溫度作用天數對CRTSⅡ型CA砂漿抗壓性能影響試驗研究

方　燾，呂雪冬，楊銳銳，郭國君

(華東交通大學土木建筑學院，南昌　330013)

?

溫度作用天數對CRTSⅡ型CA砂漿抗壓性能影響試驗研究

方燾，呂雪冬，楊銳銳，郭國君

(華東交通大學土木建筑學院，南昌330013)

CA砂漿是溫度敏感性材料，溫度變化及作用時間將直接影響其力學性能，從而影響到無砟軌道的耐久性和安全性。為研究溫度作用天數對CRTSⅡ型CA砂漿抗壓性能的影響，將CA砂漿放置于3種溫度25、40、60 ℃中分別10、20、30 d，在常溫中冷卻6 h后采用GDS三軸儀對其進行單軸壓縮試驗，分析抗壓強度、彈性模量和應力應變曲線的變化規律，并對其變化機理進行分析。結果表明：CA砂漿的單軸抗壓強度隨溫度和放置天數的增長均呈線性增長，線性相關系數均在0.9以上；彈性模量隨溫度和放置天數的增長而增長；由于瀝青高溫中老化以及軟化遷移，CA砂漿的應力應變曲線呈現脆性破壞特征，而且殘余強度隨放置溫度的升高而降低。

CA砂漿；溫度；抗壓強度；彈性模量；應力應變曲線

水泥乳化瀝青砂漿(cement asphalt mortar，簡稱CA砂漿)是由水泥、乳化瀝青、砂及功能外加劑等組成[1]，經水泥硬化與瀝青破乳膠結共同作用形成的有機無機復合材料[2]，起調整、支承、減振隔振等作用[3-4]。其長期服役性能的好壞關系到軌道的平順性、耐久性及列車行駛的安全性[5-6]。

乳化瀝青是溫度敏感性材料，溫度變化時會呈現不同的性能[7]，王發洲等[8]研究了CA砂漿在不同溫度(0 ℃，20 ℃，40 ℃，60 ℃)下的抗壓強度，結果表明CA砂漿抗壓強度隨溫度升高而降低。王武等[9]對4種不同溫度下(13 ℃，20 ℃，27 ℃，34 ℃)的CA 砂漿力學性能進行了研究，結果表明:隨著溫度的升高，CA砂漿的峰值應力和彈性模量均降低，且存在線性關系。水灰比可以影響CA砂漿的溫敏性，水灰比為0.8時，溫度對CA砂漿的影響相對較小。陳一日[10]通過實驗得到溫度增加時，加載速率對抗壓強度的作用減弱，加載速率增加時，溫度對抗壓強度的作用增強。

近年來，我國很多地區夏季最高溫度達到38～40 ℃，超過35 ℃的天數能長達20 d以上，而地面溫度比空氣溫度能高出十幾到幾十攝氏度。現有的文獻對CA砂漿在不同溫度下的研究只局限于短期的研究，而CA砂漿長期處于高溫后力學性能的改變尚屬空白，CA砂漿中含有瀝青，其受溫度的影響很大，故針對CA砂漿經歷不同時間的高溫以后的力學性能進行了研究。將CRTSⅡ型CA砂漿置于3種溫度(25 ℃、40 ℃、60 ℃)中分別10 d、20 d、30 d，將其在常溫中冷卻6 h后進行單軸壓縮試驗，分析抗壓強度和彈性模量隨溫度和放置天數的變化及應力應變曲線的變化規律。

1　原材料及實驗

1.1原材料及配合比

乳化瀝青：陰離子乳化瀝青，檢測結果符合“暫行技術條件”。

干粉料：膨脹率1.3%，1 d抗壓強度14.3 MPa，各項檢測結果均符合“暫行技術條件”。

消泡劑：DXP-010超強消泡劑

減水劑：聚羧酸系高性能減水劑

水：自來水

CA砂漿的具體配合比見表1。

表1　CA砂漿配合比　kg/m3

1.2試塊制作

采用CA砂漿攪拌機進行攪拌，先在攪拌器中倒入乳化瀝青，消泡劑、減水劑和水攪拌均勻倒入攪拌器，先用80 r/min的轉速攪拌30 s，然后漸漸地增加轉速，在此過程中倒入干料，共持續1 min，待干料加完將轉速提高到260 r/min，攪拌2 min，然后再將轉速降至60 r/min，攪拌1 min。CA砂漿攪拌完成后倒入內徑為50 mm的PVC管中，此管提前刷好脫模劑，養護1 d后脫模，然后將其自然養護至28 d，然后對試件進行加工，為使兩端光滑，在中間量取試件高度100 mm，然后切掉兩端的部分，并對兩端進行打磨，制成高度為100 mm，φ50 mm的圓柱體標準試件，見圖1。

圖1　CA砂漿標準試塊

1.3試驗步驟

選取25 ℃，40 ℃，60 ℃三個溫度進行試驗，25 ℃作為對比溫度，用高低溫交變濕熱試驗箱控制，40 ℃和60 ℃用烘箱控制，因烘箱不能長時間使用，故用2臺烘箱交替使用。將不同溫度下放置10 d，20 d，30 d的試塊取出后置于室溫下6 h后進行單軸抗壓試驗。

2　試驗結果及討論

2.1抗壓強度

表2為不同溫度下放置不同時間后CA砂漿在常溫下的抗壓強度。

表2　不同溫度和放置天數的抗壓強度　MPa

將不同溫度放置后得到的抗壓強度隨放置天數和溫度的變化分別列于圖2和圖3，圖中每個點代表1個試驗數據，并對其進行擬合。

圖2　抗壓強度隨放置天數的變化

圖3　抗壓強度隨溫度的變化

從圖2可以看出，峰值應力隨放置天數的增加呈近似線性增長趨勢，從擬合的公式系數可以看出，25 ℃時系數為0.032，40 ℃時系數為0.077，60 ℃時系數為0.100，可見隨著溫度的增加，放置時間對峰值應力的影響越明顯。

以放置10 d為標準，25 ℃時峰值應力平均值隨放置天數分別增加了2.32%，4.19%，40 ℃時峰值應力平均值分別增加了5.14%，9.61%，60 ℃時峰值應力平均值增加了6.50%，11.88%，隨溫度增加，峰值應力隨放置天數增加的值越大。

從圖3可以看出，不同放置天數下，峰值應力均隨溫度的增長而增長，且呈近似線性關系。擬合曲線的系數在10 d，20 d，30 d時分別為0.038，0.058，0.075，可見隨放置天數增加，溫度對峰值應力的影響作用增強。

以25 ℃為標準，放置10 d時峰值應力平均值隨溫度增加分別增加了3.21%，8.53%，放置20 d時峰值應力平均值隨溫度增加分別增加了6.06%，12.96%，放置30 d時峰值應力平均值隨溫度增加分別增加了8.59%，16.53%，可見隨放置天數增加，峰值應力隨溫度的增加而增加的幅度變大

2.2彈性模量

CA砂漿的彈性模量取全曲線中0.3～0.5倍的峰值強度之間的直線斜率[11]，不同溫度彈性模量隨放置天數的變化如圖4所示。不同放置天數彈性模量隨溫度的變化如圖5所示。

圖4　彈性模量隨放置天數的變化

圖5　彈性模量隨溫度的變化

從圖4可以看出，隨放置天數的增加，彈性模量呈增加趨勢，以放置前測得的彈性模量為標準，25 ℃后，彈性模量隨放置天數增加而分別增加了1.69%，3.8%，6.48%，40 ℃后，彈性模量隨放置天數增加而分別增加了2.11%，4.22%，8.45%，60 ℃后，彈性模量隨放置天數增加而分別增加了6.22%，8.73%，9.86%，所以可得出不同溫度放置后，彈性模量隨天數呈增加趨勢，置于60 ℃的前10 d增幅較大，但后期變緩，而置于40 ℃的前20 d增幅均勻，20～30 d時增幅變大，25 ℃放置后增幅比較均勻。

從圖5可以看出，以25 ℃為標準，放置10 d時，彈性模量隨溫度增加而分別增加了0.42%，4.8%，放置20 d時，彈性模量隨溫度增加而分別增加了0.41%，4.7%，放置30 d時，彈性模量隨溫度增加而分別增加了1.85%，3.17%，同一放置天數下，彈性模量隨溫度的升高而增長。

2.3應力應變曲線

取不同溫度放置30 d后冷卻至室溫下的應力應變曲線進行分析，如圖6所示。

圖6　不同溫度下的應力應變曲線

對比圖6中的3種不同溫度下的應力應變曲線，可以看出，隨著溫度增大，峰值強度增大，峰值應變也在增大。比較應力應變曲線的下降段可以發現，25 ℃時下降段稍緩，而40 ℃和60 ℃下降段幾乎呈直線跌落，脆性特別明顯。25 ℃時的殘余強度在2 MPa左右，40 ℃時的殘余強度在1.3 MPa左右，60 ℃時的殘余強度在0.7 MPa，可見殘余強度隨溫度的增加而降低，脆性隨溫度增加而愈明顯。

2.4機理研究

在瀝青混合料中，無機骨料表面的瀝青膜有結構瀝青和自由瀝青[12-13]。結構瀝青能緊密地與骨料結合在一起，不受介質和外界溫度的影響，自由瀝青不直接接觸骨料，可以在硬化體中形成連續相，使硬化體具有彈性，但是性能受外界環境和溫度的影響比較大，導致材料的溫度穩定性比較差。自由瀝青的溫度穩定性差，在溫度過高的情況下，CA砂漿中瀝青出現老化現象，彈性模量升高[14]。瀝青在高溫下形態發生變化，自由瀝青發生了軟化遷移，填充到材料內部的大孔中，導致材料的密實度增大，增大了材料的強度和彈性模量，但是延性下降[15]。

故認為CA砂漿長期置于高溫中，會使CA砂漿出現2種情況：(1)CA砂漿中的瀝青出現老化現象，使材料呈現脆性；(2)瀝青軟化遷移，增大材料的密實度，使材料強度和彈性模量增大，但延性下降。

3　結論

(1) CA砂漿長期置于高溫后，其單軸抗壓強度隨溫度和放置天數均呈線性增長，線性相關系數均在0.9以上；

(2)彈性模量隨溫度和放置天數的增長而增長；

(3)由于瀝青高溫老化以及瀝青軟化遷移導致高溫放置后的CA砂漿的應力應變曲線呈現脆性破壞特征，而且殘余強度隨放置溫度的升高而降低。

[1]Wang Jinfeng， Chen Yiri， Fan Xinglang， et al. Effects of strain rate and confining pressure on compressive behavior of cement asphalt mortar[J]. Materials and Design， 2015(65):772-779.

[2]王濤.高速鐵路板式無砟軌道CA砂漿的研究與應用[D].武漢:武漢理工大學，2008.

[3]曾曉輝，謝友均，鄧德華，等.鐵路無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿吸振與隔振特性[J].建筑材料學報，2013，16(2):356-360.

[4]徐浩，王平，曾曉輝.高速鐵路板式無砟軌道CA砂漿研究現狀與展望[J].鐵道標準設計，2013(11):1-5.

[5]田冬梅，元強，朱蓉，等.水對水泥乳化瀝青砂漿靜態力學性能的影響[J].硅酸鹽學報，2012，40(11):1544-1551.

[6]劉觀，胡佳，杜華楊，等.CRTSⅠ型板式無砟軌道CA砂漿疲勞壽命分析[J].鐵道標準設計，2014，58(5):5-7.

[7]王濤.CA砂漿力學性能與體積對溫度的穩定性[J].建筑材料學報，2013，16(1):127-130.

[8]Wang Fazhou， Liu Zhichao， et al. Temperature stability of compressive strength of cement asphalt mortar[J]. ACI Materials Journal， 2010，107(1):27-30.

[9]王武，龐有超，等.CA砂漿溫敏性試驗研究[J].鐵道建筑，2013(6):169-171.

[10]陳一日.多因素條件下CRTSⅡ型CA砂漿抗壓性能試驗研究[D].杭州：浙江大學，2015.

[11]傅強，謝友均，等.水泥乳化瀝青砂漿力學特性的齡期效應[J].北京工業大學學報，2013(11):1607-1612.

[12]呂偉民.瀝青混合料設計原理與方法[M].上海:同濟大學出版社，2000:40-80.

[13]沈金安.改性瀝青與SMA路面[M].北京:人民交通出版社，1999:60-79.

[14]毛錦達.板式無砟軌道CA砂漿抗凍性與抗疲勞性能研究[D].杭州:浙江工業大學，2012.

[15]羅偉.CA砂漿疲勞損傷及其對軌道結構振動響應影響分析[D].杭州：浙江工業大學，2014.

Test Study on Compressive Properties of CRTSⅡ CA Mortar Subjected to Temperature Effect Time

FANG Tao， LV Xue-dong， YANG Rui-rui， GUO Guo-jun

(Institute of Civil Engineering and Construction， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China)

CA mortar is a temperature sensitive material and the temperature variation and action time directly affect its mechanical properties， which may affect the durability and safety of the ballastless track. To study the compressive properties of CRTSⅡ CA mortar subjected to different temperature effect time， CA mortar is placed respectively for 10， 20 d and 30 d under the temperature of 25， 40 ℃ and 60 ℃， and an uniaxial compression test of CA mortar is conducted with GDS triaxial apparatus after cooling in the normal temperature for 6 hours to analyze the change rule of compressive strength， elastic modulus and stress strain curve and mechanism of the changes. The results show that the uniaxial compressive strength of CA mortar is of linear increase with the rise of temperature and time， the linear correlation coefficients are all above 0.9; the elastic modulus increases with the rise of temperature and the extension of days; due to aging and softening migration of the asphalt in high temperature， stress strain curve of CA mortar presents brittle failure characteristics， and along with the rise of temperature， the residual strength is reduced．

CA mortar; temperature; compressive strength; elastic modulus; stress strain curve

2015-12-18；

2016-01-18

國家自然科學基金(51568021)

方燾(1976—)，男，副教授，2012年畢業于重慶大學土木

工程專業，工學博士，E-mail:378766675@qq.com。

1004-2954(2016)09-0048-04

TU528.42

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.010