干湿循环对CA砂浆力学性能影响的试验研究

尹晓文，傅 强，董传卓，赵长勇，杨 建，高 源

（1．青岛理工大学（临沂）土建工程系，山东临沂 273400；2．中南大学土木工程学院，长沙 410075）

干湿循环对CA砂浆力学性能影响的试验研究

尹晓文1，傅 强2，董传卓1，赵长勇1，杨 建1，高 源1

（1．青岛理工大学（临沂）土建工程系，山东临沂 273400；2．中南大学土木工程学院，长沙 410075）

采用CSS8810－100KN电子万能试验机对不同干湿循环等级的CA砂浆试件进行了单轴压缩试验，获得了相关力学性能指标随干湿循环等级的变化规律。结果表明：CA砂浆具有较强的韧性，其应力－应变曲线分为初始压密、弹性变形、塑性变形和应变软化4个阶段；峰值应力、弹性模量、破坏能随干湿循环等级的增加，先增大后减小，割线模量随轴向应变的增加先增大后减小，其主要影响因素为初期干湿循环使CA砂浆中未水化水泥进一步水化，砂浆结构更加密实，后期干湿循环导致微缺陷的产生和扩展；塑性功整体随循环等级的增加逐渐减小，干湿循环损害了CA砂浆的减振性能。通过数据变换得到了CA砂浆各力学性能指标与自变量之间的函数关系，为研究成果在实际工程中的应用提供了便利。

CA砂浆；干湿循环；应力－应变；力学性能指标；函数关系

1 研究背景

板式无砟轨道是高速铁路广泛采用的一种轨道结构形式。水泥乳化沥青砂浆，作为板式无砟轨道几何状态调整、弹性减震的充填层材料，随着高速铁路的快速建设得到了广泛应用［1－2］。水泥乳化沥青砂浆（cement and asphalt mortar，简称CA砂浆或CAM）是由水泥、乳化沥青、砂、水和多种外加剂经水泥水化硬化和乳化沥青破乳胶结形成的一种有机无机复合材料，分Ⅰ型CA砂浆和Ⅱ型CA砂浆。Ⅰ型砂浆的水泥和沥青用量相当，水泥在沥青构筑的环境中水化，沥青乳液在水泥的碱性环境中破乳凝结。一般认为，Ⅰ型砂浆的早期强度来源于沥青乳液破乳凝结形成的网络结构，而水泥和砂作为其填充骨料，后期强度来源于水泥继续水化，产物间搭接形成的无机网络结构。Ⅱ型砂浆以无机材料为主，其显微结构的形成起始于水泥水化，水泥水化产物相互搭接形成刚性骨架，乳化沥青破乳释放水分使水泥进一步水化，生成更多水化产物而使结构密实［3－4］。

日本是世界上对CA砂浆研究最早的国家，从上世纪60年代开始，日本结合新干线建设需求和自身环境特点对CA砂浆的工作性能、常规力学性能、施工工艺、耐久性和耐候性等进行了研究，并提出了相关技术指标［5－7］。CA砂浆在我国已有近10年的使用历史，相关的理论研究也渐趋成熟。国内相关专家根据CA砂浆在实际工程中的应用情况，对CA砂浆的物理化学性能进行了大量研究，如吸水性、流变性、膨胀性、抗冻性等，通过进行不同配比的对比试验，探明各组分对CA砂浆物理性能的影响程度，确定理想的CA砂浆配合比［8－10］；根据CA砂浆在高纬度地区使用时出现的冻融破坏，胡曙光、胡华锋等［11－12］通过掺加外加剂，利用冻融试验研究了CA砂浆的冻融破坏机理，提出了改进CA砂浆抗冻性的技术措施。

作为板式无砟轨道缓冲、减震的结构材料，CA砂浆的力学性能必然对板式无砟轨道的安全性、耐久性起重要作用。在实际工程中，CA砂浆除了承受上部轨道板的恒定压力外，列车间断性通过对CA砂浆产生的动载也是CA砂浆力学研究中必须考虑的重要因素。王发洲，曾晓辉等［13－15］通过试验研究了CA砂浆的抗压强度和疲劳特性，并建立了CA砂浆力学性能与应变率效应的定量关系。

国内外关于CA砂浆力学性能的研究缺乏对干湿循环因素的探讨，而CA砂浆长期暴露于自然环境条件下，风雨日晒的循环作用必然对其力学性能造成一定损失。本文作者采用自制CA砂浆试件，基于干湿循环试验，研究了CA砂浆抗压强度的劣化特征，分析了各种力学指标随干湿循环等级的变化规律，并建立了力学指标与循环等级的关系式。

2 试验方法

2．1 干湿循环试验

干粉料为湖南盛林建材科技有限公司生产的水泥乳化沥青干粉料，细骨料最大粒径＜1．18 mm，24 h体积膨胀率为1．45%，1 d抗压强度为6．75 MPa；SBS改性阳离子乳化沥青，固含量为62．1%；水为自来水。乳化沥青∶干料∶水∶消泡剂＝480∶1 100∶75∶1。经测试，各种性能指标均满足《客运专线铁路CRTS I型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》。

采用自制PVC管内套硬质塑料膜成型CA砂浆试件，试件尺寸为ø50 mm×70 mm，浇注好的CA砂浆试件在标准养护室中养护24h后拆模，用切割机切割成ø50 mm×50 mm的试件，在标准养护室中养护28 d后，将CA砂浆试件放入水槽中，进行吸湿2 d、自然风干2 d的干湿循环试验，分别测试循环次数m＝0，10，20，40，60，80，100的CA砂浆试件力学性能。CA砂浆试件如图1所示。

图1 CA砂浆试件Fig．1 CA mortar specimens

2．2 力学性能试验

采用CSS8810－100KN电子万能试验机对不同循环等级的CA砂浆试件进行单轴抗压强度试验，如图2所示。采用控制应变方式加载，加载速率为1 mm／min，初始加载阶段平均每隔0．4 s采集一次应力和应变，峰值应力后平均每隔0．8 s采集一次应力和应变。每组测试3个试件，以试件力学指标的平均值作为最终试验结果。正式加载前，为防止上下压盘的滑动对试验结果造成偏差，在试件上下面分别垫一层手帕纸，并以0．05 MPa的压力预压3次，使试件与加载部件接触良好。

图2 CSS8810－100KN电子万能试验机Fig．2 Electronic universal testingmachine CSS8810－100KN

3 试验结果及分析

3．1 应力－应变关系

CA砂浆的应力－应变曲线如图3所示。由图3可以看出，CA砂浆的应力－应变曲线具有初始压密、弹性变形、塑性变形和应变软化4个阶段，初始压密阶段随循环等级的增加而越发明显，这与干湿循环导致CA砂浆内部微缺陷的形成密切相关。当应力达到极限应力的85%～90%时，CA砂浆进入塑性变形阶段。

图3 不同循环等级CA砂浆的应力－应变曲线Fig．3 Stress-strain curves of CA mortar under different cycle levels

CA砂浆是一种典型的黏弹性材料，其应力－应变曲线与沥青混合料等黏弹性材料具有一定的相似性，与普通水泥砂浆具有较大差别。在峰值应力后，CA砂浆强度降低缓慢，应变达到9%时结构并没有完全破坏，仍具有75%左右的承载能力，表现出较强的韧性和应力硬化性能，这与CA砂浆的空间网络结构密切相关。对于水泥与沥青用量相当的Ⅰ型CA砂浆，空间结构以乳化沥青破乳凝结形成的网络结构为主，水泥水化的无机产物对网络结构进行填充，其最终强度主要由水泥水化产物提供，但在单轴压力作用下，CA砂浆处于纵向受压、横向受拉的应力状态，峰值应力后，沥青网络结构并未完全受到破坏，其对横向拉力的发展具有强烈的约束作用，并且随着轴向应变的持续增加，CA砂浆与上下压盘的接触面积也逐渐增大，这2种情况致使CA砂浆在峰值应力后仍具有较高的残余强度，表现出良好的韧性和延展性。

CA砂浆的应力－应变曲线可以用式（1）进行拟合，拟合结果如表1所示。

表1 应力－应变关系拟合结果Table 1 Fitting results of stress-strain relation

3．2 峰值应力与循环等级的关系

由图4可知，峰值应力在前20次干湿循环内随循环等级逐渐增加，而后呈降低趋势，前20次干湿循环内峰值应力增加了6．75%。分析认为，标准养护28 d后，CA砂浆中存在未水化的水泥，在吸湿过程中，吸入水分不断与未水化水泥进行反应，生成更多水化产物，使CA砂浆变得更加密实，并且随着水化产物的增多，部分针状或絮状生成物与沥青膜相互渗透交织在一起，网络结构强度也随之增大。为了验证分析的正确性，忽略短期循环过程中CA砂浆的质量损失，对前20次干湿循环过程中CA砂浆的吸、失水率进行测量，结果如图5所示。前10次干湿循环的平均吸水率为1．208%，而失水率为1．083%，前20次干湿循环内的平均吸水率为1．17%，而失水率却只有1．015%，表明初期干湿循环内水泥水化反应在不断进行。

图4 峰值应力与循环等级的关系Fig．4 Relation between peak stress and cycle level

图5 含水率与循环等级的关系Fig．5 Relation between moisture and cycle level

随着干湿循环的持续进行，干缩与湿胀变形产生的应力将会对CA砂浆自身的强度产生损害，并在沥青网络结构与水泥水化产物、网络结构与细砂之间的软弱界面形成应力集中区，导致微孔隙和微裂缝的形成，且随干湿循环的不断进行，CA砂浆的内部损害程度逐渐增大，导致抗压强度逐渐降低。当微缺陷扩展到一定程度后，干缩与湿胀变形得到一定的发展空间，在CA砂浆内部产生的应力会减小，微缺陷进一步扩展的程度便会降低，宏观表现为CA砂浆抗压强度减小的速率趋于稳定。

由图4可以看出，峰值应力与循环等级的关系很难进行数学定义。为了建立两者之间的数学关系，本文以σp0表示循环等级为0的CA砂浆峰值应力，m表示循环等级，通过数据变换得到σp／（m σp0）与m的关系，如图6所示，并可用公式（2）进行表达。

图6 σp／（m·σp0）与循环等级的关系Fig．6 Relation between σp／（m·σp0）and m

σp／（mσp0）与m数学关系式为

式中：a2＝0．009 5；b2＝0．181 5；c2为峰值应力的干湿循环敏感因子，c2＝1／14．751 7，复相关系数R2＝0．995 6。

3．3 弹性模量与循环等级的关系

弹性模量反映材料的变形恢复能力，弹性模量越高，材料的抗变形能力越强。以30%～50%峰值应力之间直线的斜率作为CA砂浆的弹性模量，其随循环等级的变化规律如图7所示。

CA砂浆弹性模量随循环等级的变化规律与峰值应力相似，在前20次干湿循环内，增加了10．39%，之后随循环等级的增加，弹性模量逐渐减小，最后趋于稳定。通过相关的理论研究［16］，对于水泥沥青胶凝材料，A／C（沥青／水泥）越小，其弹性模量越大，因此在前20次干湿循环内，随循环的进行，水泥水化产物不断增多，CA砂浆弹性模量相应增大，CA砂浆的抗变形能力增强；随干湿循环的持续进行，CA砂浆内部结构逐渐遭到损害，抗变形能力减弱，弹性模量随之减小，与峰值应力变化的原因类似，弹性模量的衰减速率逐渐减慢。

图7 弹性模量与循环等级的关系Fig．7 Relation between lastic modulus and cycle level

为了建立有效描述弹性模量随干湿循环等级变化的数学关系表达式，对弹性模量进行与峰值应力相似的数学变换，结果如图8所示，数学表达式为式（3）。

图8 E／（m·E0）与循环等级的关系Fig．8 Relation between E／（m·E0）and m

E／（m·E0）与m的数学关系式为：

其中：E0为循环等级为0次时的弹性模量；a3＝0．008 7；b3＝0．202 3；c3为弹性模量的干湿循环敏感因子，c3＝1／14．131 5，复相关系数R2＝0．996 4。

3．4 割线模量与轴向应变的关系

定义割线模量Es为应力－应变曲线上各点与原点连线的斜率，其随轴向应变的变化规律如图9所示。在相等应变条件下，割线模量越大，CA砂浆抗压强度越高；割线模量峰值后的下降速率代表了CA砂浆的脆性程度，下降速率越快，CA砂浆脆性越大，相反，韧性越强。由图9可以看出，当应变相同时，在峰值割线模量之前，前20次干湿循环内，割线模量随干湿循环的进行而增加，之后逐渐降低；峰值割线模量之后，峰值割线模量越高，下降速率越明显，说明水泥水化产物的增多增强了CA砂浆的脆性。

为了有效表达割线模量与轴向应变的关系，以Es／ε作为函数，ε作为自变量，两者之间的关系如图10所示，关系式为式（4）。

图9 不同循环等级割线模量与轴向应变的关系Fig．9 Relation between secantmodulus and axial strain of specimens under different cycle levels

图10 不同龄期Es／ε与ε的关系Fig．10 Relation between Es／εandεof specimens of different ages

式中：c4为割线模量的轴向应变敏感因子。a4，b4，c4的拟合值如表2所示。

表2 a4，b4，c4的拟合值Table 2 Fitting results of a4，b4，c4

3．5 破坏能、塑性功与循环等级的关系

应力－应变曲线包围的面积表征材料在受力过程中外力对其所做的功。定义CA砂浆峰值应力前的应力－应变曲线包围的面积为CA砂浆的破坏能P，P代表CA砂浆破坏时所吸收的能量；峰值应力后应力－应变曲线包围的面积为CA砂浆的塑性功Q，Q代表CA砂浆破坏后的能量吸收能力，表征CA砂浆的阻尼特性。两者与循环等级的关系如图11、图12所示。

图11 破坏能与循环等级的关系Fig．11 Relation between damage power and cycle level

图12 塑性功与循环等级的关系Fig．12 Relation between p lastic work and cycle level

式中：P0为循环等级是0次时的破坏能；a5＝0．008 4；b5＝0．185 2；c5为破坏能的干湿循环敏感因子，c5＝1／15．453 9，复相关系数R2＝0．998 4。

破坏能在前20次干湿循环内逐渐增加，之后迅速减小，减小速率渐趋稳定。前20次干湿循环中，水泥水化产物的增加提高了CA砂浆的强度，破坏时外力所做的功增加，随着干湿循环不断进行，内部结构的损伤致使CA砂浆在较小的外力功下便发生破坏。塑性功的变化规律不明显，整体呈下降趋势，表明干湿循环的发生降低了CA砂浆的阻尼特性，在实际工程中，不利于CA砂浆减振性作用的发挥，容易造成噪音污染。

通过数据变换可以建立破坏能、塑性功与循环等级的数学关系式，如图13、图14所示，数学关系如式（5）、式（6）所示，相应的数学关系式为

式中：Q0为循环等级是0次时的塑性功；a6＝0．010 2；b6＝0．175 9；c6为塑性功的干湿循环敏感因子，c6＝1／14．187 1，复相关系数R2＝0．991 8。

图13 P／（m·P0）与循环等级的关系Fig．13 Relation between P／（m·P0）and m

图14 Q／（m·Q0）与循环等级的关系Fig．14 Relation between Q／（m·Q0）and m

4 结 论

通过单轴压缩试验获得了CA砂浆在不同干湿循环等级下的应力－应变关系，并分析了相关力学性能指标的变化特征：

（1）CA砂浆的应力－应变曲线具有初始压密、弹性变形、塑性变形和应变软化4个阶段，随干湿循环等级的增加，初始压密阶段越发明显；峰值应力后，CA砂浆表现出极强的应力硬化特征，韧性非常明显。

（2）峰值应力在前20次干湿循环内逐渐增加，之后随干湿循环的进行逐渐降低。

（3）弹性模量随干湿循环先增大后减小；割线模量随轴向应变先增加后减小，但割线模量变化速率随干湿循环逐渐减小。

（4）破坏能随干湿循环先增加后减小，CA砂浆破坏前吸收能量先增加后减小；塑性功随干湿循环逐渐降低，CA砂浆的减振性能降低，易造成噪音污染。

CA砂浆的服役环境决定了其任何一种物理力学性能都不是受某单一因素影响，因此，综合考虑干湿循环、时间温度敏感性等因素的耦合作用将是未来CA砂浆理论研究主方向，是笔者下一步工作的目标。

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（编辑：刘运飞）

Influence of Drying and Wetting Cycles on the Mechanical Properties of CA Mortar

YIN Xiao-wen1，FU Qiang2，DONG Chuan-zhuo1，ZHAO Chang-yong1，YANG Jian1，GAO Yuan1
（1．Department of Civil Engineering，Qingdao Technological University，Linyi 273400，China；2．School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China）

Uniaxial compression test on CA（cement-asphalt）mortar specimens in different drying and wetting cycle levels is carried out by using CSS8810-100KN electronic universal testing machine．The variation ofmechanical property indicators against drying and wetting cycle level is obtained．Results show that CAmortar has strong toughness，and it’s stress-strain curve is divided into four phases：initial compaction，elastic deformation，plastic deformation and strain softening．Peak stress，elasticmodulus and damage power first increase and then decreasewith the increase of drying and wetting cycle level．Secantmodulus first increases and then decreaseswith the increase of axial strain，because the early drying and wetting cycles further hydrate the unhydrated cement in CA mortar and densify the structure of CA mortar，and the late drying and wetting cycles give rise to the emergence and expansion ofmicro-defects in CA mortar．Plastic work gradually decreases with the increase of cycle level，and the cycles damage the vibration damping performance of CA mortar．Through data transformation，the functional relationship between themechanical properties of CAmortar and the independent variables is obtained，which facilitates the application of research results to practical engineering．

CA mortar；drying and wetting cycle；stress-strain；mechanical property indicators；functional relationship

TU525．9

A

1001－5485（2013）11－0091－06

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．11．018

2013－03－12；

2013－04－21

尹晓文（1985－），男，山东临沂人，硕士，主要从事岩土工程方面的研究工作，（电话）18206398205（电子信箱）407064707＠qq．com。