兩種高速鐵路用水泥乳化瀝青砂漿力學(xué)性能比較研究

吳韶亮，李洪剛，賈恒瓊，劉子科，魏曌

(中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京100081)

兩種高速鐵路用水泥乳化瀝青砂漿力學(xué)性能比較研究

吳韶亮，李洪剛，賈恒瓊，劉子科，魏曌

(中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京100081)

對高速鐵路建設(shè)過程中使用的兩種水泥乳化瀝青砂漿的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示:CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿具有明顯的黏彈特性、較低的彈性模量和較大的折壓比，其可以通過彈性變形來實現(xiàn)應(yīng)力緩沖;CRTSⅡ型水泥乳化瀝青砂漿具有較高的強(qiáng)度和彈性模量，以及較低的折壓比，因其瀝青含量較低，黏彈特性不明顯，應(yīng)力緩沖性能相對較差，結(jié)構(gòu)完整性保持能力相對較低。

高速鐵路 水泥乳化瀝青砂漿 力學(xué)性能

在高速鐵路和客運專線建設(shè)中，水泥乳化瀝青砂漿墊層作為板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部分，主要起到支撐、調(diào)整并提供彈韌性等作用。為了滿足軌道設(shè)計中的力學(xué)性能要求，在材料研究過程中分別形成了高瀝青含量的CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿(瀝青水泥質(zhì)量比約0.7～1.0)和低瀝青含量的CRTSⅡ型水泥乳化瀝青砂漿(瀝青水泥質(zhì)量比約0.3)。兩種砂漿組成中瀝青水泥質(zhì)量比的不同必然導(dǎo)致砂漿各種性能的差異［1-5］。本文對兩種砂漿的部分力學(xué)性能進(jìn)行了試驗研究。

1 試驗

1.1 主要原材料

乳化瀝青采用自主研發(fā)的SL-1型高鐵乳化瀝青;水泥采用海螺P.Ⅱ52.5硅酸鹽水泥;砂為分別滿足科技基［2008］74號《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》和《客運專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》要求的機(jī)制砂;聚合物乳液為固含量46.7%的TD-08型聚合物乳液;減水劑為高效聚羧酸減水劑。

1.2 主要試驗設(shè)備

攪拌容量16.5 L的25AM-Qr中型砂漿攪拌機(jī)，攪拌速度可調(diào);微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)。

1.3 試樣制備

按照表1中的砂漿配合比，通過適當(dāng)調(diào)整制備工藝，分別制備出性能滿足科技基［2008］74號《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》和《客運專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》要求的兩種水泥乳化瀝青砂漿，并成型φ50 mm×50 mm，40 mm× 40 mm×160 mm，100 mm×100 mm×300 mm等砂漿試件，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量等性能測試。

表1 試驗中CRTSⅠ型、CRTSⅡ型水泥乳化瀝青砂漿各原材料質(zhì)量比

1.4 力學(xué)性能的測試

1)彈性模量的測試

參照《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》附錄D(方法1)對達(dá)到28 d齡期的φ50 mm×50 mm的CRTSⅠ型、CRTSⅡ型砂漿試件進(jìn)行彈性模量測試。

參照《客運專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》附錄Ⅰ(方法2)對達(dá)到28 d齡期的100 mm×100 mm×300 mm的CRTSⅠ型、CRTSⅡ型砂漿試件進(jìn)行彈性模量測試。

2)折壓比的測試

試驗中分別對達(dá)到28 d齡期的40 mm×40 mm×160 mm兩種水泥乳化瀝青砂漿試件以1.0 mm/min的加載速率進(jìn)行抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度測試，然后計算折壓比。

3)應(yīng)力—應(yīng)變性能與應(yīng)力緩沖性能的測試

對達(dá)到28 d齡期的φ50 mm×50 mm的兩種砂漿試件以1.0 mm/min的加載速率進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，直至砂漿試件破壞，由此得到砂漿的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

分別以應(yīng)力—應(yīng)變曲線最大抗壓強(qiáng)度處的位移值作為兩種砂漿應(yīng)力緩沖性能測試的壓縮形變，對同批次的試件以1.0 mm/min的速率進(jìn)行應(yīng)力加載，直至加載位移達(dá)到指定壓縮形變時，在此位移下力保載約10 min，記錄試件隨時間所受應(yīng)力的變化得到應(yīng)力緩沖曲線。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 兩種水泥乳化瀝青砂漿的彈性模量

不同方法測得的兩種水泥乳化瀝青砂漿的彈性模量結(jié)果見表2。

表2 不同方法測得的兩種砂漿的彈性模量結(jié)果

由表2可見:同一類型的砂漿，采用方法1、方法2測量的彈性模量相差十多倍;兩種類型的砂漿采用方法1、方法2測量的彈性模量也分別相差146 MPa和6880 MPa。這是因為采用方法1測試時，砂漿受到的應(yīng)力在0～0.1 MPa之間變化，相對于砂漿能承受的最大應(yīng)力，此時兩種砂漿受到的應(yīng)力較小，均處于彈性形變范圍內(nèi)，因而兩種砂漿的彈性模量差異不明顯。而采用方法2測試時，砂漿受到的應(yīng)力在0～1/3最大應(yīng)力之間變化，此時砂漿受到的應(yīng)力較大，CRTSⅠ型砂漿由于結(jié)構(gòu)中的瀝青含量較高，瀝青與無機(jī)材料彼此形成了較為完整的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，從而具有了類似瀝青的“蠕變”性能，在受到較大應(yīng)力時會通過“蠕變”來緩沖受到的作用力，產(chǎn)生的應(yīng)變較大，因而彈性模量較小;而CRTSⅡ型水泥乳化瀝青砂漿中瀝青含量低，整體性能接近無機(jī)膠凝材料，無法通過形變來緩沖受到的應(yīng)力，產(chǎn)生的應(yīng)變較小，從而導(dǎo)致砂漿的彈性模量相對較大，因此采用方法2測得的兩種砂漿的彈性模量相差明顯。

2.2 兩種水泥乳化瀝青砂漿的折壓比

折壓比在一定程度上可以反映材料的彈性，試驗測得的兩種水泥乳化瀝青砂漿的折壓比見表3。

表3 兩種砂漿折壓比測試統(tǒng)計結(jié)果

通過試驗統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿的折壓比一般在0.6～0.7，CRTSⅡ型水泥乳化瀝青砂漿的折壓比一般在0.3左右。兩種砂漿折壓比的差異在于:在CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿結(jié)構(gòu)中，瀝青(含聚合物)與水泥的質(zhì)量比為0.7～1.0，瀝青與水泥能夠各自形成相對連續(xù)結(jié)構(gòu)，水泥為骨架，瀝青為附在骨架上的“筋”，兩種結(jié)構(gòu)纏繞在一起，從而表現(xiàn)出良好的彈性;而在CRTSⅡ型水泥乳化瀝青砂漿中，瀝青與水泥的質(zhì)量比為0.3左右，瀝青還不足以形成連續(xù)結(jié)構(gòu)，其只能以填充的形式斷斷續(xù)續(xù)地分布在水泥砂漿結(jié)構(gòu)中，瀝青提供彈性的作用得不到充分發(fā)揮，砂漿整體以剛性為主，因而其彈性相對較低。

2.3 兩種水泥乳化瀝青砂漿的應(yīng)力—應(yīng)變性能

砂漿的應(yīng)力—應(yīng)變性能反映了其在軸壓荷載作用下砂漿內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生、擴(kuò)展過程。兩種砂漿的應(yīng)力—應(yīng)變曲線見圖1。

圖1 兩種砂漿的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

由圖1可知，兩種水泥乳化瀝青砂漿的破壞曲線不同，相對于CRTSⅡ型水泥乳化瀝青砂漿，CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿的應(yīng)力—應(yīng)變曲線在應(yīng)力破壞點之后沒有陡降，而是緩慢下降。這正是由于高瀝青水泥比下，砂漿體系中的水泥“骨架”與瀝青“筋”形成連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并相互纏繞形成了具有彈韌性的無機(jī)—有機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)，從而使得CRTSⅠ型砂漿達(dá)到應(yīng)力破壞點之后仍能依靠結(jié)構(gòu)的蠕變來保持應(yīng)力的緩慢下降;而CRTSⅡ型砂漿由于瀝青水泥比低，達(dá)到應(yīng)力破壞點之后在無機(jī)水泥結(jié)構(gòu)與有機(jī)瀝青結(jié)構(gòu)的界面容易發(fā)生剝離，從宏觀上表現(xiàn)為砂漿試件的粉化剝落、碎裂等，結(jié)構(gòu)破壞從而導(dǎo)致應(yīng)力陡降?？梢?，兩者相比較，CRTSⅠ型砂漿具有較好的彈性，能夠較好地起到應(yīng)力緩沖的作用。

2.4 兩種水泥乳化瀝青砂漿的應(yīng)力緩沖性能

兩種水泥乳化瀝青砂漿在組成上均是有機(jī)—無機(jī)復(fù)合材料，其在一定程度上會體現(xiàn)出瀝青黏彈特性，在荷載作用下會隨時間變化產(chǎn)生變形(蠕變)，即在固定壓縮形變條件下會產(chǎn)生應(yīng)力松弛，見圖2。正是由于具有這種應(yīng)力緩沖性能，才保證了列車運營的平順性以及旅客的舒適性。

圖2 兩種砂漿的應(yīng)力緩沖曲線

由圖2可以看出，當(dāng)砂漿試件壓縮變形量為定值時，CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿在加載數(shù)分鐘后，應(yīng)力由初始的6.18 MPa急劇下降至2.78 MPa，應(yīng)力衰減率55%，此后達(dá)到黏彈性體的穩(wěn)定階段，砂漿試件外觀完整、無碎裂，符合黏彈性體的力學(xué)特性;而CRTSⅡ型水泥乳化瀝青砂漿在加載數(shù)分鐘后，應(yīng)力由初始的17.57 MPa急劇下降至13.37 MPa，應(yīng)力衰減率為24%，此時砂漿試件受力面開始出現(xiàn)微小裂紋?？梢奀RTSⅠ型砂漿的應(yīng)力衰減率明顯高于CRTSⅡ型砂漿，這種應(yīng)力衰減對緩和充填層砂漿長期作用的恒載、材料干燥收縮以及溫差引起的應(yīng)力是有利的。

3 結(jié)語

為了滿足不同軌道力學(xué)性能要求而制成的兩種砂漿，雖然其均為瀝青與水泥形成的無機(jī)—有機(jī)復(fù)合體系，但其力學(xué)性能差異較大。CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿以其較高的瀝青含量，具有明顯的黏彈特性，在應(yīng)力作用下可以通過“蠕變”使得砂漿結(jié)構(gòu)不易碎裂破壞，在固定形變時可通過其較高的應(yīng)力衰減率實現(xiàn)應(yīng)力緩沖等。而CRTSⅡ型水泥乳化瀝青砂漿具有較高的強(qiáng)度和彈性模量，能夠滿足高荷載軌道的需要，但其瀝青含量較低，導(dǎo)致其黏彈特性不明顯，因而應(yīng)力緩沖性能相對較差，結(jié)構(gòu)完整性保持能力相對較低。

［1］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．

［2］吳韶亮，李海燕，邵丕彥，等．CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿的力學(xué)性能試驗研究［J］．鐵道建筑，2012(12):129-132．

［3］謝友均，曾曉輝，鄧德華，等．鐵道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):483-486．

［4］中華人民共和國鐵道部．科技基［2008］74號客運專線鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件［S］．北京:中國鐵道出版社，2008．

［5］中華人民共和國鐵道部．科技基［2008］74號客運專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件［S］．北京:中國鐵道出版社，2008．

Comparative study on mechanical performance of two kinds of emulsified asphalt mortar used in high speed railway

WU Shaoliang，LI Honggang，JIA Hengqiong，LIU Zike，WEI Zhao
(Metal and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T he paper looks into twp kinds of emulsified asphalt mortar for high speed railway and reaches the following conclusions．Considering the plausible viscoelasticity，the relatively low elastic modulus and the high ratio of flexural strength to compressive strength of CRT SⅠ，the stress buffer of the specimen can be realized via elastic deformation．W hile due to the low asphalt content and the yet visible viscoelastic performance of CRT SⅡ，the specimen with outstanding strength and elastic modulus is found poorly performed in terms of stress buffer and structural integrity．

High speed railway;Emulsified asphalt mortar;M echanical performance

TU528

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．37

1003-1995(2015)03-0134-03

(責(zé)任審編葛全紅)

2014-07-20;

2014-09-20

鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目(2013G008-A-1)

吳韶亮(1981—)，男，山東萊陽人，助理研究員，碩士。