不同初始静态荷载下CA砂浆动态抗压特性试验研究①

徐浩，李悦，赵坪锐，曾晓辉，王平

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都610031)

水泥乳化沥青砂浆(cement and emulsified asphaltmortar，CA砂浆)是填充于CRTSⅠ型板式无砟轨道系统轨道板与混凝土底座板之间的有机－无机复合材料，厚度为30～60 mm，起支撑、调整、吸振和减振等作用，是板式无砟轨道系统的关键功能材料之一［1－7］。CA砂浆层在列车行驶过程中处于动态加载过程［8－9］，且列车运行速度的变化导致CA砂浆应变率的变化，因此列车动荷载是板式无砟轨道设计中考虑的一个重要因素。近几年对CA砂浆动力性能的研究中，取得了不少成果。王发洲等［10］通过测试CA砂浆的抗压强度在不同加载速率下的变化规律，研究表明:CA砂浆的抗压强度随加载速率的增大而增大，且两者之间大致呈线性关系;文献［11］也认为CA砂浆的抗压强度随加载速率的增加而增加;孔祥明等［12］针对2种典型的水泥乳化沥青砂浆进行不同加载速率下的抗压试验，试验表明:2种典型的水泥乳化沥青砂浆的峰值应力和弹性模量均随加载速率呈递增趋势，且加载速率对高mA/mC的CA砂浆影响更大;文献［13］认为CA砂浆的力学性能与加载速率有很大的联系，其抗压强度及弹性模量均随着加载速率增大呈幂指数增大。

以往的研究对CA砂浆动态力学性能的认识更深入，但大多数研究都在无初始静载条件下进行，而实际的水泥乳化沥青砂浆填充层是在承受一定的静态荷载的情况下再承受列车动荷载。因此需要研究初始静态荷载下CA砂浆的动态抗压特性，本文在WDW系列电子万能材料试验系统上对CA砂浆试件进行不同应变率和不同预加初始静态荷载下的单轴压缩试验，分析CA砂浆的应力－应变全曲线、抗压强度、弹性模量和临界应变受初始静态荷载的影响规律，这对复杂应力路径下板式无砟轨道进行准确分析具有重要意义。

1 试验过程

1.1 试验设备

本文的试验在WDW系列微机控制电子万能材料试验系统上进行，该系统在试验过程中全程采用计算机控制，伺服电机驱动，精密滚珠丝杠机械加载，传感器测量信号，经过信号转换成数字信号后由计算机采集。该设备的位移量测精度为1× 10－3mm，能满足试验的精度要求。

1.2 试件制备

试验采用圆柱体试件，试件尺寸直径为50 mm ×50 mm，CA砂浆的原材料及力学性能均满足《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。CA砂浆的原材料如下:水泥乳化沥青砂浆专用干料:24 h体积膨胀率为2.1%，7 d线膨胀率为0.1%，1d抗压强度为6.89 MPa;改性阳离子乳化沥青:固含量的质量分数为62.1%，黏度、针入度、延度等均满足要求;新拌CA砂浆性能:J型漏斗流下时间为24 s，分离度为0.2%;硬化CA砂浆性能:1 d抗压强度0.1 MPa，28 d抗压强度大于1.8 MPa，均符合要求，拌合用水为自来水。所有试件均在实验室进行标准养护28 d。

1.3 试验方案及过程

试验方案包括2种:(1)研究不同应变速率对CA砂浆单轴抗压性能的影响，综合考虑试验设备条件，取应变速率为1×10－5，1×10－4，1×10－3和1×10－2/s，取1×10－5/s作为准静态应变速率; (2)研究不同初始静态荷载对CA砂浆动态抗压性能的影响。设定初始预加静态荷载分别为CA砂浆准静态抗压强度的30%，60%和90%。实测得到的初始预加静态荷载分别为0.688，1.376和2.064 MPa。先以较低的应变速率R1(=1×10－5/ s)加载到预定的荷载值，然后再以较高的应变速率R2(=1×10－2/s)加载至破坏。

试件与加载板之间采用滑石粉进行减摩处理，试验过程分3个步骤完成:(1)试验时将试件安装在万能试验机的加载板之间，调整加载头靠近试件，但不施加作用力;(2)通过计算机控制，使加载头以设定的应变率施加到设定的预加荷载值(本文试验为50 N)，预加载完毕后开始正式加载;(3)正式加载。按照试验要求，采用计算机控制加载头加载，同时采集轴向位移和荷载值。试验完毕，取出试件。

2 试验结果及分析

2.1 强度特性

文中定义准静态应变速率(1×10－5/s)下CA砂浆的极限抗压强度为静态抗压强度，而其他高应变速率对应的极限抗压强度定义为CA砂浆的动态抗压强度，试验测得CA砂浆在单调荷载下的抗压强度见图1。从实测的强度值可以得出，单调加载下CA砂浆的抗压强度随应变速率的增加而提高，CA砂浆的抗压强度与应变速率对数呈指数关系。

图1 CA砂浆强度比与应变速率对数比的关系Fig.1 Relationship between strength ratio of CA mortar and log ratio of strain rates

采用如下方程来模拟其关系:

式中:ε为当前应变速率;εs为准静态应变速率，本文取1×10－5/s;fas为准静态应变速率R1单调加载至破坏的强度平均值;a，b为材料参数，通过拟合得到。

采用最小二乘法对试验数据进行拟合，得到:a =0.144，b=0.056，R2=0.999。

有初始静态荷载作用条件下的实测强度值以及以2种应变速率(R1和R2)单调加载的试验结果如表1所示。

表1 试验结果Table 1 Test results

通过分析数据可得，随着初始静态荷载的增加，CA砂浆的动态抗压强度有降低的趋势。当初始静态预加荷载较小时，降低幅度较小;随着初始预加静态荷载的增加，这种趋势越来越明显;预加静态荷载值接近静态的破坏强度时，动态强度下降显著。

为描述初始荷载值与CA砂浆动态极限抗压强度之间的关系，文中分别采用二次多项式、指数方程、对数方程等对试验数据进行拟合，对比发现如下的方程能更准确地反映这一变化规律:

式中:f为不同工况下CA砂浆的极限动态抗压强度;fad为在高应变速率R2(=1×10－2/s)下单调加载至破坏时的平均强度;fas为准静态应变速率R1(=1×10－5/s)单调加载至破坏的强度平均值;σ0为预加的初始静态荷载值;γ，β为与应变速率大小及材料性质相关的参数。

采用最小二乘法对试验数据进行拟合得:γ= 1.28，β=19.4;R2=0.999。如图2所示，拟合效果非常好。

图2 不同初始静态荷载与CA砂浆强度的关系Fig.2 Relationship between strength of CA mortar and different initial static load

这一现象说明，当CA砂浆有初始静态荷载作用时，CA砂浆的动态强度不仅与破坏时的荷载形式有关，还与静态荷载的作用历史有关。静态荷载作用时间越长，对CA砂浆产生的影响越明显，其动态强度也越低。CA砂浆速率敏感性的产生与CA砂浆内的乳化沥青的黏滞性、沥青网络结构的横向惯性约束作用以及CA砂浆破坏形式的改变有关。在准静态荷载作用下，随着荷载的增加，CA砂浆内部微裂纹不断发展，裂缝选择在该应变速率下最为薄弱的路径发展、贯通。在较高应变速率下，由于应变速率的改变，在现有状态裂缝的发展不再沿着原来应变速率下所选的薄弱路径发展继续发展，而是选择当前的最薄弱路径进行发展。应变速率越高，微裂缝通过试件内部较高强度区域的可能性越大。这是因为应变速率增大后，穿越较高强度区域的路径较短，所消耗的能量可能更少，另外由于CA砂浆是一种沥青网络结构，而这种沥青网络结构的横向惯性约束将阻碍裂纹的扩展速度，从而导致CA砂浆宏观强度的提高。

2.2 变形特性

无初始荷载条件下的CA砂浆的应力应变曲线见图3所示。从图3可见，不同应变速率下CA砂浆的应力应变曲线形状相似，但CA砂浆的峰值应力及峰值应力处的应变值均随应变速率的提高而增大。

图3 不同应变速率下CA砂浆的应力应变曲线Fig.3 Stress－strain curve of CAmortar in different strain rates

采用应力应变曲线上达到峰值应力1/3处的割线模量作为CA砂浆试件的弹性模量，即:

式中:E1/3为1/3峰值应力处的割线模量;σ1/3为1/3峰值应力处的应力;σ0为初始应力值;ε1/3为σ1/3所对应的应变值;ε0为初始应变值。不同应变速率下CA砂浆弹性模量见图4。

图4 不同应变速率下CA砂浆的弹性模量Fig.4 Elasticitymodulus of CAmortar in different strain rates

从图4可见，CA砂浆的弹性模量随应变速率的增大而显著增大，且与应变速率呈幂指数的关系，可用y=44.94+320.13x0.365表示，拟合优度R2=0.999;其中:y为不同应变速率下CA砂浆的弹性模量;x为应变速率。

当CA砂浆先承受一定的初始静态荷载时，其应力应变曲线与无初始静态荷载加载状态下的应力应变曲线形式有明显区别，不同预加静态荷载下CA砂浆的应力应变曲线见图5。图中，εp为不同应变速率下CA砂浆峰值应力处的应变;fas为准静态应变速率R1(=1×10－5/s)单调加载至破坏的强度平均值。

图5 典型应力应变曲线Fig.5 Typical stress－strain curve

由图5可见:在发生应变速率改变的位置，应力应变曲线的斜率发生变化。随着预加静态荷载增大，CA砂浆应力应变曲线上升段从应变速率改变位置开始呈直线上升，且预加静态荷载越大，该直线段越长，同时CA砂浆应力应变曲线下降段的应力降低越快。一旦有预加初始静态荷载，在施加动态荷载后，CA砂浆的切线弹性模量远大于相应的无初始静态荷载条件下的切线模量，因此在板式无砟轨道的动力计算中应该考虑初始静态荷载对CA砂浆动力特性的影响。预加初始静态荷载对CA砂浆峰值应力处的应变值的影响没有发现明显的规律。

3 结论

(1)CA砂浆具有明显的应变速率敏感性，随着应变速率的增加，CA砂浆的单轴抗压强度及弹性模量均呈指数增大，CA砂浆峰值应力处的应变值随应变速率的增加而增大，但变化幅度较小;

(2)预加初始静态荷载对CA砂浆的动态性能产生重要的影响。随着预加静态荷载的增加，CA砂浆的动态抗压强度趋于降低;

(3)在加载过程中，当应变速率发生改变时，CA砂浆的弹性模量相应发生变化，存在预加初始静态荷载时CA砂浆弹性模量的变化规律应该引起足够重视。

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