应变速率和应力水平对CA砂浆动态抗压性能的影响

徐 浩，王 平

（1.中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031；2.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（CA 砂浆）是由水泥、乳化沥青、细砂、水和铝粉等构成的一种有机－无机复合材料，填充于CRTSⅠ型板式无砟轨道系统的轨道板与混凝土底座板之间，起支承、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［1－5］.CA 砂浆层在列车行驶过程中处于动态加载过程，因此有必要研究CA 砂浆在应变速率下的力学性能变化规律.王发洲等［6－8］通过测试不同加载速率下CA 砂浆的抗压强度，认为CA 砂浆的抗压强度随加载速率增大而呈增大趋势，两者基本呈线性关系，且沥青含量越低，这种趋势越明显.谢友均等［9］通过增加加载速率工况，得出CA 砂浆的抗压强度、弹性模量、峰值应力处的应变均与加载速率成指数增大.刘永亮等［10］的研究表明CA 砂浆的动态模量随加载频率的增大而增大，在同一频率下CA砂浆的动态模量随乳化沥青与水泥质量比的增大而减小.谢冰［11］对CA 砂浆的疲劳剩余强度进行了研究，认为CA 砂浆的疲劳剩余强度随着疲劳荷载次数、稳态荷载值及荷载频率的增大而降低.

虽然对于CA砂浆的动态特性进行了不少研究，但是由于CA 砂浆承受列车荷载的重复加载，鲜有研究应力水平与应变速率共同作用对CA 砂浆的动态抗压特性影响的报道.肖诗云等［12－13］研究了应变速率与应力加载水平对混凝土动态受压特性和损伤特性的影响.本文借鉴其研究混凝土材料的方法，在电子万能试验机上对经历不同应力水平的CA 砂浆试件进行不同应变速率下的动态抗压试验，着重分析应变速率和应力水平对CA 砂浆的应力－应变全曲线、动态抗压强度、弹性模量和临界应变的影响规律.

1 试验

1.1 原材料

CA 砂浆干料由P·Ⅱ42.5R 硅酸盐水泥、细砂和其他添加剂等混合而成，其干料基本配合比1）文中涉及的配合比、固含量等除特别说明外均为质量比或质量分数.为m（水泥）∶m（细砂）∶m（膨胀剂）＝1.0∶2.0∶0.1，24h体积膨胀率为2.1%，7d线膨胀率为0.1%，1d抗压强度为6.89 MPa.乳化沥青的固含量为62.1%，恩氏黏度（25℃）为8.0，1.18mm 筛筛余为0%，1，5d 贮 存 稳 定 性（25℃）分 别 为0.3%，3.2%，水泥混合性为0.3%，针入度（25℃，100g）为7.85mm，在三氯乙烯中的溶解度为98%，5，15℃时的延度分别为26.5，61.2cm，以上性能均满足《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》.CA 砂浆的配合比为m（干料）∶m（乳化沥青）∶m（水）＝1 100∶515∶50.新拌CA 砂浆的J型漏斗流下时间为24s，分离度为0.2%.拌和水为自来水.

1.2 试件制备

按给定的CA 砂浆配合比，先将乳化沥青和水投入搅拌锅内慢速搅匀，并在慢速搅拌的条件下缓缓加入干料，干料加完之后快速搅拌3min，再慢速搅拌1min.然后按照《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》规定的方法测得新拌CA 砂浆的流动度为24s，表观密度为1 610kg／m3，含气量（体积分数）为8.2%.将新拌CA 砂浆注入尺寸为φ50×50mm 的塑料模具中，成型100个试件，并将其置于（23±2）℃、相对湿度为（65±5）%的环境中养护24h后拆模，然后在标准养护室中养护至28d后进行力学性能测试.

1.3 力学性能测试

本文选取0.03，0.30，3.00，30.00 mm／min的加载速率，参照文献［9］的试验方法，根据试件尺寸可得应变速率Δε为1×10－5～1×10－2s－1，取1×10－5s－1作为准静态应变速率（Δεs），对应的CA 砂浆抗压强度称为准静态抗压强度.设定应力水平λ分别为准静态抗压强度的0%，30%，60%和90%.首先以0.03mm／min的加载速率加载到设定的应力水平，循环3次后卸载至零，然后在相同的加载方向，以设定的应变速率直接加载至试件发生破坏，试验时保持环境温度为20℃.

在测试过程中发现，经历一定的荷载历史后，CA 砂浆试件的累积塑性变形均小于0.1mm，因此计算应变时不考虑试件累积塑性变形的影响.每组3个试件，试验数据取平均值，若试验结果离散性较大，则增加试件数量以保证试验数据的有效性.试件受压面与加载板之间采用滑石粉进行减摩处理.

2 CA砂浆动态抗压性能分析

2.1 CA 砂浆应力－应变全曲线

应力－应变全曲线是CA 砂浆受力特性的全面体现，图1为CA 砂浆应力－应变全曲线.从图1 可以看出，受压初始阶段CA 砂浆处于弹性阶段，随着应力进一步增加，应力－应变全曲线发生弯曲，CA 砂浆内部产生非线性变形.由图1还可以看出，在相同的应变速率下，随着应力水平的增大，CA 砂浆的动态抗压强度降低，而且临界应变也降低.

图1 CA 砂浆应力－应变全曲线Fig.1 Stress－strain full curves of CA mortars

2.2 CA 砂浆动态抗压强度

应变速率及应力水平对CA 砂浆动态抗压强度的影响如图2所示.

图2 CA 砂浆的动态抗压强度Fig.2 Dynamic compressive strength of CA mortar

从图2可以看出，在相同的应力水平下，CA 砂浆的动态抗压强度随应变速率比（Δε／Δεs）的对数呈幂函数增大，表达式如下：

式中：x＝lg（Δε／Δεs）；y 为CA 砂浆的动态抗压强度；a，b，c为材料参数，可通过拟合得到.经历不同荷载历史后CA 砂浆的动态抗压强度与应变速率比对数的拟合方程见图2.

在应力水平为0%，30%，60%和90%时，CA 砂浆的动态抗压强度与准静态抗压强度相比，在应变速率为1×10－4s－1时分别提高了22.65%，20.21%，25.21%和27.98%；应变速率为1×10－3s－1时分别提高了50.17%，50.73%，54.69%和56.01%；应变速率为1×10－2s－1时分别提高了95.69%，93.23%，101.64%和108.02%.一般认为CA 砂浆的动态抗压强度主要来源于水泥水化与沥青破乳胶结后沥青薄膜包裹水泥水化产物等无机组分所形成的三维网状结构［14］，而CA 砂浆的受力破坏主要是由细骨料与沥青胶凝材料界面的剥离所导致的［7］.随着应变速率的增加，剥离沿多个界面发展，同时沥青网络结构的横向惯性约束作用也将阻碍剥离的发展进程，从而导致CA 砂浆的动态抗压强度提高.

从图2还可以看出，在相同的应变速率情况下，CA 砂浆的动态抗压强度随着应力水平的增加而降低.在应变速率为1×10－5，1×10－4，1×10－3，1×10－2s－1时，CA 砂浆的动态抗压强度与λ＝0%时相比，在λ＝30% 时分别降低了0.75%，2.72%，0.38%和1.99%；在λ＝60%时分别降低了6.49%，4.54%，3.68%和3.65%；在λ＝90%时分别降低了12.03%，6.37%，6.78%和4.63%.这 是 由 于CA砂浆在不同的应力水平下，内部发生损伤，产生微小裂纹，导致内部微观结构发生变化［15］，随着应力水平的增大，CA 砂浆内部的损伤越来越严重，从而表现为CA 砂浆的动态抗压强度降低.

2.3 CA 砂浆弹性模量

对于CA 砂浆这种黏弹性材料，一般采用割线模量来表示其弹性模量.谢友均等［9］采用0～1／3抗压强度处的割线模量来表示其弹性模量，而孔祥明等［7］则采用应力－应变全曲线上0.3～0.5抗压强度处的割线模量来表示其弹性模量.为了定量地描述弹性模量随应变速率的变化情况，本文采用0～1／3抗压强度处的割线模量作为CA 砂浆的弹性模量（E）.通过对不同应变速率下应力－应变全曲线的分析，得到CA 砂浆的平均弹性模量如表1所示.

表1 CA砂浆的平均弹性模量Table 1 Average elastic modulus of CA mortars

从表1可以看出，在应力水平相同时，CA 砂浆的弹性模量随着应变速率的增加有增大的趋势.在应变速率为1×10－4，1×10－3，1×10－2s－1时，CA砂浆的弹性模量与准静态应变速率时的弹性模量相比，在λ＝0%时分别增大了17.70%，24.56%和46.68%；在λ ＝30% 时分别增大了15.82%，42.67%和111.44%；在λ＝60%时分别增大了－8.05%，46.16%和64.34%；在λ＝90%时分别增大了27.87%，11.45%和10.03%.这是由于CA 砂浆在破坏过程中损伤总是沿着耗能最快的路径发展，同时沥青三维网络结构的横向约束作用使CA砂浆抵抗变形的能力提高，导致CA 砂浆的弹性模量增大.

同时，从表1还可以看出，在应变速率相同的条件下，CA 砂浆的弹性模量随应力水平的增大呈增大趋势.当应变速率从1×10－5s－1增大到1×10－2s－1时，与λ＝0%时相比，CA 砂浆的弹性模量在λ＝90%时分别增大了44.66%，57.15%，29.43%和8.51%.这是由于CA 砂浆经过初始荷载的挤压作用而变得更加密实，因此其弹性模量增大.

2.4 CA 砂浆临界应变

定义临界应变为CA 砂浆在峰值应力处的应变，表2给出了CA 砂浆的平均临界应变εc.

表2 CA砂浆的平均临界应变Table 2 Average critical strains of CA mortars

从表2可以看出，在应力水平相同时，随着应变速率的增加，CA 砂浆的临界应变增大.在应变速率为1×10－4，1×10－3，1×10－2s－1时，CA 砂浆的临界应变与准静态应变速率时的临界应变相比，在λ＝0%时分别增大了12.64%，27.58%和37.10%；在λ＝30% 时分别增大了17.82%，17.51% 和17.95%；在λ ＝60% 时分别增大了23.36%，16.46%和33.41%；在λ＝90% 时分别增大了50.52%，66.75%和94.15%.材料的临界应变一般包括弹性应变和黏性应变［12］，对于CA 砂浆这种黏弹性材料，随着应变速率的增加，沥青的掺入使得CA 砂浆的黏性应变效应增加，从而导致CA 砂浆在峰值应力处的应变增加.

由表2还可以看出，在应变速率相同的情况下，CA 砂浆的临界应变随应力水平的增大呈减小的趋势.在应变速率为1×10－5，1×10－4，1×10－3，1×10－2s－1时，CA 砂浆的临界应变与λ＝0%时相比，在λ＝30%时分别减小了－8.46%，－13.45%，0.11%和6.70%；在λ＝60%时分别减小了8.23%，－0.50%，16.23%和10.70%；在λ＝90%时分别减小了54.04%，38.58%，39.93%和34.91%.应力水平对CA 砂浆临界应变的影响小于应变速率对临界应变的影响.应力水平对临界应变的影响是由CA砂浆内部微缺陷的发生发展引起的，而应变速率对临界应变的影响主要是由CA 砂浆内部黏性引起的，由此可知CA 砂浆内部黏性对临界应变的影响大于内部微缺陷对临界应变的影响.

综上，应力水平和应变速率对CA 砂浆的动态抗压性能影响显著.当应力水平较小时，仍将降低CA 砂浆的动态抗压强度，对应实际工程中CA 砂浆充填层承受的是荷载幅值较小的疲劳荷载作用.因此本文的试验结果可供板式无砟轨道CA 砂浆充填层疲劳寿命的分析作参考，但若需要准确预测CA砂浆充填层的疲劳寿命，需进行小幅值荷载下CA砂浆的疲劳试验.

3 结论

（1）CA 砂浆的动态抗压性能受应变速率和应力水平的影响显著.

（2）随着应变速率的增加，CA 砂浆的动态抗压强度提高.在相同的应变速率下，CA 砂浆的动态抗压强度随应力水平的增大而降低.

（3）CA 砂浆的弹性模量随应变速率和应力水平的增加而明显增大.

（4）CA 砂浆的临界应变随着应变速率的增加而增大，但随着应力水平的增加而减小，且应变速率对临界应变的影响大于应力水平对临界应变的影响.

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