高速铁路板式无碴轨道用CA砂浆的疲劳特性分析

叶云

摘要：根据实际结果表明，所研究制造的CA砂浆针对素质以及应力水平下其疲劳寿命所显现出的线性相关性较为的良好；对于CA砂浆而言，其本身的抗压强度大小，会因为环境温度的变化而产生较大的波动，在盈利水平保持相同的情况下，CA砂浆本身的疲劳寿命（负温环境）较之常温而言更差一些，而CA砂浆本身的粘弹特性使其在零下20℃的环境下仍然可以保持较为出色的耐疲劳特性。

关键词：无碴轨道（板式） CA砂浆 环境温度 疲劳

一、试验

（一）原材料介绍

（1）第一项材料：沥青乳液，对于自制的CA砂浆而言，其一般情况下选择使用慢裂快凝类型的沥青乳液（阳离子）；（2）第二项材料：水泥，一般情况下选择强度等级是42.5R的硅酸盐水泥；（3）第三项材料：砂，一般情况下选择使用天然的河砂，其细度模数保持在1.2，而表观密度大概为2254.1kg/m3；（4）第四项材料：水，一般情况下就选择自来水进行施工；（5）第五项材料：外加剂，所选择的外加剂为聚羧酸类型的减水剂，其实际固含量大小为30%，有效减水率也为30%；所选择的增稠剂真实选择聚丙烯类型的，分子量实际大小为1x106，并且形态为固体粉末状。选择的消泡剂为磷酸类型的，实际密度保持在0.95g/ml。

（二）简析配比以及其方法

按照在前期所进行的试验过程中所得到的实际配比值，参考表1：

表1：前期试验CA砂浆配比参考

压强抵抗试验：选择的试块为长方体（规格：70.7mmx70.7mmx70.7mm），在进行标准养护越28天以后，进行试验，在进行试验以前，将该长方体试块放进万能材料测试机器中进行保温，持续时间30min，同时按照一定的加载速率（0.4mpa/min）进行匀速的加载，从而对CA砂浆处于不同环境温度下实际的抗压能力进行测试。

fatigue test（疲劳试验）：当CA砂浆试件成型以后（规格：70.7mmx70.7mmx70.7mm），在进行28天的标准养护以后便开始试验，按照CA砂浆表现出来的受力状态，通过材料试验设备（带有环境箱）对其进行压缩疲劳测试。选择的加载模式为应力受控加载。选取的荷载循环特征大小为1，选择的试验温度为零下20℃以及20℃，并且对疲劳测试的周期以及CA砂浆实际受到的应力水平进行综合的考虑，选取0.90、0.85、0.70、0.75以及0.65、0.60等6个应力水平实现加载，选择的加载频率大小保持在10Hz，所加载的波类型为正弦波。

二、实验方法、结果以及相关讨论

（一）对材料进行配比

在本次实验中，通过对2种类型完全不同的沥青水泥比时间进行个试验，具体的配合比如下所示：

表2：相关材料配比介绍

（二）试件成型

CA砂浆通过CA砂浆专用搅拌机拌制，按照表2所示的材料掺配比例称量好各档原料。首先将水、乳化沥青及减水剂投入到搅拌机中以60r/min的转速搅拌30s，然后加入水泥、砂、消泡剂及铝粉，以60r/min的转速搅拌60s，再以120r/min的转速搅拌180s，然后再以60r/min的转速搅拌60s。其搅拌过程如图1所示。拌制完成后将CA砂浆浇入70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方体试模中，室内常温静置24h，初始强度形成后脱模，随后在20℃，60%湿度条件下养生28d。

（三）疲劳性能受到应力水平的影响

利用试验所得的0.9、0.8及0.7三个应力水平下的疲劳寿命值N，通过回归分析得到了疲劳次数对数lg/N与载荷水平S的疲劳方程。

1）配比Ⅰ（A/C=0.4）的疲劳方程为：

2）配比Ⅱ（A/C=0.6）的疲劳方程为：

由回归方程可以看出，CA砂浆的疲劳寿命对数与应力水平呈现较好的线性关系，并且随着应力水平的提高，CA砂浆的疲劳寿命随之降低。

（四）乳化沥青用量对疲劳性能的影响

将疲劳方程统一写成如下形式：

式中，k、n为回归系数，k值越大说明疲劳寿命对应力水平的变化越敏感，而n值越大说明在相同的应力水平下疲劳寿命越大。本项研究通过2组不同的材料配比（配比Ⅰ及配比Ⅱ），研究不同的乳化沥青用量对CA砂浆疲劳性能的影响。配比Ⅰ及配比Ⅱ回归方程的系数如表3所示。

对比不同配比的回归系数，配比Ⅱ的k、n 值相对较大，说明当沥青用量增加时，CA 砂浆的疲劳寿命相应地增大，而随着沥青用量的增加，C 砂浆固化体的疲劳寿命对应力水平的变化也更为敏感，即应力水平的变化对配比Ⅱ疲劳寿命的影响更为显著。

如果A/C之间的比值不同，那么其CA砂浆固化体在28天测试时间内的sem示意如下所示：

（a）A/C比值为0.6；

（b）A/C比值为0.4。

从上我们不难发现，如果沥青含量较大（如（a）），那么在整个微观结构当中，水泥的水化产物大部分都被沥青膜所包裹，所以使得整个固化体的韧性加强，使其具有较为突出的变形能力以及扩展能力。从而使得整个的疲劳寿命得到有效的加强。但是当沥青的含量比较小的时候（如（b）），那么其空间结构便是通过水泥水化物直接搭建而成，而沥青则是作为填充物，这虽然使得其强度变强，但是疲劳寿命大幅度降低。

三、结束语

（1）所进行研究制作的CA砂浆处于零下20℃以及20℃的环境下，都能够表现较为突出的疲劳抗性。其疲劳寿命值以及应力水平（符号为S）都呈现出了较为优秀的线性相关性能，同时在较为准确的建立了零下20℃以及20℃环境温度下的CA砂浆实际疲劳方程式。

（2）对于所研制的CA砂浆而言，其本身的压强抵抗能力会因为环境温度的变化而发生较大的变化，在正温度区域中，其压强抵抗能力受到环境温度的影响相对较小，但是在负温度区间内，其压强抵抗能力受到环境温度的影响变大。

（3）在应力水平保持一致的情况下，所研制的CA砂浆常温环境中的疲劳寿命比负温条件下要高，但是如果保持在荷载力变化不大的情况下，其本身的粘弹特性使其在零下20℃的环境下仍然可以保持较为出色的耐疲劳特性。

参考文献：

[1] 王发洲，刘志超，胡曙光等.掺沥青乳液水泥体系的凝结时间对CA砂浆性能的影响[J].建筑材料学报，2008，11（2）：162-166.，235

[2] 谭忆秋，欧阳剑，王金凤等.高强型CA砂浆力学性能影响因素及力学机理研究[J].铁道学报，2012，34（7）：122-125.137

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