铁路无砟轨道水泥乳化沥青砂浆吸振与隔振特性

曾晓辉，谢友均，邓德华，龙广成

（1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2.中铁二院工程集团有限公司，四川 成都 610031；3.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075）

水泥乳化沥青砂浆（cement and emulsified asphalt mortar，CA砂浆）是板式无砟轨道系统轨道板与底板之间的有机－无机复合材料，厚度为3060 mm，起支撑、调平、吸振和隔振等作用，是高速铁路系统的关键功能材料之一[1－4].目前，对于CA砂浆吸振与阻尼能力方面的表征尚无研究与报道，这一方面给砂浆充填层材料的优化带来了困难，另一方面也给基于轨道动力学的高速铁路板式无砟轨道结构设计带来了障碍.

振动加速度的振幅、频率、衰减和时程曲线等常用来评价结构与材料的吸振与隔振特性.王澜等[5]采用振动加速度的方法评价浮置板式轨道结构与普通碎石道床轨道结构的隔振性能.练松良等[6]采用振动加速度的方法评价不同轨道结构的稳定性.陶连金等[7]采用振动加速度的方法分析地铁运行所产生振动的衰减规律，用于建筑的防振与隔振设计.周海生等[8]采用振动加速度衰减的方法评价阻尼沥青路面的降噪特性.

本文用冲击激励的方法，通过测定冲击荷载作用下普通混凝土与CA砂浆试件及试件下部钢板振动加速度随时间的变化，研究CA砂浆的吸振与隔振特性.同时通过测定CA砂浆与普通混凝土的抗冲击破坏次数，对比研究CA砂浆的抗冲击特性.

1 试验及材料

采用德国集成测控公司（Integrated Measurement ＆Control，IMC）的加速度计测定CA砂浆受冲击时的振动加速度.仪器由振动加速度传感器（包括Channel 1，Channel 4，如图1所示）、振动加速度采集分析系统、控制与数据保存系统（电脑）组成.

图1 材料冲击振动加速度试验装置Fig.1 Vibration acceleration testing device of material

试验时将传感器与被测物用胶紧贴，其中Channel 1振动加速度传感器贴于受冲击的试件表面，而Channel 4振动加速度传感器贴于受冲击试件下部钢板表面，由电脑读取各传感器的数据并保存.分别以φ170×50mm圆柱体CA砂浆和C40混凝土试件作为冲击目标，冲击落锤的高度为457mm，落锤质量为4.5kg，钢球直径为60mm.

参考 ACI－544《measurement of properties of fiber reinforced concrete》推荐的冲压冲击试验方法，即用落锤冲击圆板试验来评价CA砂浆的冲击韧性.但鉴于ACI－544推荐方法中所用试件较大，较难破坏（1 000次以上），本文将试件的尺寸定为φ100×50mm.

以破坏或初裂时的冲击次数和冲击耗能作为评价砂浆冲击韧性的参数，冲击耗能按式（1）计算：

式中：W 为冲击耗能，J；Nc为破坏时冲击次数；h为冲击锤下落高度，取457mm；g为重力加速度，取9.81m／s2；m 为落锤质量，取4.5kg.

试验所用CA砂浆试件为施工现场获得，并加工至试验要求的尺寸.CA砂浆所用配合比为：m（干料）∶m（乳化沥青）∶m（水）＝ （900－1 150）∶（500650）∶（40100），砂浆强度为3.20 MPa，弹性模量为288MPa，其他各项性能指标均满足科技基[2008]74《客运专线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》的要求.

试验所用C30，C40与C50混凝土配比见表1.

表1 试验用混凝土配合比Table1 Mix proportion of concrete kg／m3

2 结果及讨论

2.1 水泥乳化沥青砂浆冲击后的振动加速度

CA砂浆和普通混凝土受冲击后试件表面（Channel 1）和下部钢板（Channel 4）的振动加速度如图2所示.

由图2（a），（b）可见，在受到落锤冲击后，混凝土试件和CA砂浆试件表面的振动加速度振幅均达到了78m／s2（0.70.8重力加速度）左右，这表明乳化沥青对CA砂浆表面的振动加速度振幅影响不大.此外，CA砂浆试件表面振动加速度在冲击后存在较为明显的3个衰减段，且在最后一个衰减段，试件表面的振动加速度迅速衰减为0；而对于混凝土试件，其表面振动加速度始终保持着较大幅度的波动，且在最后衰减阶段衰减较慢.此外，混凝土试件表面从受到冲击至振动加速度衰减至1m／s2用了0.096s，而CA砂浆试件表面只用了0.084s.相比于普通混凝土，CA砂浆有较为明显的减振作用.

由图2（c），（d）可见，CA砂浆下部钢板也呈现出振动加速度的阶段性与衰减性，其加速度衰减至0.1m／s2以下的时间较大程度短于混凝土试件下部的钢板.且在图2（d）中数据读取开始时，钢板振动加速度基本为0，CA砂浆对小振动的阻隔效果十分明显，而在图2（c）中，由于混凝土试件微小振动导致的钢板振动加速度即已达10m／s2以上，这表明相比于混凝土，CA砂浆充填层具有较好的隔振能力.

图2 试件不同冲击目标振动加速度随时间的变化Fig.2 Vibration acceleration curves of the steel board under different impacted object

3个衰减段与冲击钢球、CA砂浆试件、钢板间的作用有关，如图3所示，在钢球－CA砂浆－钢板间的作用中，CA砂浆可视为具有一定压缩量的物体，可吸收部分冲击能，实现冲击的缓冲作用，因此其振动加速度表现为明显的3个衰减阶段.而对于普通混凝土，由于其不可压缩性，在冲击作用下，振动加速度的阶段性不明显.

图3 钢球－CA砂浆－钢板的作用示意图Fig.3 Interaction among steel ball，CA mortar and steel board

2.2 CA砂浆的冲击韧性

使用过程中，CA砂浆充填层在列车的动荷载作用下将面临着各种冲击作用，且冲击往往与其他因素耦合，加速充填层的破坏，降低其耐久性，冲击韧性是CA砂浆的重要性能指标之一.文献[9－10]用球压法和强度恢复率评价CA砂浆的断裂韧性，尤其是低温下的断裂韧性，而文献[11]采用落锤法评价掺废橡胶颗粒混凝土的冲击韧性，本文参考ACI－544推荐的冲压冲击试验方法，即用落锤冲击圆形试件的方法来评价CA砂浆的冲击韧性，不过本文试件尺寸为φ100×50mm.

以C30，C50混凝土作为对比样，试验结果见表2，冲击后试件破损的照片如图4所示.

图4表明，CA砂浆在受到冲击后，表面可看到冲击痕，砂浆可通过自身形变吸收部分冲击能，而混凝土受到冲击后，表面没有明显冲击痕，且表现出明显的脆性断裂.水泥乳化沥青砂浆的抗冲击韧性远大于混凝土，尽管其强度仅为混凝土的1／20左右，但其冲击破坏耗能却是混凝土的几倍，这表明CA砂浆具有较好的抗冲击韧性.同时，使用φ100×50mm试件表明，小试件能较快破坏，一定程度上可用于加速试验.

表2 CA砂浆和普通混凝土试件冲击试验结果Table2 Impact results of CA mortar and concrete

图4 冲击破坏后的试件Fig.4 Samples after the impacted experiment

3 结论

（1）水泥乳化沥青砂浆在受到冲击后，其振动加速度存在较为明显的3个阶段，且迅速衰减，而普通混凝土阶段性并不明显，衰减速度也较大程度地低于CA砂浆，这表明CA砂浆具有一定的吸振能力.

（2）水泥乳化沥青砂浆在受到冲击后，其底部钢板的振动加速度也表现出明显的阶段性，而使用混凝土试件时阶段性不明显，且钢板振动加速度衰减速率低于使用CA砂浆试件，这表明CA砂浆具有一定的隔振能力.

（3）φ100×50mm试件的抗冲击试验结果表明水泥乳化沥青砂浆的抗冲击韧性远大于混凝土，尽管其强度仅为普通混凝土的1／20左右，但其冲击破坏耗能却是普通混凝土的几倍.

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