高速铁路无砟轨道中改性CA砂浆的低温性能研究

程 岩

（新疆铁道勘察设计院有限公司，新疆乌鲁木齐 830011）

我国铁路建设在近年来得到了飞速发展，这不仅取决于我国经济实力的稳定提升，也归因于装备质量和配套材料基本设施的快速进步，截止2021年，我国铁路营运里程已达到16.8万公里，其中高速铁路4.9万公里。在高速铁路运营过程中，采用混凝土、沥青混合料等整体基础取代散粒碎石道床的无砟轨道结构发挥着重要作用，这主要是因为无砟轨道相较有砟轨道具有平顺性好、稳定性好、使用寿命长和耐久性好等特点［1-2］。CA砂浆作为无砟轨道中的重要原料，其填充至无砟轨道结构中的使用性能和耐久性能将在很大程度上决定了无砟轨道的整体使用性能，这是因为CA砂浆需要填充轨道板与混凝土底座间的空隙，需要自适应地调整轨道结构高度、需要承受轨道板的垂直荷载等［3-4］。因此，用于无砟轨道的CA砂浆需要具有良好的抗压强度和抗折强度等力学性能，而实际应用过程中的CA砂浆无法满足现代化高速铁路无砟轨道的使用要求［5］。目前，国内外的研究大多从调整CA砂浆的成分配比的角度去提升其强度等性能，而采用改性的方法去提高强度方面的报道较少［6］。在此基础上，本文拟考察单独SBS改性、单独CNFs改性和SBS+CNFs复合改性对CA砂浆抗压强度和抗折强度的影响，并分析了不同龄期下CA砂浆的力学性能变化规律，结果可为高速铁路无砟轨道用CA砂浆的开发与应用提供技术支撑。

1 材料与方法

材料：P.O 42.5级水泥（28d抗折强度和28d抗压强度分别为6.9MPa和46.1MPa），细骨料为河砂（表观密度2.65g/cm3），70号B级基质沥青（软化点47.9℃），纳米碳纤维（CNFs、长度20μm、管径160nm、体积密度0.044g/cm3），T6302线型SBS改性剂（拉伸强度18.6MPa）。

将基质沥青加热至158℃完全融化后加入改性剂（CNFs、SBS），人工搅拌8min后升温至178℃，再在高速搅拌器中搅拌均匀，制成改性沥青，然后经过热熔、添加乳化剂和助剂形成胶体，机械分散后得到改性乳化沥青。水泥乳化沥青砂浆（CA砂浆）是将预先制备好的乳化沥青、砂子和水等按比例混合后，通过搅拌、浇筑和养护后形成［7］。

按照GB/T 17671《水泥胶砂强度检验方法》，制备40mm×40mm×160mm的长方体试块，在MTS微机伺服液压控制器上进行抗压强度和抗折强度测试，加载速率为100N/s，每组试样取5组，结果为去掉最大值和最小值后的3组试样的平均值。

2 结果与分析

2.1 抗压强度

表1为SBS掺量对CA砂浆抗压强度的影响，分别列出了7d和28d抗压强度。可见，随着SBS掺量从0增加至4%，SBS改性CA砂浆的7d抗压强度基本介于2.52~2.57 MPa，表明SBS掺量对CA砂浆的7d抗压强度影响不大；从28d抗压强度上看，随着SBS掺量从0增加至4%，SBS改性CA砂浆的28d抗压强度逐渐减小，在SBS掺量为4%时为4.35MPa，相较未掺加SBS的砂浆有明显减小，可见，SBS改性会对CA砂浆的28d抗压强度带来不利影响。这主要是因为SBS改性后，改性CA砂浆中会形成致密的沥青膜，在一定程度上会抑制水泥与水的接触，从而造成部分水泥未发生水化反应［8］，相应的抗压强度会有所减小，且SBS掺量越大则未发生水化反应的水泥越多，抗压强度会越小。

表1 SBS掺量对CA砂浆抗压强度的影响Table 1 Effect of SBS content on compressive strength of CA mortar

表2为CNFs掺量对CA砂浆抗压强度的影响，分别列出了7d和28d抗压强度。可见，随着CNFs掺量从0增加至2.5%，CNFs改性CA砂浆的7d抗压强度逐渐上升，从未添加CNFs时的2.52MPa增加至CNFs掺量为2.5%时的2.88MPa，表明CNFs改性有助于CA砂浆7d抗压强度的提高；从28d抗压强度上看，随着CNFs掺量从0增加至2.5%，CNFs改性CA砂浆的28d抗压强度逐渐增大，在CNFs掺量为2.5%时为12.88MPa，相较未掺加CNFs的砂浆有明显增大，可见，CNFs改性会明显改善CA砂浆的28d抗压强度。这主要是因为CNFs改性CA砂浆后，CNFs自身的小粒径、大表面积结构会吸附较多的水分，从而使得CA砂浆中未水化的水泥继续发生水化反应，从而使得CA砂浆中水泥的水化反应更加充分，此外，CNFs自身的小粒径还有利于增加CA砂浆的致密性，二者共同作用下提升了CA砂浆的7d和28d抗压强度。

表2 CNFs掺量对CA砂浆抗压强度的影响Table 2 Effect of CNFs content on compressive strength of CA mortar

表3为SBS和CNFs复合改性对CA砂浆抗压强度的影响。可见，无论SBS掺量是1%、2%、3%还是4%，SBS和CNFs复合改性对CA砂浆抗压强度都会随着CNFs掺量的增加而先增大后减小，在CNFs掺量为1.5%时取得最大值。此外，对比分析还可以发现，在CNFs掺量相同的条件下，SBS和CNFs复合添加对CA砂浆的28d抗压强度会随着SBS掺量的增加而减小，可见，SBS掺量的增加也会对SBS和CNFs复合添加时CA砂浆的28d抗压强度带来不利影响，这也与其会抑制水泥发生水化反应有关［9］。表4为 SBS和CNFs复合改性对不同龄期CA砂浆抗压强度的影响，分别列出了龄期为1d、7d和28d时的抗压强度测试结果。可见，无论龄期是1d、7d还是28d，在SBS掺量不变的条件下，SBS和CNFs复合改性CA砂浆抗压强度随着CNFs掺量变化趋势基本相同，即都会随着CNFs掺量增加而先增大后减小，在CNFs掺量为1.5%时取得最大值。综合而言，SBS和CNFs复合改性对CA砂浆抗压强度的影响规律不会因为龄期而发生改变。

表3 SBS和CNFs复合添加对CA砂浆抗压强度的影响Table 3 Effect of composite addition of SBS and CNFs on compressive strength of CA mortar

表4 SBS和CNFs复合改性对不同龄期CA砂浆抗压强度的影响Table 4 Effect of SBS and CNFs composite modification on compressive strength of CA mortar at different ages

2.2 抗折强度

表5为SBS掺量对CA砂浆抗折强度的影响，分别列出了7d和28d抗折强度。可见，随着SBS掺量从0增加至4%，SBS改性CA砂浆的7d抗折强度逐渐减小，表明SBS掺量对CA砂浆的7d抗折强度会产生不利影响；从28d抗折强度上看，随着SBS掺量从0增加至4%，SBS改性CA砂浆的28d抗折强度逐渐减小，在SBS掺量为4%时为2.71MPa，相较未掺加SBS的砂浆有明显减小，可见，SBS改性会对CA砂浆的28d抗折强度带来不利影响。这主要是因为SBS改性后，改性CA砂浆中会形成致密的沥青膜，在一定程度上会抑制水泥与水的接触，从而造成部分水泥未发生水化反应［10］，相应的抗折强度会有所减小，且SBS掺量越大则未发生水化反应的水泥越多，抗折强度会越小。此外，在长时间冷冻处理后，改性砂浆的脆性会持续上升，在受到弯拉作用时的界面更加薄弱，抗折强度会明显减小［11］。

表5 SBS掺量对CA砂浆抗折强度的影响Table 5 Effect of SBS content on flexural strength of CA mortar

表6为CNFs掺量对CA砂浆抗折强度的影响，分别列出了7d和28d抗折强度。可见，随着CNFs掺量从0增加至2.5%，CNFs改性CA砂浆的7d抗折强度逐渐上升，从未添加CNFs时的1.12MPa增加至CNFs掺量为2.5%时的1.31MPa，表明CNFs改性有助于CA砂浆7d抗折强度的提高；从28d抗折强度上看，随着CNFs掺量从0增加至2.5%，CNFs改性CA砂浆的28d抗折强度逐渐增大，在CNFs掺量为2.5%时为6.23MPa，相较未掺加CNFs的砂浆有明显增大，可见，CNFs改性会明显改善CA砂浆的28d抗折强度。这主要是因为CNFs改性CA砂浆后，CNFs自身的小粒径、大表面积结构会吸附较多的水分［12］，从而使得CA砂浆中未水化的水泥继续发生水化反应，从而使得CA砂浆中水泥的水化反应更加充分［13］，此外，CNFs自身的小粒径还有利于增加CA砂浆的致密性［14］，二者共同作用下提升了CA砂浆的7d和28d抗折强度。

表6 CNFs掺量对CA砂浆抗折强度的影响Table 6 Effect of CNFs content on flexural strength of CA mortar

表7为SBS和CNFs复合改性对CA砂浆抗折强度的影响。可见，无论SBS掺量是1%、2%、3%还是4%，SBS和CNFs复合改性对CA砂浆抗折强度都会随着CNFs掺量的增加而先增大后减小，在CNFs掺量为1.5%时取得最大值。此外，对比分析还可以发现，在CNFs掺量相同的条件下，SBS和CNFs复合添加对CA砂浆的28d抗折强度会随着SBS掺量的增加而减小，可见，SBS掺量的增加也会对SBS和CNFs复合添加CA砂浆的28d抗折强度带来不利影响，这也与其会抑制水泥发生水化反应有关［15］。

表7 SBS和CNFs复合添加对CA砂浆抗折强度的影响Table 7 Effect of SBS and CNFs on flexural strength of CA mortar

表8为 SBS和CNFs复合改性对不同龄期CA砂浆抗折强度的影响，分别列出了龄期为7d和28d时的抗折强度测试结果。可见，无论龄期是7d还是28d，在SBS掺量不变的条件下，SBS和CNFs复合改性CA砂浆抗折强度随着CNFs掺量变化趋势基本相同，即都会随着CNFs掺量增加而先增大后减小，在CNFs掺量为1.5%时取得最大值。综合而言，SBS和CNFs复合改性对CA砂浆抗折强度的影响规律不会因为龄期而发生改变，这与SBS和CNFs复合改性对CA砂浆抗压强度的影响规律一致。

表8 SBS和CNFs复合改性对不同龄期CA砂浆抗折强度的影响Table 8 Effect of SBS and CNFs composite modification on flexural strength of CA mortar at different ages

3 结论

（1）随着SBS掺量从0增加至4%，SBS改性CA砂浆的7d抗压强度基本不变，28d抗压强度逐渐减小；随着CNFs掺量从0增加至2.5%，CNFs改性CA砂浆的7d和28d抗压强度逐渐上升，7d抗压强度从未添加CNFs时的2.52MPa增加至CNFs掺量2.5%时的2.88MPa，在CNFs掺量为2.5%时改性砂浆的28d抗压强度为12.88MPa，相较未掺加CNFs的砂浆有明显增大。无论SBS掺量是1%、2%、3%还是4%，SBS和CNFs复合改性对CA砂浆抗压强度都会随着CNFs掺量的增加而先增大后减小，在CNFs掺量为1.5%时取得最大值。在CNFs掺量相同的条件下，SBS和CNFs复合添加对CA砂浆的28d抗压强度会随着SBS掺量的增加而减小。

（2）随着SBS掺量从0增加至4%，SBS改性CA砂浆的7d和28d抗折强度逐渐减小，可见，SBS改性会对CA砂浆的7d和28d抗折强度带来不利影响；随着CNFs掺量从0增加至2.5%，CNFs改性CA砂浆的7d和28d抗折强度逐渐上升，相较未掺加CNFs的砂浆有明显增大；无论SBS掺量是1%、2%、3%还是4%，SBS和CNFs复合改性对CA砂浆抗折强度都会随着CNFs掺量的增加而先增大后减小，在CNFs掺量为1.5%时取得最大值。此外，在CNFs掺量相同的条件下，SBS和CNFs复合添加对CA砂浆的28d抗折强度会随着SBS掺量的增加而减小。

（3）无论龄期是1d、7d还是28d，在SBS掺量不变的条件下，SBS和CNFs复合改性CA砂浆抗压强度和抗折强度随着CNFs掺量变化趋势基本相同，即都会随着CNFs掺量增加而先增大后减小，在CNFs掺量为1.5%时取得最大值。