水和温度作用下水泥乳化沥青砂浆的动态力学性能研究

朱兵，宋昊，2

（1.合肥水泥研究设计院有限公司，安徽 合肥 230051；2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075）

0 引言

随着我国高速铁路的快速发展，水泥乳化沥青砂浆（CA砂浆）作为板式无砟轨道的关键工程材料得到了大量应用，CA砂浆是一种由水泥、乳化沥青、细骨料（砂）、水、铝粉及多种外加剂组成的有机-无机复合材料，CA砂浆充填层是提高板式轨道弹性、减缓振动的重要构造，还起到充填与调整轨道板高程、协调变形、阻止底座裂缝向轨道板传播等作用[1-3]。沥青赋予了CA砂浆明显的粘弹性，CA砂浆充填层通过弹性形变和阻尼作用来储存和损耗所承受的冲击能，从而实现缓冲和吸收高速列车运行引起的动态冲击荷载的功能[4-8]。

CA砂浆充填层在动态冲击载荷作用下的响应，不仅影响轨道结构的动态力学行为，而且会影响到高速车辆的运行。可见CA砂浆的动态力学性能参数与轨道结构的动态力学行为密切相关，是结构设计、轨道动力行为分析的基本参数。在粘弹性材料动态力学性能的表征参数中，储存模量E′是评价材料弹性变形能力的参数，损耗模量E"则是材料在发生变形时损耗的能量大小的量度，损耗因子tanδ（损耗模量和储存模量的比值或滞后角正切）则表征材料的阻尼特性。

作为沥青基与水泥基的复合材料，CA砂浆是一种典型的粘弹性复合材料，其力学性能具有明显的时间和温度依赖性。刘永亮等[9]研究了水泥-沥青复合胶凝材料（CAB）动态力学性能的温度和频率敏感性，随着温度的升高，CAB的储存模量逐渐减小，粘弹性增强；当温度较低时，CAB的阻尼性能随着频率的增大而降低，当温度较高时，CAB的阻尼性能随着频率的增大而提高。潘云瑞[10]系统研究了CA砂浆动态热力学性能，CA砂浆的储存模量随温度的升高而减小，损耗因子随温度的升高而增大；当温度低于10℃时，损耗因子随着频率的增大而减小，温度高于10℃时，损耗因子随着频率的增大而增大。

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我国是一个季风气候明显的国家，降水的季节分配差异较大，在此季节常常出现大雨和暴雨，降水量约占年总量的70%，因此，雨季表现也比较明显，就大范围而言，一般南方雨季为4～9月，北方为6～9月，雨季较长。由于雨雪等气候因素的作用及板式轨道的结构特点，CA砂浆充填层长时间处于饱水状态下服役。CRTSⅠ型CA砂浆内部存在大量孔径为5μm的毛细孔，总孔隙体积达15%～20%，外部水分通过毛细作用进入CA砂浆内部，会直接影响到CA砂浆的动态力学性能。水的渗入使得有害物富集并将其引入CA砂浆充填层，使水泥、砂与沥青剥离、低溶点物迁移，水与未水化水泥颗粒反应，这些作用导致CA砂浆老化和脆化，最终影响到CA砂浆的动态力学性能[11-12]。

本文采用TA Instruments研发的DMA Q800动态力学分析仪，以1℃/min的升温速率研究了不同含水量CA砂浆在-40～60℃和6 Hz的荷载频率下动态力学性能随温度的发展规律，分析了水对CA砂浆的动态力学性能参数的影响。研究结果可为板式无砟轨道的结构设计和安全维护提供参考。

报告指出，目前我国养老服务整体供给存在不充分不平衡现象，照料护理专业化、精细化水平与老年人的刚需不匹配。养老服务业的关键是养老护理，在我国城乡老年人社区服务需求结构中，上门看病、康复护理等医疗健康类服务需求始终居于首位，其次是上门做家务等日常生活类服务。但目前中国养老照护体系还相对薄弱，养老服务机构维持在以保障基本生活为主、以健康老年人为主、以保障贫困人口为主的传统格局，功能转型尚未完成。

1 试验

1.1 原材料

CRTSⅠ型CA砂浆专用干粉料：安徽中铁工程材料科技有限公司提供，由硅酸盐水泥、机制砂、膨胀剂、铝粉和其他外加剂组成，水泥含量约为（33±1）%，所用水泥的主要性能见表1，水泥的24h体积膨胀率为2.1%。SBS改性阳离子乳化沥青：安徽中铁工程材料科技有限公司提供，物理性能见表2。拌合水：自来水。

表1 水泥的物理力学性能

表2 乳化沥青的物理性能

1.2 试验方法

当温度达到50℃后，孔隙内部的水由于迁移和渗出的作用基本上都到达了试件表面，储存模量的减小只与材料本身的性能有关，所以3个曲线趋于接近。

表3 试验配比和CA砂浆的性能

将乳化沥青和水倒入搅拌锅中慢搅1 min，在慢搅的前30 s内，加入适量（约0.05 g/L）消泡剂以消除搅拌过程中产生的较大气泡。在慢搅的后30 s内，将干粉料缓慢地加入搅拌锅中。投料结束后，先快速搅拌砂浆2 min，再慢速搅拌约30 s，以消除大气泡。将砂浆注入40 mm×40 mm×10 mm的试模中，1 d后拆模，并将试件放入（23±2）℃、相对湿度（65±5）%的环境箱中养护60 d。养护完后保持在环境箱中的试件为气干状态，将一部分试件分别放入真空干燥箱中以40℃的温度干燥到恒重和真空饱水机中饱水到恒重，分别得到干燥状态和饱水状态试件。

试验前，为保证试验结果的有效性，把试样用立式磨片机磨至约2.5 mm厚，必须保证厚度均匀。用刀片将打磨出来的薄片宽度切成10 mm，切完后切口平整度有欠缺，需要用砂纸对试件的两侧进行精细打磨，保证两端面的平行误差小于0.01 mm，最终得到尺寸为17.21 mm×10 mm×2.5 mm的CA砂浆薄片。采用DMA Q800动态力学分析仪进行CA砂浆的动态力学性能试验。试验前需输入适当的试验参数，将CA砂浆试件放置于试验系统的单悬臂夹具之间，开启温度扫描模式，然后降温至-40℃，稳定15 min后对试件按照设定的升温速率进行试验。试验仪器和夹具如图1所示。

2 结果与讨论

2.1 CA砂浆的动态力学性能

通过DMA Q800测试干燥和饱水CA砂浆试件在温度为-40～60℃、加载频率为6 Hz时的动态力学性能。其中储存模量E′、损耗模量E"和损耗因子tanδ的温度谱如图2和图3所示。

由图2可以看出，干燥试件的储存模量曲线在试验温度范围内处于下降的趋势，当温度较低时，沥青的分子链处于被冻结的状态，其刚度较高，所以CA砂浆的储存模量较高。但随着温度的升高，沥青组分的黏度逐渐增大，即刚度减小，则CA砂浆的储存模量也会相应降低。损耗模量曲线随温度的升高大致呈先升高后降低的趋势，其峰值对应的温度为转变温度，损耗因子随温度的升高基本呈不断增大的趋势。

由图3可以看出，从-40℃升温至60℃，饱水试件的储存模量下降了接近20倍，由于和干燥试件材料的特性是一样的，可见水在其中的作用很明显。从高分子物理性能角度分析，与干燥试件储存模量降低的原因一样，但这方面的影响比较小。从CA砂浆内部的水分方面分析，由于CA砂浆与普通混凝土一样，也是一种多孔材料，饱水试件内部充满着水，在温度较低时，水以冰的状态存在，随着温度的升高储存模量下降，可能是由于2种原因：（1）微观结构的转换（没有热激活），因此没有频率的依赖性，如冰的融化（连通孔隙结构中的自由水）、自由水的蒸发（取决于孔的直径和特征）、水合物中结合水的去除（水与水合物的结合能）；（2）松弛（热激活），因此有频率依赖性，如表面吸附水的流动、聚合物松弛。由于本试验的温度为-40～60℃，所以只有冰的融化这一项可能发生。损耗模量随温度的升高呈明显下降的趋势，而损耗因子随温度的升高呈先降低再升高最后又降低的趋势，在5～10℃曲线有一个峰值，对应的是与毛细孔中冰的融化有关的温度Tice。这个温度是由吉布斯方程决定的，取决于局部环境中水的形式（孔隙系统的连通性，包括水的气孔直径、输送水的毛细管的直径）。由于不同大小孔隙中水的特性存在一些差异，这些差异包括小孔隙的水中线性的氢键比大孔隙的数量少，这或许可以解释熔化潜热对孔隙尺寸的依赖性[13]，即小孔隙中的水会先融化。

2.2 水对储存模量的影响

由图4可见，在整个试验温度范围内，储存模量都是随着温度的升高而降低的过程。选取-40、25、60℃的试验数据，归纳为表4所示。

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通过DMA Q800测试干燥状态、饱水状态和气干状态的3组CA砂浆试件的储存模量-温度谱如图4所示。

由于试件的沥灰比A/C较高，CA砂浆以沥青为基体，水泥水化物被沥青连续相包裹。当温度较低时，CA砂浆内的沥青组分处于玻璃态区域，分子紧密压缩，但由于CA砂浆内部存在大量孔径为5μm的毛细孔，总孔隙体积达15%～20%，在干燥状态下，这些孔隙使得CA砂浆内部具有足够的自由体积，在外力作用下，具有足够的空间进行分子链构象的调整，高分子链可以在自由体积里有一定的运动，高分子链的运动如图5所示。

表4 储存模量数值

在分析水对储存模量的影响时，可以从表4明显看出，在温度为-40℃时，干燥状态下试件的储存模量最低，气干状态下试件的储存模量稍高，大概是干燥状态下储存模量的1.5倍，而饱水状态下试件的储存模量达到了干燥状态下试件的7.4倍；在25、60℃时，3组CA砂浆试件的储存模量相差不多。

随着材料温度的升高，沥青中的自由体积增加，局部结合运动（弯曲和伸展）和侧链运动可以发生。干燥状态下，在玻璃化温度前，原先被冻结的链段开始发生运动，但由于分子链间的内摩擦很大，受到内摩擦力的阻碍，能发生运动的链段很少，因此刚性的减小不是很明显，储存模量缓慢减小；在玻璃化温度后，沥青组分由玻璃态向橡胶态转变，其变形量大大增加，导致分子链之间的运动迅速增加，储存模量迅速降低；在软化点后，整个大分子开始滑移运动，材料表现为粘流态，滞后现象明显，链段运动跟不上外部应力或应变的变化，故储存模量的减小又变得缓慢。气干状态的试件与干燥状态的试件类似。而在饱水状态下，沥青中的自由体积逐渐增大，在外力作用下，沥青高分子链段可发生较大的滑移，使沥青的弹性势能储存能力迅速下降，储存模量迅速减小。另外，温度的升高使CA砂浆内的水分逐渐解冻，水泥砂浆组分的抗变形能力逐渐减弱，使水泥砂浆组分对CA砂浆储存模量的贡献作用逐渐减小。

本研究通过4周的团体mCIMT，结果显示团体mCIMT能够有效改善脑卒中患者偏瘫上肢的运动功能，提高患侧上肢在日常生活的使用数量和运动质量。但本研究仍有一定的局限性，如入选的样本量低，未观察其长期疗效。笔者将做进一步深入研究。

所以干燥状态不能表现出很好的刚性；而在饱水状态下，由于孔隙中的水以固相冰的形式存在，使得自由体积很小，热能还不足以克服沥青分子主键链段的旋转和平移运动的位垒，主键链段基本冻结在固定位置上，围绕固定位置运动，只有高分子链的某些侧基、链节等较小的运动单元可以在较低的温度下具有一定的运动能力，同时，高分子链中原子间化学键的键角和键长产生微小的变形，所以在饱水状态下呈现出更强的刚性，比干燥状态下的储存模量高很多；气干状态下，只有一些封闭孔隙中存在着水分，由于封闭孔隙较少，所以自由体积会比干燥试件小一点，刚度会大一点，故储存模量稍高些。

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由于未冻结水的孔隙和含有冰的孔隙之间的蒸汽压力差会导致水从较小的孔隙向较大的孔及外部迁移。在10℃后，孔隙中的冰融化成水，水由于迁移和渗透作用逐渐向试件外部流动，当温度达到25℃后，孔隙内部的水基本上都到达了试件表面，储存模量的减小只与材料本身的性能有关，所以3个曲线趋于接近，而且水对CA砂浆弹性减弱的效果使得饱水试件的储存模量甚至小于干燥试件和气干试件。

2.3 水对损耗模量的影响

通过DMA Q800测试干燥状态、饱水状态和气干状态的3组CA砂浆试件的损耗模量-温度谱如图6所示。

由图6可见，在整个试验温度范围内，随着温度的升高，饱水试件的损耗模量逐渐减小，干燥试件和气干试件的损耗模量先增大后减小。选取-40、3（气干状态峰值处温度）、11（干燥状态峰值处温度）、50、60℃的试验数据，归纳为表5所示。

表5 损耗模量数值

在分析水对损耗模量的影响时，可以从表5明显看出，在温度为-40℃时，干燥状态下试件的损耗模量最低，气干状态下试件的损耗模量稍高，而饱水状态下试件的损耗模量达到了干燥状态下的37倍；在3℃时，气干状态下试件的损耗模量达到了峰值，为291.95MPa，较-40℃时增加了90%；在11℃时，干燥状态下试件的损耗模量达到了峰值，为191.44 MPa，较-40℃时增加了60%；在50、60℃时，3组CA砂浆的损耗模量相差不大。

通过DMA Q800测试干燥状态、饱水状态和气干状态的3组CA砂浆试件的损耗因子的温度谱如图7所示。

当温度升高时，分子链开始移动，在干燥状态下，由于分子链的滑移量随温度的升高而增加，但内摩擦力随着温度的升高而降低，所以会出现一个临界点，对应于曲线中的峰值，因为在11℃之前，滑移量增加所起到的增加作用高于内摩擦力减小起到的减小作用，损耗模量升高；而在11℃之后，滑移量增加所起到的增加作用小于内摩擦力减小起到的减小作用，从而损耗模量降低。在气干状态下，由于封闭孔隙中的冰融化成水，起到了润滑作用，使得滑移量比干燥状态下的大，所以损耗模量的增幅更大，但同时使得内摩擦力也减小了，所以在3℃时就出现了峰值。在饱水状态下，由于冻结时水是以冰的状态存在，摩尔体积增加，相对于水增加了9%左右。一方面，孔隙最初是被水充满的，由于体积增加，孔隙必须扩大（可能通过压裂孔隙壁）或冻结孔中的水向邻近的毛孔驱逐；另一方面，随着温度的升高，CA砂浆孔隙中的冰冻水逐渐融化，未冻结水的孔隙和含有冰的孔隙之间的蒸汽压力差会导致水从较小的孔隙向较大的孔及外部迁移，这是因为低于凝固点时，液体的蒸汽压高于固体的蒸汽压，给水在毛细孔内的解吸和运输提供了推动力。随着水分含量的增加，水分的迁移或渗出增加，并进一步弱化了有机物-无机物界面的粘结强度，而且起到了润滑的作用，使得内摩擦力大大减小，虽然位移增加，但是影响很小，所以做功减小，相应的损耗模量也迅速减小。

试验配比和CA砂浆的性能见表3。

2.4 水对损耗因子的影响

由于试件的沥灰比较高，沥青是CA砂浆的基体，砂浆的变形主要是来源于沥青。当温度较低时，CA砂浆的沥青组分处于玻璃态，分子链间的内摩擦力很大，在干燥状态下，由于内部孔隙的存在，使得CA砂浆内有足够的自由体积，在受到外力作用下，具有足够的空间进行分子链构象的调整，高分子链可以在自由体积里有一定的运动，沥青高分子的运动主要来自分子链内部键长与键角发生的变化，而这种形变量相对较小，分子链间的相对滑移很小，所以摩擦耗散的能量较小，损耗模量很小。而在饱水状态下，由于孔隙中充满了冰，一方面，由于冰的存在，使得CA砂浆内部的自由体积很小，在受到外力荷载的作用时，其内部没有足够的空间来维持原先的形状，这导致分子链间会出现变形，相对滑移量会较大，内摩擦力所做的功也会较大；另一方面，由于CA砂浆内部孔隙的表面比较粗糙，当充满冰时，冰和CA砂浆的界面也会比较粗糙，在动态外力的作用下，界面会出现相对的移动，为了克服冰的阻碍作用需要做功，所以损耗模量会很高。气干状态下，由于少量的封闭孔隙中存在着冰，所以损耗模量稍高于干燥状态。

6.4.4 花叶病：①及时防治蚜虫，用10%吡虫啉可湿性粉剂3000倍液或50%抗蚜威可湿性粉剂2000倍液或2.5%鱼藤精乳剂600～800倍液喷雾。②发病初期喷洒1.5%植病灵乳剂1000倍液或20%病毒可湿性粉剂500倍液或抗毒剂1号200～300倍液，间隔 7～10天 1次，连喷 2～3次。

由图7可见，在整个试验温度范围内，随着温度的升高，饱水试件的损耗因子先减小后增大再减小，气干试件的损耗因子先增大后减小，干燥状态的损耗因子逐渐增大。选取-40、-23（饱水状态第1个峰值处温度）、8（饱水状态第2个峰值处温度）、20（气干状态峰值处温度）、60℃的试验数据，归纳为表6所示。

表6 损耗因子数值

在分析水对损耗因子的影响时，可以从表6明显看出，在温度为-40℃时，饱水状态下试件的损耗因子明显高于干燥状态和气干状态下；饱水试件的损耗因子曲线在-23、8℃时达到峰值，气干试件的损耗因子曲线在20℃时达到峰值。

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当温度较低时，由于此时沥青是刚性的，分子链冻结，在外力作用下，水泥水化物会产生变形，使沥青的分子链产生一定的滑移。干燥状态下，CA砂浆内部存在很多孔隙，在水泥水化物发生变形时，沥青整体可以在孔隙中调整形态，沥青分子链间的相对滑移量会较小，滞后现象不明显，损耗因子较小。在饱水状态下，由于孔隙中都充满了冰，使得整个砂浆内部很密实，沥青没有空间可以滑移保持内部结构，沥青分子链间的相对滑移量会较大，滞后现象很明显，损耗因子也较大。

这是我第一次看见温文尔雅的古意在人前失态，他用一种我从来没有听过的苍凉而又悲怆的声音说道：“古乐，虽然你是她生下来的，但却是我亲手养大的，你不能像她那么自私，那么不讲道理。”

随着温度的升高，高分子链段的热运动逐渐明显，干燥状态下，由于高分子链段之间的摩擦力较大，高分子链段沿外力方向的择优取向落后于外力的变化速度，滞后效应逐渐明显，损耗因子逐渐增加。当温度上升到一定值后，高分子之间的摩擦力迅速减小，高分子链段沿外力方向择优取向的发展较快，沥青组分的整体变形逐渐跟上外力的变化速度，滞后效应逐渐减小，损耗因子开始变小，由于本试验的CA砂浆沥灰比较高，可能在60℃之后才会出现这样的温度，所以干燥状态下的曲线没有出现峰值。饱水状态下，孔隙中的冰逐渐解冻，而水在CA砂浆内部起到润滑作用，使滞后现象减弱，在-23℃之前，分子链的运动导致的滞后效应增强效果小于水的减弱效果，损耗因子逐渐减小；在-23℃之后，分子链的运动导致的滞后效应增强效果逐渐超过了水的减弱效果，损耗因子逐渐增大。在当温度上升到8℃时，沥青开始向粘流态转变，变形速率会加快，滞后效应开始减弱，损耗因子减小。气干状态下的CA砂浆只有少量封闭孔隙中存在水，所以分子链滑移导致的滞后现象增强效果一开始就大于水的减小效果，损耗因子增大，在20℃之后，沥青变形速率会加快，滞后效应开始减弱，损耗因子减小。

3 结论

（1）饱水状态、气干状态和干燥状态下CA砂浆试件的储存模量E′在整个试验温度范围（-40～60℃）内都随着温度的升高而减小。

（2）饱水状下CA砂浆试件的损耗模量E"在整个试验温度范围（-40～60℃）内都随着温度的升高而减小，气干和干燥状态下试件的损耗模量随着温度的升高先增大后减小。在-40℃时，CA砂浆饱水试件的损耗模量明显高于气干试件和干燥试件。

冷却塔的设计与实现主要采用的是空间样条曲线，该地物符号的明显特征是它不但有高度，还有宽度。该符号通常在火力发电厂可以见到。首先，设定冷却塔的中心位置点，然后再给出其高度和宽度来确定冷却塔实体。符号图形表达上，上表面是用一个空间平面封盖，底部是一个圆柱体，侧面采用空间样条曲线的方法来表达。因此要定义一个AcadSpline，在表达过程中就需要一系列顶点坐标矩阵，至少需要2个点作为样条曲线中线段的拐点，此外还要有起点的切点坐标（StartTangent）和终点的切点坐标（EndTangent）。

（3）饱水状态下CA砂浆试件的损耗因子tanδ随着温度的升高先减小后增大再减小，气干试件的损耗因子随着温度的升高先增大后减小，干燥试件的损耗因子随着温度的升高而增大。