水泥乳化沥青砂浆峰值应变的试验研究

2020-08-12蔡基伟袁玉卿邓德华

硅酸盐通报 2020年7期

田青，张苗，蔡基伟，袁玉卿，邓德华

(1.河南大学循环与功能建材实验室，开封 475004；2.河南大学开封市工程修复与材料循环工程技术研究中心，开封 475004； 3.中南大学土木工程学院，长沙 410075)

0 引言

水泥乳化沥青砂浆(Cement Asphalt Mortar，CA Mortar)是以水泥、乳化沥青、水、砂和多种外加剂为原材料，经水泥与乳化沥青共同作用并胶结硬化而成的有机-无机复合砂浆，其重要用途之一是用作我国高速铁路板式无砟轨道结构的充填层材料，起着承力、传力、几何调整和提供阻尼的重要作用[1-4]。作为一种工程结构材料，力学性能是评价其服役性能的重要依据，随着高速铁路基础建设的快速发展，国内外对CA砂浆的力学性能进行了深入研究。黄直久[5]、Wang[6]等分析了CA砂浆抗压强度的主要影响因素及内在机理，万赟等[7]依据混凝土的微观力学理论，建立了CA砂浆抗压强度与组成参数的数学模型。谭忆秋等[8]分析了材料组成及配比对CA砂浆弹性模量的影响规律，万赟[9]、Tian[10]等建立了其弹性模量与微结构参数的数学关系。

从上述研究可以看出，国内外对于CA砂浆力学性能的研究主要集中于抗压强度或弹性模量，而对于CA砂浆变形特性的研究则鲜见报道。了解与掌握CA砂浆的变形规律，是进一步评价CA砂浆伤损劣化行为及提高其服役性能的关键之一。本文基于不同配合比CA砂浆的单轴压缩试验，分析其结构组成对峰值应变的影响，并进一步建立了CA砂浆峰值应变与抗压强度之间的定量关系，可为板式无砟轨道的结构设计和安全维护提供一定参考。

1 实验

1.1 原材料

试验采用安徽中铁工程材料科技有限公司生产的CA砂浆专用干料，其中水泥含量为37.5%，28 d实测抗压强度为40.85 MPa。选用壳牌(天津)公司产阳离子乳化沥青，其中沥青的质量分数为60%。消泡剂为有机硅类消泡剂，固含量为25%，拌合水为饮用自来水。

1.2 试件制备

试验所用CA砂浆的配合比如表1所示。其中A/C为沥灰比，即CA砂浆中所含沥青与水泥质量之比；W/C为水灰比，水灰比的计算中水为乳化沥青中水与外加水之和。试验采用“先湿后干”的方法进行搅拌，先将称量好的水、乳化沥青和消泡剂以50 r/min的速度拌和30 s，然后在转速为90 r/min时缓慢加入干料，再以120 r/min快速搅拌120 s，最后以50 r/min慢速搅拌30 s。

表1 不同配合比CA砂浆的εp、fp值Table 1 Values of εp, fp of different proportions of CA mortar

将拌和好的CA砂浆注入φ50 mm×50 mm的模具中，24 h后拆模，然后置于(20±2) ℃、相对湿度90%的环境下养护至28 d。用打磨机对试件的表面进行处理，使其上、下表面平行。

1.3 力学性能测试

对不同组成的CA砂浆进行单轴压缩试验，参照文献[11]的试验方法，测试各配合比试件的应力-应变全曲线。

2 结果与讨论

2.1 CA砂浆的峰值应变

CA砂浆的典型应力-应变曲线如图1所示，曲线峰值点所能承受的最大应力即为试件的抗压强度(fp)，相应的应变即为峰值应变(εp)，峰值应变反映了CA砂浆破坏时的极限变形能力。试验所用不同配合比CA砂浆的εp、fp值如表1所示。

图1 CA砂浆的典型应力-应变曲线Fig.1 Typical stress-strain curves of CA mortar

由图1及表1可知，εp随A/C、W/C的减小而减小。A/C的变化改变了CA砂浆的结构特性，CA砂浆的微观结构如图2所示。A/C较大时，CA砂浆的微观结构以沥青为连续相，水泥水化物和砂子则充当分散相，胶凝体系的力学性能更接近于沥青的力学特性[12]，因而CA砂浆表现为低强度、低模量特性。由于水泥水化物之间的搭接程度较低，形成的只是松散状态的骨架结构，故在较低的应力水平下骨架结构即达到承载极限，即CA砂浆达到弹性变形极限，开始进入塑性变形阶段。常温下沥青具有显著的粘塑性变形能力，包裹着水化产物和砂子持续的塑性变形与粘性流动直至最终破坏，因而CA砂浆具有较大的峰值应变。

图2 CA砂浆的微观结构Fig.2 Microstructure of CA mortar

随着A/C的减小，水泥砂浆逐渐转变为连续相，沥青只作为分散相填充其中，因而整个胶凝体系的力学性能更接近于普通砂浆，呈现高强度、高模量的力学特征[12]。此时，CA砂浆的力学性能主要由水泥砂浆的刚性骨架提供，其强度虽然有所提高，破坏前能够承受更大的荷载，但材料本身的变形能力不断下降，一旦超过弹性变形阶段，内部的裂纹等损伤将快速发展，使CA砂浆迅速达到变形极限。

当沥青含量不变而W/C改变时，影响了CA砂浆中毛细孔的体积含量。CA砂浆在受压过程中，富集在毛细孔中的自由沥青将产生粘性流动从而消耗外力功[13]，而毛细孔的多少正是影响沥青流动效果的重要因素。随着W/C的减小，CA砂浆中的孔隙含量降低，沥青流动的通道减少，相应消耗的外力功也较少。当CA砂浆达到承载极限时，内部储存的弹性能转变为缺陷扩展的表面能[14]，在总能量相近的情况下，耗散能越小，表面能相对越大，缺陷扩展越为迅速，试件破坏的发生也更为急促，相应的εp越小。

2.2 峰值应变与抗压强度的定量关系

CA砂浆的各力学参数并不是孤立的，峰值应变与抗压强度是对CA砂浆宏观力学性能的某一方面描述，两者之间必然存在某种定量的转换关系。目前，国内外针对水泥基材料的峰值应变已有较多的研究，并且提出了多种计算公式[15]，如：

Ros方程：

εp=a+b·fp

(1)

Brandtzaeg方程：

(2)

Saenz方程：

(3)

林大炎方程：

(4)

式中:fp为抗压强度，MPa；εp为峰值应变；a、b为方程参数。

将式(1)～(4)对实测的抗压强度、峰值应变等数据进行拟合，所得的典型拟合曲线如图3所示，参数a、b的值及相关系数如表2所示。

由图3及表2可知，由林大炎方程得到的拟合结果与实验结果具有良好的一致性，两者的相关系数达到0.923 8。由此可得，林大炎方程最适合描述CA砂浆抗压强度与峰值应变之间的关系。

图3 不同方程的拟合结果Fig.3 Fitting results of different formulas

表2 参数a、b的值及相关系数Table 2 Values of a, b and correlation coefficients

式(1)～(4)的不同点主要体现在峰值应变随抗压强度的变化程度上。式(1)和(2)中，峰值应变与抗压强度的一次方呈正比，即具有较大的峰值变形。式(3)中，峰值应变与抗压强度的四分之一次方呈函数关系，即破坏时发生较小的极限变形。由刚性、脆性的水泥及柔韧、黏性的沥青复合构成的CA砂浆具有典型的黏弹性特征，其在破坏时产生的变形介于弹性和黏性之间，式(1)～(3)描述峰值应变随抗压强度的变化程度偏大或偏小了。式(4)中峰值应变与抗压强度的平方根成正比，比较实际地反映了CA砂浆的黏弹变形特征。

相关标准[16-17]对于Ⅰ、Ⅱ型CA砂浆的28 d强度要求分别为大于或等于1.8 MPa、15.0 MPa。由表1及图3可知，对应相应标准时，CA砂浆的峰值应变近似为4.5×10-3、3.0×10-3。以CA砂浆的高度为50 mm计，结合峰值应变的理论计算，Ⅰ、Ⅱ型CA砂浆单轴压缩破坏时纵向约产生0.225 mm、0.15 mm的几何尺寸变化。然而，不同于单轴压缩试验的独立个体，实际工程中CA砂浆充填层是一个较大的整体，有着不同的侧限条件[18]，围压的存在使得CA砂浆的峰值应变显著提高(至少可提高约3～5倍[18])。参考单轴压缩破坏时的几何尺寸变化，实际工程中，Ⅰ、Ⅱ型砂浆充填层发生伤损破坏时约产生0.675～1.125 mm、0.45～0.75 mm的高度变化。结合高速铁路轨道结构几何状态的实时监控，当砂浆充填层的纵向尺寸变化接近上述阈值时，应引起警示并对其进行检测与维护。