水泥乳化瀝青砂漿與修補材料的力學性能匹配性研究

劉元文，劉云鵬

(1.武漢理工大學，湖北武漢430070;2.武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢430070;3.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，湖北武漢430070)

0 引言

水泥乳化瀝青砂漿是高速鐵路板式無砟軌道的關鍵結構材料，起著支撐列車重量、調整軌道精度、彈性減振等重要作用［1-4］，其質量決定著高速鐵路的運行安全與舒適性.由于高速列車運行速度快、砂漿服役環境惡劣，水泥乳化瀝青砂漿在服役過程中容易出現不同程度的破損、劣化，嚴重影響軌道結構安全與列車行駛安全［5-7］，這就需要對砂漿進行及時有效的修補.

水泥乳化瀝青砂漿的修補除了需要性能優異的修補材料外，還要與基體材料具有良好的匹配性，其中力學性能匹配是非常重要的方面.這是因為修補后兩者組成整體共同服役，力學性能如不匹配會使兩者受到荷載時變形不一致，容易產生應力集中及修補失效.在水泥混凝土修補領域，已有學者開展了基體混凝土與修補材料間的匹配性研究.由于界面粘接失效是修補后最常見的破壞形式，并且混凝土結構中修補區域多處于受拉區域［8］，因此，有學者采用四點彎曲試驗［9］測試修補材料與基體混凝土間的粘接強度，并對失效模式進行分類［10］.

水泥乳化瀝青砂漿在材料組成與性能、受力形式上與混凝土材料有著較大的區別，它的抗彎強度要遠小于混凝土材料，在加載過程中可能出現基體提前失效的問題，能否采用評估混凝土材料匹配性的方法還有待驗證.此外，水泥乳化瀝青砂漿更多是受到列車荷載的縱向沖擊作用，需要針對性地開發符合其受力特點的評價方法.

針對上述問題，筆者采用四點彎曲試驗評估水泥乳化瀝青砂漿與修補材料的匹配性，探討該方法的可行性.采用有限元模型在理論上分析新老材料的匹配性實驗結果，提出兩者的匹配機理.針對水泥乳化瀝青砂漿獨特的受力特點，采用四點彎曲疲勞試驗，對其與修補材料的匹配性做進一步的驗證評估.

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 基體水泥乳化瀝青砂漿

采用自主開發的干粉料及陰離子乳化瀝青配制基體水泥乳化瀝青砂漿，其配合比及性能如表1、2所示.陰離子乳化瀝青的性能如表3所示.

表1 基體水泥乳化瀝青砂漿配合比Tab.1 Mix proportion of substrate CA mortar kg/m3

1.1.2 修補砂漿

修補材料選擇硫鋁酸鹽水泥基修補砂漿，其干料組成如表4所示，配合比如表5所示.通過不同的A/C比例調控得到不同力學性能的修補砂漿.水泥:采用SAC42.5硫鋁酸鹽水泥及P.O42.5普通硅酸鹽水泥.兩種水泥的化學組成及物理性能如表6所示.乳化瀝青采用表3中的陰離子乳化瀝青.砂:河砂，顆粒粒徑小于2.36 mm，表觀密度2 630 kg/m3，吸水率為1.8%，含泥量為0.4%.減水劑:天津雍陽減水劑廠生產的高效聚羧酸系減水劑，固含量20%，減水率為26.6%.水:使用潔凈自來水.消泡劑:河南道純有限公司生產的有機硅類消泡劑，固含量30.1%.緩凝組分、早強組分:采用自主研發的復合外加組分，調控修補砂漿的可工作時間及早期小時強度.

表2 基體水泥乳化瀝青砂漿性能Tab.2 Properties of substrate CA mortar

表3 陰離子乳化瀝青的性能Tab.3 Properties of anionic asphalt emulsion

表4 硫鋁酸鹽水泥基修補砂漿干料組成Tab.4 Composition of dry blend of sulphoaluminate cement based repair mortar kg

表5 修補砂漿的配合比Tab.5 Mix proportion of repair mortar kg/m3

作為對比，筆者同時制備了樹脂基修補砂漿.樹脂材料為市售丙烯酸樹脂，其黏度為(300±50)mPa·s，密度為1.13 kg/m3.固化劑為過氧化二苯甲酰(簡稱BPO)，有效含量74% ～76%，填充料選擇石英砂.樹脂砂漿(MO)配合比(質量比)為樹脂∶BPO∶石英砂 =100∶1.5∶235，編號為M0.

1.2 試驗方法

四點彎曲試驗采用如圖1所示的尺寸為100×100×400 mm的組合試塊，其由基體水泥乳化瀝青砂漿及修補材料組成.在成型基體水泥乳化瀝青砂漿前，預先在試模底部放置如圖所示的梯形有機玻璃模具，砂漿澆注1 d后脫模并置于標準養護箱中養護27 d后取出，將缺口區域打磨，在空氣中繼續養護28 d后澆注修補材料.修補材料澆注后第二天拆模，將組合試塊繼續置于標準養護箱中養護6 d后進行四點彎曲實驗.由于水泥乳化瀝青砂漿的抗彎強度較混凝土低，因此加載速率選擇0.05 mm/min.

1.2.1 力學性能測試

表6 硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥化學組成與物理性能Tab.6 Physical properties of portland cement and fast hardening cement

水泥乳化瀝青砂漿及修補材料抗壓、抗折強度測試方法參考水泥膠砂強度測試方法，試塊尺寸為40×40×160 mm.其中抗折強度測試加載速率為0.05 kN/s，抗壓強度測試加載速率為0.5 kN/s.水泥乳化瀝青砂漿與修補材料彈性模量的測試參考CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿彈性模量的測試方法，測試時將試塊以1 mm/min的速率加載到800 N后再以相同速率卸載，反復4次后，取第5次的測試曲線中3/4處及0.5 MPa處的應力、應變值計算試塊的彈性模量.

式中:E為試件的彈性模量;h為試件的高度;σb為試件加載曲線3/4的抗壓強度;σa為0.5 MPa;b為試驗時第5次加載，加載曲線3/4抗壓強度時試樣的變形;a為試驗時第5次加載，加載曲線0.5 MPa處試樣的變形.

1.2.2 四點彎曲疲勞試驗

四點彎曲疲勞試塊如圖2所示.在進行完四點彎曲靜態試驗后，進行四點彎曲疲勞試驗，加載最大應力為靜態試驗破壞應力的0.35，應力比為0.1，加載頻率為12 Hz，加載波形為正弦波.

2 結果與討論

2.1 不同力學性能的修補材料與基體砂漿的適應性研究

表7為不同力學性能的修補材料與基體水泥乳化瀝青砂漿組成的組合試塊抗彎強度及破壞形式.由表7可知，組合試塊的抗彎強度與修補材料/基體材料的抗彎、抗壓強度比值之間沒有明顯的相關性，而與修補材料的彈性模量密切相關.組合試塊的抗彎強度隨著修補材料與基體材料間彈性模量差異的增大而增大，并且砂漿的破壞形式也由從組合試塊中央處破壞向沿修補材料邊緣處破壞轉變，如圖3.

2.2 有限元模型分析

為了研究修補材料與基體材料間彈性模量差異對組合試塊應力、應變分布的影響，按圖1所示建立有限元模型.基體砂漿的彈性模量設定為8 000 MPa，修補材料的彈性模量分別設定為基體砂漿的0.7、1.0及1.3倍，保持兩者間的伯松比為0.168，加載速率為0.05 mm/min.

不同彈性模量的修補材料與基體砂漿組成的組合試塊在受到荷載時的應力分布如表8所示.由表可知，基體水泥乳化瀝青砂漿中央處的應變為2.125 MPa，應變為0.287.當修補材料的彈性模量高于基體砂漿時，組合試塊中央處承擔了較小的應變(0.277)與較高的應力(2.842 MPa).這表明修補材料不能像基體砂漿那樣有足夠大的變形，兩者間的界面可以將荷載充分地傳遞到修補材料處，因此組合試塊更容易在中央處或修補材料處斷裂.當修補材料的彈性模量低于基體砂漿時，組合試塊中央處承擔了較大的應變(0.299)與較小的應力(1.81 MPa).應變的增加意味著低的荷載傳輸效率，即荷載無法完全傳遞到修補材料處.分析基體砂漿與修補材料粘接邊緣處的應變可知，低彈模修補材料的組合試塊粘接邊緣處應變為-0.353，基體砂漿及高彈模修補材料組合試塊在此處的應變分別為-0.222與-0.145，低彈模材料在界面粘接處受到較為明顯的束縛，產生應力集中，當修補材料與基體砂漿的粘接強度足夠大時，試塊更傾向于在粘接邊緣處破壞.

表7 組合試塊的抗彎強度及破壞形式Tab.7 Flexural strength and failure mode of composite sample

圖3 匹配性實驗試塊破壞模式Fig.3 Failure mode of sample for compatibility test

表8 基體砂漿與修補材料組合試塊的有限元分析Tab.8 Finite element analysis of composite sample

2.3 四點彎曲疲勞實驗

圖4為四點彎曲疲勞試驗結果由圖4(a)可知，基體水泥乳化瀝青砂漿在經受15萬次疲勞試驗后依然不斷裂，具有良好的服役性能，而組合試塊的疲勞壽命大大降低，均小于5萬次，且疲勞壽命隨著修補材料與基體材料彈性模量差異的增大而減少.與基體砂漿彈性模量差異最大的樹脂砂漿組合試塊的疲勞壽命只有13 141次.從試塊的破壞形式(圖4(b))來看，所有試塊均沿著基體砂漿與修補材料的粘接邊緣處斷裂.由于修補材料與基體砂漿彈性模量的差異，導致在承受荷載時變形不一致，低彈模的修補材料變形更大，在基體砂漿的束縛作用下產生應力集中，從而在兩者粘接邊緣處破壞，這也進一步驗證了彈性模量匹配對服役性能的重要影響.

3 結論

(1)修補砂漿與水泥乳化瀝青砂漿彈性模量的差異決定著兩者的力學匹配性.隨著修補材料與基體材料彈性模量差異的增大，組合試塊的抗彎強度逐漸增加，破壞形式也由中央破壞轉變為修補砂漿與基體砂漿粘接邊緣破壞.

(2)高彈模修補材料與基體砂漿組成的整體荷載傳輸效率高，荷載可以有效地傳遞到底部修補材料上，其破壞形式主要為中央斷裂.低彈模修補材料與基體砂漿組成的整體荷載傳輸效率低，荷載不能有效地傳遞到修補材料上，修補材料受到的應力不足以讓其破壞.低彈模材料的高形變受到高彈模基體材料的嚴重束縛，容易在兩者粘

圖4 四點彎曲疲勞試驗結果Fig.4 Result of our point bending fatigne test

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