长期荷载作用下水泥乳化沥青砂浆的徐变特性

2020-05-19曾晓辉谢友均龙广成

建筑材料学报 2020年2期

宋昊，曾晓辉，谢友均，龙广成，傅强

(1.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075； 2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055)

水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)是板式无砟轨道的关键工程材料，起支撑、调平、传递荷载、协调变形以及阻断裂纹等重要作用，对高速列车的安全、稳定、舒适运营有严重影响．基于中国轨道结构的特点，中国研制了适应中国铁路轨道结构系统(CRTS)的Ⅰ、Ⅱ型CA砂浆．现场调研结果表明，部分早期的CA砂浆充填层在运营后出现脱空、离缝、积水、翻浆、开裂和碎裂等劣化现象，这一方面与温变、路基沉降等导致的轨道结构变形有关，另一方面也与充填层材料自身在服役环境下耐久性不足有关，而长期荷载作用下的不可恢复变形是其中关键因素之一[1-3]．因此，研究CA砂浆的徐变及其机理有十分重要的意义．

作为一种有机-无机复合材料，CA砂浆的徐变影响因素较多，机理复杂．Xie等[4]研究了加载时间为100d左右的CA砂浆徐变，发现CA砂浆的徐变表现出阶段性，Ⅰ型CA砂浆的徐变高于Ⅱ型CA砂浆，并基于热力学理论建立了CA砂浆徐变方程，推导出CA砂浆长期荷载限值为其极限抗压强度的40%．彭涛等[5]研究了CA砂浆在不同围压条件下短时间内的徐变，并基于徐变类型构建了CA砂浆的徐变模型，研究表明CA砂浆徐变大小随沥青(A)与水泥(C)质量比的增加而增大，较大沥灰比(mA/mC)的CA砂浆适合于对数型徐变模型，而在较小围压下，幂函数型模型拟合精度更高．周锡玲等[6]发现长期、反复的温湿度变化将导致CA砂浆产生不可恢复变形．由于材料徐变是一个长期过程，而目前尚无加载时间为3a以上CA砂浆徐变特性的报导，因此研究其长期荷载作用下的徐变十分必要．

本文测试了Ⅰ、Ⅱ型CA砂浆在加载时间为3a时的徐变，分析了应力水平对其徐变的影响，并结合扫描电子显微镜和孔隙结构等试验结果，探讨了其徐变机理．

1 试验

1.1 原材料

采用安徽中铁工程材料科技有限公司提供的Ⅰ、Ⅱ型CA砂浆专用干粉料，由水泥、细砂及其他外加剂组成，其中的水泥含量1)分别为33%、36%.2类CA砂浆的24h体积膨胀率分别为2.10%、1.25%，1d抗压强度分别为6.89、13.15MPa．

1)文中涉及的含量、比值等除特别说明外均为质量分数或质量比.

型CA砂浆采用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性阳离子乳化沥青，Ⅱ型CA砂浆采用阴离子乳化沥青.2类CA砂浆的沥灰比分别为0.85、0.30；水灰比分别为0.78、0.50；消泡剂掺量约为0.05g/L.其物理性能见表1；主要性能见表2．

表1 乳化沥青的物理性能

表2 CA砂浆的主要性能

Ⅰ、Ⅱ型CA砂浆的配合比与主要性能如表2所示．新拌CA砂浆的各项性能分别满足《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》[7]和《客运专线铁路CRTS Ⅱ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》[8]的规定．

1.2 试验方法

将乳化沥青和水倒入搅拌锅中慢搅1min，在前30s内，加入适量(约0.05g/L)消泡剂以消除搅拌过程中产生的较大气泡；在后30s内，将干粉料缓慢加入搅拌锅中．投料结束后，快速搅拌砂浆2min，最后再慢速搅拌约30s，以消除大气泡．搅拌结束后，测试CA砂浆流动度、含气量和表观密度．测试完成后，将砂浆灌入φ100×150mm试模，1d 后拆模，并将试件放入 (23±2)℃，相对湿度(65±5)%的环境箱中进行养护．

在1mm/min的加载速度下测试CA砂浆的 56d 抗压强度，得出Ⅰ、Ⅱ型CA砂浆的抗压强度分别为1.99、 5.26MPa．徐变测试装置如图1所示.分别采用抗压强度的10%、20%、30%、40%、50%作为设计荷载进行CA砂浆徐变试验，即应力水平为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5.徐变测试装置通过千斤顶施加纵向荷载，通过底部可压缩弹簧稳定荷载，采用测力环读取荷载值，当荷载达到设定的徐变荷载时，通过调整螺母以保持荷载在±2%范围内.徐变变形通过千分表读取，千分表插头预先埋入试件中．每组测试3个试件，结果取平均值，同时测试CA砂浆同条件收缩变形，以补偿实际徐变值．

图1 CA砂浆徐变测试装置Fig.1 Creep experiment of CA mortar

当达到设计荷载时，立即读取CA砂浆变形值作为瞬时变形．在开始1h内，每隔20min采集1次数据，之后每隔1h采集1次数据，12h后每隔6h采集1次数据，7d后每隔12h采集1次数据，当变形速率较稳定时，每隔24或48h采集1次数据．加载至 960d 左右进行卸载，卸载完后，立即读取CA砂浆瞬时变形恢复值，并每隔2h采集1次数据，在变形较稳定时每隔24h采集1次数据，最后对卸载后的CA砂浆试件进行力学性能测试、压汞测试和扫描电子显微镜(SEM)分析．本文采用文献[9]中的C40普通混凝土进行对比分析.

2 结果与讨论

2.1 CA砂浆的徐变分析

不同应力水平下Ⅰ、Ⅱ型CA砂浆的徐变曲线如图2所示．由图2可见：CA砂浆的徐变以及徐变速度均远大于普通混凝土，应力水平越高时越明显；当应力水平为0.3时，Ⅰ型CA砂浆的10d徐变为1400μm/m，Ⅱ型CA砂浆的10d徐变为 1000μm/m，而普通混凝土徐变为700μm/m；但当应力水平达到0.5时，Ⅰ型CA砂浆的10d徐变为5000μm/m，Ⅱ型CA砂浆在10d时就已经破坏，而普通混凝土的10d徐变仅为1300μm/m，即CA砂浆早期徐变速度为普通混凝土的3～4倍．图2 中CA砂浆徐变大体可分为3个阶段：早期快速增长阶段、中期稳定增长阶段、后期缓慢增长阶段．早期Ⅰ、Ⅱ型CA砂浆的徐变均迅速增加， 10d 徐变达到3a徐变的近50%；中期Ⅰ、Ⅱ型CA砂浆的徐变也稳定增长，300d徐变达到3a徐变的近90%；而后期Ⅰ、Ⅱ型CA砂浆的徐变增加较小．在较低应力水平下，CA砂浆的徐变在300d左右基本不再增长，而应力水平较高时，CA砂浆徐变在后期仍有增加，这在Ⅰ型CA砂浆上尤为明显．相对于徐变变形，徐变恢复进入稳定的时间要短很多，在28d左右就基本保持不变．

图2 CA砂浆的徐变曲线Fig.2 Creep curves of CA mortar

CA砂浆徐变与应力水平的关系如图3所示，不同应力水平下CA砂浆的徐变及徐变恢复如表3、4所示.由图3可见：CA砂浆的总徐变随应力水平呈指数函数关系增长，且对于Ⅱ型CA砂浆，当应力水平为0.5时，在持续荷载作用下短期内即发生开裂与失效，Ⅱ型CA砂浆的长期承载力仅为其抗压强度的40%左右．由表3、4可见：应力水平越高，CA砂浆各个阶段的徐变越大，不可逆徐变占比越高，徐变恢复与徐变的比值越低，这反映出由徐变导致的内部伤损增多；在应力水平较低时，Ⅰ、Ⅱ型CA砂浆的加载瞬时应变和瞬时应变恢复比较接近，随着应力水平的增大，Ⅰ型CA砂浆的加载瞬时应变比Ⅱ型增加的幅度更大；同时，Ⅰ型CA砂浆的加载瞬时应变和瞬时应变恢复的差值越来越大，Ⅱ型CA砂浆相对较小；当应力水平为0.3时，Ⅰ型CA砂浆的加载瞬时应变为506μm/m，Ⅱ型CA砂浆为 496μm/m，更接近于普通混凝土的488μm/m，Ⅰ型CA砂浆的瞬时应变恢复为450μm/m，Ⅱ型CA砂浆为 464μm/m，与普通混凝土的460μm/m差不多．

图3 CA砂浆徐变与应力水平的关系Fig.3 Relationship between creep of CA mortar and stress level

由表3、4还可知：与Ⅰ型CA砂浆相比，Ⅱ型CA砂浆的徐变变形值和不可逆徐变都略小，但其徐变对应力水平更为敏感，徐变随应力水平增加的幅度更大.当应力水平由0.1提高至0.4时，Ⅱ型CA砂浆的徐变增加了9.5倍，Ⅰ型CA砂浆徐变增加了5.8倍，而普通混凝土只增加了3倍左右[10]，且应力水平在0.4以下时，其徐变和应力比呈线性关系．当应力水平为0.5时，Ⅱ型CA砂浆出现了徐变破坏，这表明其所能承受的长期荷载仅为0.4倍极限应力，远小于普通混凝土的0.75[11]．Ⅰ、Ⅱ型CA砂浆的徐变恢复分别是其徐变的3%～10%、6%～14%，而普通混凝土的徐变恢复是徐变的 5%～ 15%[12]，甚至可能达到15%～50%[13]．CA砂浆中沥青的主要组分为芳香分，提供了很好的塑性，使沥青在荷载作用下产生的变形大部分不能恢复[14]，因此CA砂浆的可恢复徐变的较小，沥青含量较多的Ⅰ型CA砂浆的可恢复徐变最少，且应力水平越大，沥青的塑性变形越大，CA砂浆的可恢复变形越少．

表3 Ⅰ型CA砂浆的徐变及徐变恢复

表4 Ⅱ型CA砂浆的徐变及徐变恢复

2.2 CA砂浆徐变度分析

徐变度是单位应力作用下的徐变变形，可表征材料的变形能力[15]．不同应力水平下Ⅰ、Ⅱ型CA砂浆的徐变以及徐变恢复的徐变度曲线如图4、5所示．

由图4可见：在徐变阶段，应力水平为0.3时，Ⅰ、Ⅱ型CA砂浆在120d的徐变度分别为3800、 200μm/(m·MPa)，而普通混凝土徐变度仅为 64μm/(m·MPa)，只有Ⅰ型CA砂浆的1/59.由图5 可见：在徐变恢复阶段，应力水平为0.3时，Ⅰ、Ⅱ型CA砂浆的徐变度分别为350、55μm/ (m·MPa)，而普通混凝土徐变度为5μm/(m·MPa)，仅为Ⅰ型CA砂浆的1/70．CA砂浆徐变变形阶段及恢复阶段的徐变度均远大于普通混凝土的徐变度，说明CA砂浆的变形能力远强于普通混凝土，尤以Ⅰ型CA砂浆更为明显．

图4 CA砂浆徐变的徐变度曲线Fig.4 Creep degree curves of creep of CA mortar

图5 CA砂浆徐变恢复的徐变度曲线Fig.5 Creep degree curves of creep recovery of CA mortar

在徐变阶段，应力水平越大，CA砂浆的徐变度越大，而普通混凝土的徐变度先减小后增大.当应力水平从0.1到0.4时，Ⅰ型CA砂浆的徐变度增加了0.4倍，Ⅱ型CA砂浆增加了1.4倍，其徐变度随应力水平增加的幅度更大，这与3.1节中徐变随应力水平增加的趋势一致．在徐变恢复阶段，随着应力水平的增大，CA砂浆和普通混凝土的徐变度都是先减小后增大，Ⅰ型CA砂浆转折点的应力水平为0.3，而Ⅱ型CA砂浆为0.2．

2.3 CA砂浆徐变后的力学性能

图6为CA砂浆徐变3a后的抗压应力-应变曲线．由图6可见：在不同应力水平的长期荷载作用下，Ⅰ、Ⅱ型CA砂浆的应力-应变曲线均有较大变化，且以Ⅱ型CA砂浆尤为明显；当应力水平从0增大到0.4时，Ⅰ型CA砂浆抗压强度从2.57MPa增至 2.91MPa，提高了13%，Ⅱ型CA砂浆则由 15.20MPa 增至20.37MPa，提高了34%；应力水平越高，Ⅱ型CA砂浆峰值应力前的非线性变形阶段越小，峰值应力后曲线的下降速度越快，脆性破坏越明显；Ⅰ型和Ⅱ型CA砂浆的应力-应变曲线在峰值应力后存在显著差别，Ⅰ型CA砂浆的变形能力强于Ⅱ型CA砂浆，且随着应力水平的增加，仍能保持良好的延性，这可能与Ⅰ型CA砂浆采用SBS对沥青进行改性有关．

Ⅰ、Ⅱ型CA砂浆的力学性能随应力水平的变化趋势如图7所示．由图7可见：对于Ⅰ型CA砂浆，当应力水平从0.1增大到0.4时，其弹性模量(1/3割线模量)与峰值应变基本不变；而对于Ⅱ型CA砂浆，徐变后的抗压强度与弹性模量均明显增加，但峰值应变却明显减小，这表明其变形能力在徐变后明显退化．

图6 徐变3a后CA砂浆的应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of CA mortar after 3 years of creep

图7 徐变对CA砂浆力学性能的影响Fig.7 Effect of creep on mechanical properties of CA mortar

3 CA砂浆徐变后的微细观结构

图8为Ⅰ、Ⅱ型CA砂浆的SEM照片．由图8 可见，CA砂浆中存在水泥水化产物凝胶和沥青膜2种胶结相，这2种胶结相形成相互交织的空间网络结构并将砂子骨料胶结成整体，其内部存在大量的有机-无机物界面[16]．

目前对于水泥基材料的徐变研究集中在普通混凝土领域，徐变理论较多，且理论大多基于水泥水化物的微、细观结构特性，主要理论有黏弹性理论、渗出理论、黏性流动理论、塑性流动理论、微裂缝理论、内力平衡等[10,15,17-18]．由于CA砂浆存在复杂的物相与界面，因此其徐变机理复杂．图9为徐变后CA砂浆的孔隙结构曲线．

图8 CA砂浆的SEM照片Fig.8 SEM photograph of CA mortar

图9 徐变后CA砂浆的孔隙结构曲线Fig.9 Pore structure curves of CA mortar after creep

由图9可见：CA砂浆在40nm、1μm与6μm处均存在大量孔隙，由于CA砂浆中沥青与水泥并未发生化学反应，且沥青颗粒的粒径为1～10μm，因此40nm孔应与水泥水化物的毛细孔有关，而 1μm 孔应与水泥水化物与沥青界面孔有关， 6μm 孔应与沥青颗粒间隙等有关；随着应力水平的变化，徐变后的CA砂浆孔径分布曲线变化较大，且变化规律呈非单调的特点，不同孔径的孔隙存在转化与迁移现象，显示出其内部微结构发生着较大变化；随着应力水平的增加，CA砂浆40nm、 1μm 孔数量先减小后增加，而6μm孔数量先增大后减小．40nm孔数量的变化应与水化物毛细孔的闭合与扩张有关，在低应力水平下，毛细孔发生闭合，随着荷载的增加，水泥水化物凝胶将产生流动，进而导致毛细孔增加．1μm孔数量的变化应与各物相界面孔的闭合与扩张有关，低应力水平同样导致界面孔闭合，而增大荷载将使界面产生滑移，界面孔体积增大，但当滑移至一定程度，滑移面受约束与阻隔时，荷载又产生密实闭合效果，进而导致界面孔体积减少． 6μm 孔数量为其中大型复合凝胶团结构间的孔隙，受荷时其变形最先启动，导致CA砂浆内部应力重分布，随后的密实效应则导致孔隙减小、强度增加、变形能力退化．

由于沥青含量与性能的差异，Ⅰ、Ⅱ型CA砂浆徐变性能差别明显，同时由于CA砂浆与普通混凝土组成、结构之间差别较大，CA砂浆与普通混凝土徐变特性存在质的区别．CA砂浆徐变较大以及徐变导致变形能力退化与微结构变化等，在实际工程中应引起重视，通过SBS改性沥青可减缓其变形能力退化，这对工程有一定的指导意义．