］王涛.高速板式无碴轨道CA砂浆的研究与应用［D］.武汉:武汉理工大学，2008.

［7］徐浩，刘霄，徐金辉，等.温度作用下轨道板与CA砂浆离缝对CRTSⅡ型板式轨道的影响分析［J］.铁道标准设计，2013 (9):9-12.

［8］张锐.考虑极端气候的季冻区道路结构温度场分布规律研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2012.

［9］王森荣.板式无砟轨道温度力研究［D］.成都:西南交通大学，2007.

Research temperature fatigue of CA mortar used for CRTSⅡslab-type ballastless track

SUN Hongyou，LI yue，WANG Ping，ZENG Xiaohui
(School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

T here are common debonding phenomenon between the track slab surface and CA mortar in CRT SⅡslab-type ballastless track filling layer.In order to explore the discipline of debonding between the slab and CA mortar under the effect of temperature fatigue，the fatigue test was carried out on the test pieces by using-20℃to 60℃temperature cycle，microstructure analysis and thermal analysis was performed for test pieces after fatigue test. T he research results showed that debonding between the slab concrete and CA mortar appears after 16 times cycle as the migration，aging and viscosity decrease of asphalt matrix under the effect of temperature fatigue.

CA mortar;CRT SⅡslab-type ballastless track;T emperature fatigue;Debonding

U213.2+42

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.37

1003-1995(2015)02-0134-03

(责任审编孟庆伶)

2014-05-19;

2014-09-26

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2682013CX043)

孙宏友(1988—)，男，河北秦皇岛人，硕士研究生。