不同初始靜態(tài)荷載下CA砂漿動態(tài)抗壓特性試驗研究①

徐浩，李悅，趙坪銳，曾曉輝，王平

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都610031)

水泥乳化瀝青砂漿(cement and emulsified asphaltmortar，CA砂漿)是填充于CRTSⅠ型板式無砟軌道系統(tǒng)軌道板與混凝土底座板之間的有機－無機復(fù)合材料，厚度為30～60 mm，起支撐、調(diào)整、吸振和減振等作用，是板式無砟軌道系統(tǒng)的關(guān)鍵功能材料之一［1－7］。CA砂漿層在列車行駛過程中處于動態(tài)加載過程［8－9］，且列車運行速度的變化導(dǎo)致CA砂漿應(yīng)變率的變化，因此列車動荷載是板式無砟軌道設(shè)計中考慮的一個重要因素。近幾年對CA砂漿動力性能的研究中，取得了不少成果。王發(fā)洲等［10］通過測試CA砂漿的抗壓強度在不同加載速率下的變化規(guī)律，研究表明:CA砂漿的抗壓強度隨加載速率的增大而增大，且兩者之間大致呈線性關(guān)系;文獻(xiàn)［11］也認(rèn)為CA砂漿的抗壓強度隨加載速率的增加而增加;孔祥明等［12］針對2種典型的水泥乳化瀝青砂漿進(jìn)行不同加載速率下的抗壓試驗，試驗表明:2種典型的水泥乳化瀝青砂漿的峰值應(yīng)力和彈性模量均隨加載速率呈遞增趨勢，且加載速率對高mA/mC的CA砂漿影響更大;文獻(xiàn)［13］認(rèn)為CA砂漿的力學(xué)性能與加載速率有很大的聯(lián)系，其抗壓強度及彈性模量均隨著加載速率增大呈冪指數(shù)增大。

以往的研究對CA砂漿動態(tài)力學(xué)性能的認(rèn)識更深入，但大多數(shù)研究都在無初始靜載條件下進(jìn)行，而實際的水泥乳化瀝青砂漿填充層是在承受一定的靜態(tài)荷載的情況下再承受列車動荷載。因此需要研究初始靜態(tài)荷載下CA砂漿的動態(tài)抗壓特性，本文在WDW系列電子萬能材料試驗系統(tǒng)上對CA砂漿試件進(jìn)行不同應(yīng)變率和不同預(yù)加初始靜態(tài)荷載下的單軸壓縮試驗，分析CA砂漿的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€、抗壓強度、彈性模量和臨界應(yīng)變受初始靜態(tài)荷載的影響規(guī)律，這對復(fù)雜應(yīng)力路徑下板式無砟軌道進(jìn)行準(zhǔn)確分析具有重要意義。

1 試驗過程

1.1 試驗設(shè)備

本文的試驗在WDW系列微機控制電子萬能材料試驗系統(tǒng)上進(jìn)行，該系統(tǒng)在試驗過程中全程采用計算機控制，伺服電機驅(qū)動，精密滾珠絲杠機械加載，傳感器測量信號，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后由計算機采集。該設(shè)備的位移量測精度為1× 10－3mm，能滿足試驗的精度要求。

1.2 試件制備

試驗采用圓柱體試件，試件尺寸直徑為50 mm ×50 mm，CA砂漿的原材料及力學(xué)性能均滿足《客運專線鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》的要求。CA砂漿的原材料如下:水泥乳化瀝青砂漿專用干料:24 h體積膨脹率為2.1%，7 d線膨脹率為0.1%，1d抗壓強度為6.89 MPa;改性陽離子乳化瀝青:固含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62.1%，黏度、針入度、延度等均滿足要求;新拌CA砂漿性能:J型漏斗流下時間為24 s，分離度為0.2%;硬化CA砂漿性能:1 d抗壓強度0.1 MPa，28 d抗壓強度大于1.8 MPa，均符合要求，拌合用水為自來水。所有試件均在實驗室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d。

1.3 試驗方案及過程

試驗方案包括2種:(1)研究不同應(yīng)變速率對CA砂漿單軸抗壓性能的影響，綜合考慮試驗設(shè)備條件，取應(yīng)變速率為1×10－5，1×10－4，1×10－3和1×10－2/s，取1×10－5/s作為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率; (2)研究不同初始靜態(tài)荷載對CA砂漿動態(tài)抗壓性能的影響。設(shè)定初始預(yù)加靜態(tài)荷載分別為CA砂漿準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強度的30%，60%和90%。實測得到的初始預(yù)加靜態(tài)荷載分別為0.688，1.376和2.064 MPa。先以較低的應(yīng)變速率R1(=1×10－5/ s)加載到預(yù)定的荷載值，然后再以較高的應(yīng)變速率R2(=1×10－2/s)加載至破壞。

試件與加載板之間采用滑石粉進(jìn)行減摩處理，試驗過程分3個步驟完成:(1)試驗時將試件安裝在萬能試驗機的加載板之間，調(diào)整加載頭靠近試件，但不施加作用力;(2)通過計算機控制，使加載頭以設(shè)定的應(yīng)變率施加到設(shè)定的預(yù)加荷載值(本文試驗為50 N)，預(yù)加載完畢后開始正式加載;(3)正式加載。按照試驗要求，采用計算機控制加載頭加載，同時采集軸向位移和荷載值。試驗完畢，取出試件。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 強度特性

文中定義準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率(1×10－5/s)下CA砂漿的極限抗壓強度為靜態(tài)抗壓強度，而其他高應(yīng)變速率對應(yīng)的極限抗壓強度定義為CA砂漿的動態(tài)抗壓強度，試驗測得CA砂漿在單調(diào)荷載下的抗壓強度見圖1。從實測的強度值可以得出，單調(diào)加載下CA砂漿的抗壓強度隨應(yīng)變速率的增加而提高，CA砂漿的抗壓強度與應(yīng)變速率對數(shù)呈指數(shù)關(guān)系。

圖1 CA砂漿強度比與應(yīng)變速率對數(shù)比的關(guān)系Fig.1 Relationship between strength ratio of CA mortar and log ratio of strain rates

采用如下方程來模擬其關(guān)系:

式中:ε為當(dāng)前應(yīng)變速率;εs為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率，本文取1×10－5/s;fas為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率R1單調(diào)加載至破壞的強度平均值;a，b為材料參數(shù)，通過擬合得到。

采用最小二乘法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到:a =0.144，b=0.056，R2=0.999。

有初始靜態(tài)荷載作用條件下的實測強度值以及以2種應(yīng)變速率(R1和R2)單調(diào)加載的試驗結(jié)果如表1所示。

表1 試驗結(jié)果Table 1 Test results

通過分析數(shù)據(jù)可得，隨著初始靜態(tài)荷載的增加，CA砂漿的動態(tài)抗壓強度有降低的趨勢。當(dāng)初始靜態(tài)預(yù)加荷載較小時，降低幅度較小;隨著初始預(yù)加靜態(tài)荷載的增加，這種趨勢越來越明顯;預(yù)加靜態(tài)荷載值接近靜態(tài)的破壞強度時，動態(tài)強度下降顯著。

為描述初始荷載值與CA砂漿動態(tài)極限抗壓強度之間的關(guān)系，文中分別采用二次多項式、指數(shù)方程、對數(shù)方程等對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，對比發(fā)現(xiàn)如下的方程能更準(zhǔn)確地反映這一變化規(guī)律:

式中:f為不同工況下CA砂漿的極限動態(tài)抗壓強度;fad為在高應(yīng)變速率R2(=1×10－2/s)下單調(diào)加載至破壞時的平均強度;fas為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率R1(=1×10－5/s)單調(diào)加載至破壞的強度平均值;σ0為預(yù)加的初始靜態(tài)荷載值;γ，β為與應(yīng)變速率大小及材料性質(zhì)相關(guān)的參數(shù)。

采用最小二乘法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得:γ= 1.28，β=19.4;R2=0.999。如圖2所示，擬合效果非常好。

圖2 不同初始靜態(tài)荷載與CA砂漿強度的關(guān)系Fig.2 Relationship between strength of CA mortar and different initial static load

這一現(xiàn)象說明，當(dāng)CA砂漿有初始靜態(tài)荷載作用時，CA砂漿的動態(tài)強度不僅與破壞時的荷載形式有關(guān)，還與靜態(tài)荷載的作用歷史有關(guān)。靜態(tài)荷載作用時間越長，對CA砂漿產(chǎn)生的影響越明顯，其動態(tài)強度也越低。CA砂漿速率敏感性的產(chǎn)生與CA砂漿內(nèi)的乳化瀝青的黏滯性、瀝青網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的橫向慣性約束作用以及CA砂漿破壞形式的改變有關(guān)。在準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下，隨著荷載的增加，CA砂漿內(nèi)部微裂紋不斷發(fā)展，裂縫選擇在該應(yīng)變速率下最為薄弱的路徑發(fā)展、貫通。在較高應(yīng)變速率下，由于應(yīng)變速率的改變，在現(xiàn)有狀態(tài)裂縫的發(fā)展不再沿著原來應(yīng)變速率下所選的薄弱路徑發(fā)展繼續(xù)發(fā)展，而是選擇當(dāng)前的最薄弱路徑進(jìn)行發(fā)展。應(yīng)變速率越高，微裂縫通過試件內(nèi)部較高強度區(qū)域的可能性越大。這是因為應(yīng)變速率增大后，穿越較高強度區(qū)域的路徑較短，所消耗的能量可能更少，另外由于CA砂漿是一種瀝青網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而這種瀝青網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的橫向慣性約束將阻礙裂紋的擴展速度，從而導(dǎo)致CA砂漿宏觀強度的提高。

2.2 變形特性

無初始荷載條件下的CA砂漿的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖3所示。從圖3可見，不同應(yīng)變速率下CA砂漿的應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀相似，但CA砂漿的峰值應(yīng)力及峰值應(yīng)力處的應(yīng)變值均隨應(yīng)變速率的提高而增大。

圖3 不同應(yīng)變速率下CA砂漿的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress－strain curve of CAmortar in different strain rates

采用應(yīng)力應(yīng)變曲線上達(dá)到峰值應(yīng)力1/3處的割線模量作為CA砂漿試件的彈性模量，即:

式中:E1/3為1/3峰值應(yīng)力處的割線模量;σ1/3為1/3峰值應(yīng)力處的應(yīng)力;σ0為初始應(yīng)力值;ε1/3為σ1/3所對應(yīng)的應(yīng)變值;ε0為初始應(yīng)變值。不同應(yīng)變速率下CA砂漿彈性模量見圖4。

圖4 不同應(yīng)變速率下CA砂漿的彈性模量Fig.4 Elasticitymodulus of CAmortar in different strain rates

從圖4可見，CA砂漿的彈性模量隨應(yīng)變速率的增大而顯著增大，且與應(yīng)變速率呈冪指數(shù)的關(guān)系，可用y=44.94+320.13x0.365表示，擬合優(yōu)度R2=0.999;其中:y為不同應(yīng)變速率下CA砂漿的彈性模量;x為應(yīng)變速率。

當(dāng)CA砂漿先承受一定的初始靜態(tài)荷載時，其應(yīng)力應(yīng)變曲線與無初始靜態(tài)荷載加載狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變曲線形式有明顯區(qū)別，不同預(yù)加靜態(tài)荷載下CA砂漿的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖5。圖中，εp為不同應(yīng)變速率下CA砂漿峰值應(yīng)力處的應(yīng)變;fas為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率R1(=1×10－5/s)單調(diào)加載至破壞的強度平均值。

圖5 典型應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.5 Typical stress－strain curve

由圖5可見:在發(fā)生應(yīng)變速率改變的位置，應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率發(fā)生變化。隨著預(yù)加靜態(tài)荷載增大，CA砂漿應(yīng)力應(yīng)變曲線上升段從應(yīng)變速率改變位置開始呈直線上升，且預(yù)加靜態(tài)荷載越大，該直線段越長，同時CA砂漿應(yīng)力應(yīng)變曲線下降段的應(yīng)力降低越快。一旦有預(yù)加初始靜態(tài)荷載，在施加動態(tài)荷載后，CA砂漿的切線彈性模量遠(yuǎn)大于相應(yīng)的無初始靜態(tài)荷載條件下的切線模量，因此在板式無砟軌道的動力計算中應(yīng)該考慮初始靜態(tài)荷載對CA砂漿動力特性的影響。預(yù)加初始靜態(tài)荷載對CA砂漿峰值應(yīng)力處的應(yīng)變值的影響沒有發(fā)現(xiàn)明顯的規(guī)律。

3 結(jié)論

(1)CA砂漿具有明顯的應(yīng)變速率敏感性，隨著應(yīng)變速率的增加，CA砂漿的單軸抗壓強度及彈性模量均呈指數(shù)增大，CA砂漿峰值應(yīng)力處的應(yīng)變值隨應(yīng)變速率的增加而增大，但變化幅度較小;

(2)預(yù)加初始靜態(tài)荷載對CA砂漿的動態(tài)性能產(chǎn)生重要的影響。隨著預(yù)加靜態(tài)荷載的增加，CA砂漿的動態(tài)抗壓強度趨于降低;

(3)在加載過程中，當(dāng)應(yīng)變速率發(fā)生改變時，CA砂漿的彈性模量相應(yīng)發(fā)生變化，存在預(yù)加初始靜態(tài)荷載時CA砂漿彈性模量的變化規(guī)律應(yīng)該引起足夠重視。

［1］Coenraad E.Recent development in slab track［J］.European Railway Review，2003，9(2):81－85.

［2］Shigeru M，Hideyuki T，Massao U，et al.The mechanism of railway tracks［J］.Japan Railway and Transportation Review，1998，15(3):38－45.

［3］Katsuoshi A.Development of slab tracks for Hokuriku Shinkansen line［J］.Quarterly Report of RITI，2001，42 (1):35－41.

［4］Murata O.Overview of recent structure technology R＆D at RTRI［J］.Quarterly Report of RTRI，2003，44(4): 133－135.

［5］Song H，Do J，Soh Y.Feasibility study of asphalt－modifiedmortars using asphaltemulsion［J］.Construction and Building Materials，2006，20(5):332－337.

［6］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(xué)報，2013，16 (2):345－348.

ZENG Xiaohui，XIE Youjun，DENG Dehua，et al.Vibration adsorption and separation capacities of CA mortar［J］.Journal of Building Materials，2013，16(2):345－348.

［7］徐浩，王平，曾曉輝.高速鐵路板式無砟軌道CA砂漿研究現(xiàn)狀與展望［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2013(11):1－5.

XU Hao，WANG Ping，ZENG Xiaohui.Present research situation and prospect of CA mortar used in slab ballastless track of high－speed railway［J］.Railway Standard Design，2013(11):1－5.

［8］趙坪銳，劉學(xué)毅.板式軌道動力特性分析及參數(shù)研究［J］.鐵道建筑，2004(5):84－95.

ZHAO Pingrui，LIU Xueyi.Analysis on dynamic performance for slab track and its parameter research［J］.Railway Engineering，2004(5):84－95.

［9］蔡成標(biāo)，翟婉明，王開云.高速列車與橋上板式軌道動力學(xué)仿真分析［J］.中國鐵道科學(xué)，2004，25(5):57－60.

CAIChengbiao，ZHAIWanming，WANG Kaiyun.Dynamic simulation of interactions between high－speed train and slab track laid on bridge［J］.China Railway Science，2004，25(5):57－60.

［10］王發(fā)洲，劉志超，胡曙光.加載速率對CA砂漿抗壓強度的影響［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，34(10): 1059－1065.

WANG Fazhou，LIU Zhichao，HU Shuguang.Influence of loading rate on compressive strength of CA mortar［J］.Journal of Beijing University of Technology，2008，34(10):1059－1065.

［11］LIU Yongliang，KONG Xiangming，ZHANG Yanrong，et al.Static and dynamic mechanical properties of cement－asphalt composites［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2013，25(10):1489－1497.

［12］孔祥明，劉永亮，閻培渝.加載速率對水泥瀝青砂漿力學(xué)性能的影響［J］.建筑材料學(xué)報，2010，13(2): 187－192.

KONG Xiangming，LIU Yongliang，YAN Peiyu.Influence of loading rate on mechanical properties of cement asphalt mortars［J］.Journal of building materials，2010，13(2):187－192.

［13］謝友均，曾曉輝，鄧德華，等.鐵路無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿力學(xué)性能［J］.建筑材料學(xué)報，2010，13 (4):483－487.

XIE Youjun，ZENG Xiaohui，DENG Dehua，et al.Mechanical characteristics of china railway track system (CRTS)Ⅰtype slab tracks CA mortar under different strain rates［J］.Journal of buildingmaterials，2010，13 (4):483－487.

［14］劉永亮，孔祥明，鄒炎，等.水泥瀝青砂漿的靜動態(tài)力學(xué)行為［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2009，6(3):1－7.

LIU Yongliang，KONG Xiangming，ZOU Yan，et al.Static and dynamicmechanical behavior of cementasphaltmortars［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2009，6(3):1－7.