水泥乳化沥青砂浆常温抗断裂评价

李可鑫

（山东建筑大学交通工程学院，山东 济南 250101）

水泥乳化沥青砂浆（CEAM）是一种半刚性的复合材料，是用在高铁中代替传统有砟轨道不可或缺的材料[1]。CEAM 由硅酸盐水泥，乳化沥青，细集料，水和外加剂组成[2]。由于维护需求较低，结构高度较低，静载较小，结构尺寸较小，同时可靠性更高[3]，CEAM 被广泛用于现代高速铁路中。与传统有砟轨道相比，CEAM的施工初期成本略高于传统有砟轨道，但周期性成本却大大降低[4]。此外，CEAM 的作用还包括减少和消散轨道振动，调整轨道的几何形状以及将列车经过时产生的荷载传递给下层等。

CEAM 层不仅具有沥青结合料的柔性，还具有水泥砂浆的强度，因此CEAM 的性能特性与纯水泥或沥青材料相比有很大的不同[5,6]。沥青与水泥（A/C）、水与水泥（W/C）和砂与水泥（S/C）的比例对CEAM 的力学性能有显著影响。有研究指出，随着A/C 的提高，CEAM 的弹性模量、抗压强度都会降低[7-10]，改变A/C 的值，可以显著改变CEAM 的空隙率及空隙分布、和易性[9]和温度敏感性[7]。此外，A/C 的增大可能导致CEAM 的流动性降低[7,8]，塑性增大[10]。有研究证明，断裂能参数可以评价不同的沥青水泥比例对CEAM 性能的影响。综上，以断裂力学为基础的试验可以很好的评价CEAM 的疲劳性能。

本文运用断裂力学原理，采用SCB 试验方法研究了CEAM 的抗疲劳断裂性能。研究了三个不同的参数：断裂位移、断裂能（Gf）和临界应变能释放率（Jc）的评价准确性。讨论了试样尺寸、切口长度、厚度以及外加剂对CEAM 断裂特性参数的影响。最后，提出了不受上述因素影响的CEAM 抗疲劳开裂性能评价的最佳参数。

1 原材料与试验设计

1.1 原材料

试验原材料包括Ⅰ型硅酸盐水泥，其物理化学性质如表1所示。固含量59%的慢裂阳离子乳化沥青，其基本性质如表2所示。细集料，其密度为2.55、吸水率为3.01%，混合料合成集配如图1所示。

表1 硅酸盐水泥的物理化学性质

表2 阳离子乳化沥青

图1 集料集配

聚羧酸系高效减水剂（固体含量为40±1%，pH 值为7±1，20℃下密度为1.17±0.05），用以满足CEAM的和易性。此外，为防止混合料起泡添加了有机硅消泡剂。为明确外加剂对CEAM 断裂性能的影响，使用了纳米二氧化硅作为水泥和沥青基材料的改性剂，其物理化学性质如表3所示。

表3 纳米二氧化硅颗粒的物理化学性质

1.2 试样制备

为探究掺加二氧化硅的影响，设置了对照组和实验组。对照组A/C 为0.4，水泥含量为500kg/m³，S/C 为1.99，消泡剂与水泥的质量比为0.07，标记为N1。实验组混合料分别添加0.5%、1.0%和1.5%的纳米二氧化硅，分别标记为N2、N3 和N4。先制备CEAM，首先，将乳化沥青，消泡剂和95%的水（实验组还加入纳米二氧化硅）在140r/min 下搅拌1 分钟。随后，将饱和面干砂（SSD）添加到混合料中，然后继续以140r/min 速度搅拌，同时在1 分钟内将硅酸盐水泥逐渐添加到搅拌器中。最后，将剩余的水和减水剂加到砂浆中，并以285r/min 的速度将砂浆搅拌2.5 分钟。为避免形成气泡，以低速继续搅拌30 秒。混合过程完成后，将制成的砂浆立即倒入立方体和圆柱体试模中。用塑料板覆盖试样并将其放置在养生室中（20±3℃、相对湿度95%下养生7 天，然后在20±3℃、相对湿度65%下养生至28 天）。

1.3 试验方案

本研究的主要目的是找出能评估CEAM 抗疲劳开裂性能的最佳参数。IDT 和SCB 试验均在25℃下进行，其样品总数分别为12 个和252 个。这些样品均从36 个圆柱形CEAM 试验中切取。

对两种不同的试样厚度（25 和57mm）、四种切口长度（15.0、25.4、31.8 和38.0 mm）和两种试样尺寸（直径100 和150 mm）的试样进行了试验，以研究这些参数是否对CEAM 的开裂性能有影响。试验变量组合如表4所示。

表4 试验变量组合

2 结果与讨论—对CEAM 疲劳开裂的影响因素

2.1 切口长度的影响

研究选取三种不同切口长度的CEAM 试样，探讨切口长度对断裂性能的影响。三个不同切口长度分别取三次重复试验得到的断裂能（Gf）和断裂位移值的平均值。

试验结果表明，具有不同切口长度的CEAM 样品的应变能破坏斜率与切口长度之间没有显著联系。因此，Jc 值作为断裂参数与切口长度无关。

2.2 试样厚度的影响

由于现场施工时CEAM 层厚度可能发生变化，CEAM 试样厚度是影响其断裂参数的关键因素之一。为评估厚度的影响，制备了两种不同厚度的CEAM 试样并进行了试验研究。

不同厚度CEAM 混合料的dU/da 和样品厚度的比率几乎一致。这说明Jc 与样品厚度无关。

2.3 试样尺寸的影响

尺寸效应是材料性能评价中需要考虑的重要问题之一。为了评估小尺寸试样（如直径小于150 mm 的圆柱形试样）在设计中的应用，以及探究断裂参数作为材料特性评价参数的合理性，需要研究试样尺寸对断裂指标的影响。

本研究制作了两种不同的直径的（100mm 和150 mm）CEAM 样品，计算了本研究中考虑的所有三个断裂参数。

结果证明样品尺寸的减小改变了CEAM 样品断裂时的断裂能和位移。因此CEAM 混合料的Gf 以及断裂位移和尺寸有关。而样本大小对另一个参数Jc 的影响，也需要讨论。对不同直径CEAM 样本进行SCB 试验得到对于各种不同试样尺寸的CEAM 混合料，Jc 参数有较高的相关性，因此临界应变能释放率与尺寸无关。

3 结 论

本文通过间接拉伸强度试验（IDT）和半圆弯曲试验（SCB）在常温下对水泥乳化沥青砂浆（CEAM）的抗疲劳开裂性能进行了研究。为了阐明断裂参数能否评估加入添加剂的CEAM 的抗疲劳开裂性能，将纳米二氧化硅以三种不同的含量添加到CEAM 中。结果表明，IDT 试验不足以评价添加剂（如纳米二氧化硅）对CEAM 抗疲劳开裂性能的影响。相比之下，SCB 测试得到的三个断裂参数，包括断裂位移、Gf和Jc，都能很好地表征添加剂的作用。为了找到最佳的参数来探索CEAM 的抗疲劳开裂性，研究了试样尺寸，厚度和切口长度对断裂参数评价准确性的影响。试验测试结果和相关分析表明，除了试样尺寸外，断裂位移和断裂能与其他影响因素无关。而Jc参数，各种影响因素都对其评价准确性没有影响。因此，Jc 可以认为是评价CEAM 抗疲劳开裂性能的良好参数。