疲劳荷载对水泥乳化沥青纤维复合材料黏弹行为的影响及机理分析

曹睿明，陈小兵，陈先华

(东南大学 交通学院，江苏 南京 210096)

0 引言

水泥乳化沥青复合胶浆是由水泥和乳化沥青复合而成的胶结材料，主要用于高速铁路板式无砟轨道CA砂浆的胶结料[1-4]，在道路工程中水泥乳化沥青复合胶浆与适宜级配的集料一起经过冷拌、冷铺和碾压之后形成的水泥乳化沥青混凝土，可以作为道路铺面材料使用[5-8]。水泥和乳化沥青结合时，水泥遇水发生水化硬化，乳化沥青失水破乳出现凝结，共同促进了材料基体强度的增长，同时也发挥了水泥高强度和沥青易变形的优势，极大地扩展了复合材料的服役范围[9-11]。实际使用时，荷载作用下，水泥乳化沥青复合胶浆受到疲劳荷载的重复作用，性能会逐渐劣化直至破坏。水泥乳化沥青复合胶浆中沥青作为典型的黏弹性材[12-13]，在荷载作用下会出现应力应变的滞后，造成材料整体力学响应状态的变化。为了增强水泥乳化沥青复合胶浆的性能，本研究将玄武岩纤维作为增强相掺入水泥乳化沥青复合胶浆中制备得到了水泥乳化沥青纤维复合材料，并研究了疲劳荷载作用下，复合材料的黏弹行为，为促进水泥乳化沥青复合胶浆的纤维增强研究提供理论指导。

1 试验

1.1 原材料

乳化沥青采用自制的阳离子乳化沥青，其蒸发残留物的主要技术指标如表1所示；水泥采用P.O.42.5R普通硅酸盐水泥，其主要化学成分如表2所示；纤维选用盐城市某工程材料有限公司生产的短切玄武岩纤维，外观呈灰白色絮状，单纤直径约5 μm，长度3～6 mm，密度为2.815 g/cm3；增稠剂和消泡剂分别选用聚氨酯类增稠剂和有机硅消泡剂。

表1 乳化沥青蒸发残留物基本性质Tab.1 Basic properties of emulsified asphalt evaporation residue

表2 水泥的化学组成Tab.2 Chemical composition of cement

1.2 水泥乳化沥青纤维复合材料制备

首先按不同A/C称取一定质量的乳化沥青倒入拌和锅中，并加入一定质量的消泡剂，以60 r/min的速度搅拌60 s使材料充分混合直至均匀;然后称取一定质量的玄武岩纤维倒入拌和锅并继续搅拌180 s,使纤维均匀分散在乳化沥青中;再将对应比例的水泥、减水剂和增稠剂倒入拌和锅，以60 r/min的速度搅拌60 s，以120 r/min的速度快速搅拌180 s，再以60 r/min的速度搅拌60 s;最后将混合物倒入60 mm×15 mm×4 mm的试模中，放置3 d后拆模，将拆模后的试件放入标准养护室养护60 d后，进行蠕变试验。

1.3 试验方法

采用动态剪切流变仪(DSR)测试水泥乳化沥青纤维复合材料的黏弹行为，测试循环荷载作用下，复合材料复数模量和相位角的变化规律。其中加载模式采用应力控制模式，试验温度为25 ℃，加载频率为10 Hz。并根据不同A/C情况下复合材料的强度差异，选用合适的应力水平。

将循环荷载施加于黏弹性材料时，应力和应变的响应会存在一个初始的相位差[14-16]，如图1所示。此时绘制应力-应变曲线发现曲线呈闭合环状，在黏弹性理论中将应力应变环称为滞后环线，如图2所示。

图1 应力应变响应Fig.1 Stress and strain responses

图2 滞后环线Fig.2 Hysteresis loop

滞后环所包含的面积称为一个循环加载过程中产生的耗散能，分别由式(1)和式(2)可以计算得到一个循环加载后的耗散能和前n个循环的累计耗散能[17-18]。

(1)

(2)

式中，wi为第i个循环的耗散能；σ为应力值；ε为应变振幅；δ为相位角；G*为复数模量值。

2 试验结果及分析

2.1 水泥乳化沥青胶浆黏弹行为

配置不同A/C的水泥乳化沥青胶浆，测定在不同应力水平时，胶浆试件的耗散能随疲劳荷载作用次数的变化规律，并计算破坏时的累计耗散能，研究水泥乳化沥青胶浆的黏弹行为，试验结果如图3和表3所示。

图3 疲劳荷载对水泥乳化沥青胶浆耗散能的影响Fig.3 Influence of fatigue load on dissipation energy of cement emulsified asphalt mortar

从图3可以看出，各配比下水泥乳化沥青胶浆的耗散能随疲劳荷载的变化规律可分为:快速增长期，缓慢增长期和急速增长期3个阶段。在快速增长期，随着加载次数的增多，耗散能迅速增大；直至加载次数达到一定值后，进入缓慢增长期，耗散能的增长速率逐渐放缓，应力水平越小，此阶段的耗散能变化速率越慢，持续时间越长；当加载次数达到一定值后，进入急速增长期，耗散能随着加载次数的增多急速增长，直至试件完全破坏。之所以出现这种现象，是因为水泥乳化沥青胶浆中，沥青为黏弹性材料，硬化后的水泥为刚性材料，在荷载作用初期，沥青会有一段流变区，在流变期内应力应变滞后圈对应的面积相等，因此沥青部分的耗散能是一定的，没有损伤产生，而水泥在荷载作用下无法发生相应的缓冲形变，应力无法得到释放，水泥部分的损伤从加载开始就产生了，因此快速增长期主要是因为水泥部分的损伤造成的。进入缓慢增长期后，水泥部分的损伤接近完成，沥青部分的损伤逐渐开始，而具有黏弹属性的沥青在荷载作用下产生形变，使部分应力得到释放，因此损伤速率较慢；进入急速增长期后，沥青部分出现了大面积损伤，随着加载次数的增多，损伤急速发展，试件很快达到破坏状态。

表3 疲劳荷载对水泥乳化沥青胶浆累计耗散能的影响Tab.3 Influence of fatigue load on cumulative dissipation energy of cement emulsified asphalt mortar

从表3可以看出，A/C一定时，随着应力的增大，水泥乳化沥青破坏时对应的累计耗散能逐渐减小，说明疲劳荷载越大，试件内部出现裂缝越早，且裂缝的扩展速度越快，因此累计耗散能越小。当应力一定时，随着A/C的增大，水泥乳化沥青胶浆破坏时的累计耗散能逐渐增大。解释其原因主要为，当A/C较小时，水泥乳化沥青胶浆中弹性成分逐渐较多，黏性成分较少，随着A/C的增大，胶浆中黏弹性比例发生变化，导致储存模量增大，而损耗模量减小，疲劳荷载对试件所做的功大部分被完全消耗，得不到储存，因此每个循环加载时所产生的耗散能逐渐增大，胶浆破坏时对应的累计耗散能逐渐增大。

2.2 水泥乳化沥青纤维复合材料黏弹行为

控制A/C=1.0不变，在水泥乳化沥青胶浆中掺加不同掺量的玄武岩纤维(0%，1%，2%，3%和4%)，测定不同应力水平时，试件耗散能和累计耗散能随纤维掺量的变化规律，研究水泥乳化沥青纤维复合材料的黏弹行为，试验结果如图4和表4所示。

图4 疲劳荷载对水泥乳化沥青复合材料耗散能的影响Fig.4 Influence of fatigue load on dissipation energy of cement emulsified asphalt composite

从图4可以看出，玄武岩纤维的掺入使水泥乳化沥青胶浆破坏时对应的疲劳荷载作用次数增多，且随着纤维掺量的增多，试件破坏时对应的加载次数呈现先增大后减小的变化规律，当纤维掺量为2%时，试件破坏时对应的加载次数最大。掺入玄武岩纤维后，试件耗散能曲线变缓，且应力水平越大，这一现象越明显，表明纤维的加入能延缓水泥乳化沥青的破坏速率。

从表4可以看出，当应力水平一定时，随着玄武岩纤维掺量的增多，水泥乳化沥青纤维复合材料破坏时的累计耗散能呈现先增大后减小的变化规律，当纤维掺量为2%时，累计耗散能有最大值。这是因为，当玄武岩纤维掺量小于2%时，纤维在水泥乳化沥青胶浆中起到加筋作用，荷载作用下纤维得到拉伸，荷载对试件做的功被纤维的受力变形所消耗，此时增大纤维掺量使试件储存的能量逐渐减小，因此累计耗散能逐渐增大。而当玄武岩纤维掺量大于2%时，纤维在水泥乳化沥青胶浆中的分散均匀性变差，此时增大纤维掺量造成部分纤维出现结团现象，成为水泥乳化沥青中的应力集中点，在荷载作下容易出现尖端裂缝，因此在疲劳荷载作用下更容易出现破坏，对应的疲劳荷载作用次数减少，累计耗散能随之减小。

表4 疲劳荷载对水泥乳化沥青复合材料累计耗散能的影响Tab. 4 Influence of fatigue load on cumulative dissipation energy of cement emulsified asphalt composite

2.3 微观机理分析

为了分析玄武岩纤维对水泥乳化沥青胶浆黏弹行为的作用机理，利用扫描电镜分别测试A/C=1.0时，添加纤维前后(纤维掺量为2%)水泥乳化沥青胶浆的微观形貌，试验结果如图5所示。

图5 水泥乳化沥青纤维复合材料扫描电镜微观结构图Fig.5 SEM microstructure of cement emulsified asphalt fiber composite

从图5可以看出，未掺加纤维时，水泥乳化沥青胶浆固化体系的微观结构中，沥青与水泥的水化产物相互包裹，形成良好的有机无机复合材料结合体。在胶浆中掺入2%的玄武岩纤维后，纤维在复合基体中的分散性良好，玄武岩纤维良好的吸附能力，使沥青黏附于纤维表面形成触角状结构，在纤维的相交交联中起到嵌锁作用，增强了材料间的黏附性和整体性，因此使复合材料的黏弹行为发生改变。另外，玄武岩纤维具有加筋作用，纤维杂乱均匀地分散在水泥乳化沥青胶浆中，相互搭接形成稳定的空间网络结构，当疲劳荷载作用时，胶浆基体将应力传至纤维形成的网络结构中，空间网络结构受力变形使应力得到释放，因此改变了水泥乳化沥青胶浆的黏弹行为。

3 结论

(1)随着疲劳荷载作用次数的增多，水泥乳化沥青胶浆的耗散能呈现快速增长期，缓慢增长期和急速增长期3个阶段的变化规律；应力水平越大，水泥乳化沥青破坏的累计耗散越小；随着A/C的增大，水泥乳化沥青胶浆破坏时的累计耗散能逐渐增大。

(2)玄武岩纤维的掺入提高了水泥乳化沥青胶浆的疲劳寿命，降低了耗散能曲线的变化速率；随着纤维掺量的增多，疲劳寿命和累计耗散能呈现先增大后减小的变化规律，当纤维掺量为2%时，疲劳寿命和累计耗散能都出现最大值。

(3)A/C=1.0的水泥乳化沥青胶浆的微观结构具有良好的均匀性，玄武岩纤维能良好地分散在胶浆基体中；纤维对沥青起到吸附作用，且纤维间相互搭接形成稳定的空间网络结构，改变了受力时水泥乳化沥青胶浆的黏弹行为。