模拟服役条件下CRTS Ⅰ型板式无碴轨道用CA砂浆疲劳性能研究

郑曙光,章雪峰,罗 伟,毛锦达,孔德玉

(1.浙江工业大学工程设计集团有限公司,浙江 杭州 310014; 2.浙江工业大学建筑工程学院,浙江 杭州 310014；3.浙江省工程结构与防灾减灾技术研究重点实验室,浙江 杭州 310014;4.浙江省交通规划设计研究院,浙江 杭州 310006)

1 概 述

在高速铁路工程建设中,为保证列车高速运行的稳定性和安全性,减少轨道维护工作量,国内外普遍采用板式无碴轨道,首先在路基上铺设混凝土底座,底座上放置预制轨道板,其间预留40～50 mm空隙,中间灌注水泥乳化沥青砂浆(Cement Asphalt Mortar,CA砂浆),固化后可形成兼具一定刚性和弹性的填充垫层,具支承、缓冲、减振和降噪等重要作用,其性能好坏直接影响轨道结构的平顺性与耐久性,以及列车运行的舒适性与安全性,是高铁建设的关键工程材料之一[1-3]。

目前,国内外普遍重视工程结构的耐久性。对于CA砂浆,最值得关注的是其在高频振动作用下的抗疲劳性能。国外研究表明[4],当列车速度达到或超过某种临界速度时,高速列车将诱发地面波引起轨道结构的强烈高频振动,其后果是影响列车运行的安全性和舒适性,严重时将造成列车脱轨。CA砂浆与轨道板、混凝土底座的固有频率均明显不同,这对防止高速列车运行过程中产生共振具有极为重要的作用[5]。因此,CA砂浆是板式无碴轨道结构中的关键组成部分。然而,这种高频振动对CA砂浆的疲劳劣化作用不容忽视。某工程实际调查发现[6],虽然灌注的CA砂浆常规性能和抗冻性能满足要求,但耐久性仍较差,实际运行1～2年后,CA砂浆的弹性模量明显增大,局部出现碎裂现象。

向俊等[7]研究表明,CA砂浆疲劳劣化除降低其本身的减振、降噪功能外,对板式无碴轨道的动力性能也会产生明显影响。与CA砂浆正常工作状态相比,CA砂浆劣化造成轨道板悬空,会引起轨道板加速度增大10多倍,位移增大20多倍；钢轨对轨道板的压力急剧增大；随运行速度提高,系统其它动力响应值也迅速增大,因此,在板式轨道养护维修中,应严格控制CA砂浆病害。

然而,目前《CRTS Ⅰ型板式无砟轨道用CA砂浆暂行技术条件》中对Ⅰ型CA砂浆并未提出抗疲劳性能要求。在《CRTS Ⅱ型板式无砟轨道用CA砂浆暂行技术条件》中,虽然对CA砂浆提出了抗疲劳要求,但其测试方法中,其动态荷载作用频率仅为5 Hz。王发洲等[8]研究了CA 砂浆在不同环境温度、不同应力水平、正弦波加载条件下的疲劳特性,但其加载频率也仅为10 Hz。然而,随列车运行速度增大,高速运行过程中的列车对轨道各结构层会产生强烈的高频振动,其频率高达50 Hz以上,因此上述低频条件下的疲劳测试结果不能完全反映CA砂浆实际所受高频振动、荷载与温湿度环境耦合作用引起的CA砂浆性能劣化。采用自行研制的高速铁路板式无碴轨道CA砂浆用抗疲劳实验装置[3],研究了CRTS Ⅰ型板式无碴轨道用CA砂浆在高频振动、荷载以及温度耦合疲劳作用下的性能劣化及机理。

2 试 验

2.1 原材料

所用沥青乳液由湖北国创高科集团有限公司提供,为Ⅰ型CA砂浆专用慢裂快凝型改性阳离子沥青乳液,恩氏粘度7.8,残留物含量62.5%,针入度、延度等指标符合要求。所用CA砂浆干粉由武汉奥捷新型建材有限公司提供,膨胀率2.52%,1、7 d和28 d抗压强度分别为11.7、35.9 MPa和60.2 MPa。所用聚合物乳液由武汉理工大学提供,固含量47.2%(质量分数,下同),水泥混合性为0.1%。减水剂为杭州建筑构件集团外加剂厂生产的HG-PCA600型聚羧酸高性能减水剂,固含量35%,减水率28%；消泡剂为浙江兰亭高科集团有限公司提供的有机硅消泡剂。

2.2 CA砂浆配合比与力学性能

实验用CA砂浆配合比见表1。按表1配合比制备CA砂浆,测试新拌CA砂浆性能,均能满足《CRTSI型板式无砟轨道用CA砂浆暂行技术条件》要求。成型Φ50 mm× 50 mm圆柱体CA砂浆试件,标准养护1 m、7d和28 d后,测其抗压强度和弹性模量,测定结果见表2,由表2可见,制备得到的CA砂浆力学性能均符合《暂行技术条件》要求。

表1 CRTS Ⅰ型板式轨道用CA砂浆配比

2.3 疲劳实验

为模拟CA砂浆实际服役环境中列车循环载荷、高频振动和冻融条件,采用自行研制的高速铁路板式无碴轨道CA砂浆用抗疲劳实验装置进行实验,见图1。采用该装置可进行应力控制(Stress Control),温度控制(Temperature Control)以及振动发生条件预先定义的任意振动频率控制(Vibration Frequency Control),其振动频率经过计算机程序化处理为电子信号,通过垂直振动机来模拟所需的高频振动。该系统适合于动态测试,加载模式为应力控制方式,先固定初始静荷载应力值,然后以电磁式垂直振动实验机进行振动,同时可使振动频率和应力保持在一定范围。该系统除应力控制动态加载外,所有的加载模式都可以通过闭环反馈电路控制。自动控制系统有两个控制通道,垂直振动加载和温度既可以独立变化,又可以同步进行。采用该装置能较好地模拟无碴轨道CA砂浆实际服役环境。

实验时,按图1所示安装试件。实验装置参数设定：冻融环境和温度范围在-12 ℃到50 ℃之间。由于该装置制冷时间相对较长,故将制冷时间设为12 h,制热时间设为5 h,使装置温度在-12℃和50 ℃各保持4 h,其温度变化曲线见图2。加载条件：静荷载设定为0.5 kN,对应的压应力约为0.25 MPa。振动频率设定为0、25、50、75 Hz和100 Hz。实测结果表明,在不同频率下振动时,试件承受的动荷载为2.0～2.5 kN。疲劳试验总时间设定为180 h。

图1 CA砂浆疲劳实验装置

2.4 力学性能测试

将疲劳试验后的CA砂浆试块置于标准养护箱养护24 h后,采用微机伺服万能材料试验机测定CA砂浆荷载-位移曲线。同时,测定与疲劳试验试件相同龄期下标准养护的掺聚合物乳液与未掺聚合物乳液的CA砂浆试件荷载-位移曲线,进一步通过数据处理得到不同试验条件下的CA砂浆应力-应变曲线,并得到峰值应力σp；同时,计算CA砂浆弹性模量,用割线模量来表示,即全曲线中0.3σp-0.5σp对应的割线斜率。

图2 温度变化曲线

2.5 微观结构分析

采用Hitachi S-4700扫描电子显微镜对疲劳实验前后的CA砂浆试件进行扫描电镜分析,并采用Autopore Ⅵ9500压汞仪对疲劳实验前后的CA砂浆进行孔隙分布分析。

3 结果分析与讨论

3.1 疲劳前后应力-应变曲线

图3所示为标准养护28 d后,掺与不掺聚合物乳液CA砂浆的应力-应变曲线。由图3可见,CA砂浆应力-应变曲线初始斜率偏小,其原因主要是由于试件的两端平面未完全平整,导致应力随着轴向应变的增长较缓慢,当轴向压缩变形超过不平整的高度时,应力就与轴向应变呈线性增长。然而,CA砂浆应力达峰值后下降较为缓慢,沥青与水泥所形成的互穿网络结构显著改善了砂浆的断裂韧性,使其不会像普通砂浆那样在应力达峰值后迅速下降,表明模拟服役前CA砂浆具有良好的韧性与延性。同时,可以发现,其他配比相同条件下,掺P乳液CA砂浆模拟服役前强度和弹性模量均比不掺P乳液大,见图3。

图3 标准养护28 d的CA砂浆应力-应变曲线

黏弹性材料力学性能特征之一是具有应变率敏感性,这与构成其结构的黏壶单元应变率响应特性有关,因而试件在不同振动频率下模拟服役其黏壶结构单元特性将发生变化,表现为服役后材料应力-应变状态的改变。图4为掺P乳液CA砂浆在不同振动频率下模拟服役后的应力-应变全曲线。图5为掺P乳液与不掺P乳液CA砂浆在100 Hz振动频率下模拟服役后的应力-应变全曲线。表3为模拟服役后的CA砂浆力学性能。

图4 不同振动频率疲劳后CA砂浆应力-应变曲线

图5 掺P乳液对CA砂浆疲劳后应力-应变曲线的影响(100 Hz)

CA砂浆频率/Hz应力峰值/MPa峰值应变/%弹性模量/MPaI-PI-NPStandard curing2.3102.2344.0365.586160.0130.0I-P02.1943.027159.8253.3061.755380.1506.3062.048868.9754.1011.821561.61002.6361.838242.6I-NP1004.0831.087745.7

材料受压后的应力-应变全曲线反映了材料的受压性能。从图4可以看出,模拟服役后的CA砂浆受压的初始阶段与标准养护条件类似,应力-应变均表现为线性关系,可认为CA砂浆处于弹性阶段,但可看出斜率明显增大；随轴向压力增大,CA砂浆内部产生非线性变形,应力-应变曲线在达到峰值后发生弯曲,与标准养护条件下的CA砂浆相比,曲线下降跌落较快,变形能力差,呈现典型的脆性材料特征。无振动荷载时,即仅冻融循环时,其模拟服役后的强度和弹性模量与标准养护下相比,有一定程度减小,原因可能是材料内部自由水冻融后对材料内部产生一定的膨胀应力且使内部孔隙变大,从而模拟服役后力学性能下降。而当模拟服役期间存在振动时,在中低频范围(≤60 Hz)内,服役后CA砂浆强度相比同期标准养护下由2.600 MPa增至6.306 MPa,弹性模量由160.0 MPa增至868.9 MPa；在高频范围(>60 Hz)内,模拟服役后CA砂浆强度和弹模相比同期标准养护仍有一定程度的增大,但比同期低频下的增长较少。CA砂浆在模拟服役环境下,在同时受高频振动和高温作用时,材料内部多余自由水在高频振动下渗出,同时乳化沥青颗粒可能迁移填充大孔而使材料更加密实；在冷热交替和反复持续加载状态下,乳化沥青逐渐偏硬化[10]；在同时受高频振动和低温作用时,因高频振动材料内部自由水未能结晶。当振动频率过高,材料疲劳加载次数更多,材料内部损伤累积加快,所以高频范围内材料性能相比低频增长不多,甚至可能低于标准养护下强度。

由图5和表3可见,掺加P乳液可明显提高CA砂浆的抗疲劳性能,相同疲劳实验条件下,其弹性模量的增长幅度明显减小。不掺加P乳液的CA砂浆模拟服役后其弹性模量几乎为掺加P乳液的3倍,高弹性模量使其逐渐失去其作为弹性调整层的作用,同时曲线下落较快,其性质接近普通砂浆,延性和阻尼下降。这可能是由于未掺加P乳液的CA砂浆在疲劳实验过程中易发生沥青析出现象,而掺P乳液的CA砂浆未发现此类现象发生(图6)。

图6 掺乳液对CA砂浆疲劳性能的影响

3.2 微观结构分析

为揭示I型板式无碴轨道CA砂浆在高低温、高频振动疲劳实验后,强度和弹性模量增大以及韧性和延性降低的原因,本文对振动频率为50 Hz条件下的疲劳试件,通过SEM显微观察和压汞仪孔隙测试分析了同龄期CA砂浆服役前后微观结构变化和孔隙结构特征。

图7 CRTS I型板式无碴轨道用CA砂浆疲劳实验前后的SEM照片

图7所示分别为同龄期标准养护和经50 Hz疲劳实验后的CA砂浆扫描电镜照片。由图7可见,标准养护下CA砂浆内部沥青与水泥形成胶粘多孔的互穿网络结构,宏观大孔均为球状孔,为CA砂浆内引气导致的气泡；微观孔隙分布均匀,孔壁无破坏现象。而经疲劳实验后,CA砂浆内部孔结构受荷载与振动疲劳荷载影响明显较大,内部互穿网络结构明显发生变形,其中的大孔明显因振动而被破坏,孔壁变形严重；微观结构孔虽然孔壁未发现明显破坏现象,但微孔孔隙明显减小,结构更加密实,表现为服役后强度和弹性模量增大、材料延性和韧性降低；而且大孔中出现因振动而迁移出来的物质,解释为高频振动、高温阶段乳化沥青沿内部孔隙发生流动,填充大孔结构。

图8为CA砂浆疲劳测试后和同龄期标准养护孔隙分布对比曲线。由图8可见,经疲劳实验后,CA砂浆内部大于1 000 nm的孔隙体积明显增大, 50～1 000 nm范围内的孔隙体积则有所增大,小于50 nm的孔隙体积基本不变。可见,CA砂浆在振动疲劳荷载作用后,其中的沥青在较高温作用和高频振动荷载作用下发生迁移,填充了CA砂浆孔隙,使CA砂浆密实度明显提高。

图8 CA砂浆疲劳前后孔隙分布对比

表4所示为经疲劳实验后与同龄期标准养护的CA砂浆试块孔结构特征参数。由表4可见,模拟服役后CA砂浆孔隙平均体积明显小于同龄期标准养护试样,其平均孔隙直径也明显小于标准养护试样。

表4 孔结构特征参数

3.3 振动频率对模拟服役后CA砂浆性能的影响

图9为模拟服役后CA砂浆抗压强度和弹性模量与服役期间振动频率的关系曲线。从图9可见,CA砂浆抗压强度和弹性模量的变化与振动频率的增加近似呈分段直线关系,其值随振动频率增加而先增大后减小,在频率为50 Hz的高频振动疲劳试验条件下,其弹性模量增长幅度最大。原因目前还不清楚,可能是由于此时CA砂浆的固有频率约为50 Hz,在此频率条件下,CA砂浆与设备发生共振所致,此时对CA砂浆性能的影响最大,有待进一步研究。

由振动频率与模拟服役后力学性能的近似分段线性关系可见,为保证CA砂浆弹性调整作用和轨道结构运行的安全性,应预先控制轨道结构阻尼分布和质量分布以使整个轨道结构的振动频率控制在一定范围内,减小服役期间轨道结构与CA砂浆发生共振的现象,可以防止CA砂浆发生疲劳破坏。

图9 疲劳实验振动频率对CA砂浆性能的影响

4 结 语

I型板式无碴轨道CA砂浆在模拟服役环境下疲劳实验后变形能力下降,呈现典型的脆性材料特征,材料延性和韧性降低；服役后CA砂浆抗压强度和弹性模量的变化与振动频率的增加近似呈分段直线关系,其值随振动频率先增大后减小。服役环境中仅有冻融作用下,CA砂浆强度和弹性模量同服役前相比减小。

SEM微观分析和压汞孔隙分析,服役后材料内部孔隙结构发生变化,大孔、有害孔减小,小孔、无害孔增加,同时乳化沥青在振动和高温下沿大孔迁移使结构更加密实。

掺聚合物乳液可明显提高CA砂浆的抗疲劳性能,防止其过早失去弹性调整作用；未掺聚合物乳液的CA砂浆服役后性能更接近普通砂浆。

服役后CA砂浆的强度和弹性模量的增大有利于列车运行时的稳定性；同时因材料延性和韧性降低,CA砂浆层逐渐失去弹性阻尼调整作用,列车振动频率增大,影响列车运行的舒适性和安全性。