高強(qiáng)型水泥乳化瀝青砂漿抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式

田 青，張 苗，蔡基偉，袁玉卿，鄧德華

(1.河南大學(xué)循環(huán)與功能建材實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)封 475004；2.河南大學(xué)開(kāi)封市工程修復(fù)與材料循環(huán)工程技術(shù)研究中心，開(kāi)封 475004； 3.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075)

0 引 言

水泥乳化瀝青砂漿(CA砂漿)是我國(guó)高速鐵路CRTSⅠ型和Ⅱ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)中的充填層材料，主要起著承力、傳力、幾何調(diào)整和提供阻尼的重要作用[1-3]。在板式軌道結(jié)構(gòu)中，CA砂漿充填層位于軌道板與混凝土底座板之間，既要承載軌道板以及列車(chē)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的豎向加速度，又要將上部的荷載經(jīng)過(guò)自身有效地耗散傳遞到下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，這就要求砂漿層應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度。根據(jù)CRTSⅠ型和Ⅱ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的型式與動(dòng)力學(xué)特性，原鐵道部科技司于2008年頒布的兩個(gè)暫行技術(shù)條件規(guī)定[4-5]，用于這兩種軌道結(jié)構(gòu)的CA砂漿，其28 d抗壓強(qiáng)度應(yīng)分別大于或等于1.8 MPa和15 MPa。因此，設(shè)計(jì)和制備具有指定強(qiáng)度的CA砂漿，具有重要的理論和工程意義。

CA砂漿是一種多相多組分復(fù)合材料，它由水泥、乳化瀝青、砂、水和少量添加劑等組成材料拌制成新拌砂漿，硬化后形成無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合膠凝砂漿體，主要含瀝青、水泥水化物和砂子等物相；同時(shí)，它也是一種多孔性復(fù)合材料，其內(nèi)部含有毛細(xì)孔、球形封閉孔和夾雜的空隙。因此，其力學(xué)性能與物相的組成、分布，孔隙率以及孔隙結(jié)構(gòu)等組成參數(shù)有關(guān)。Zhu等[6]將CA砂漿劃分為無(wú)數(shù)服從Weibull分布的微小單元，研究了CA砂漿的損傷統(tǒng)計(jì)本構(gòu)關(guān)系。Wang等[7]采用核磁共振和圖像法研究了CA砂漿的孔隙特征，并推導(dǎo)了CA砂漿抗壓強(qiáng)度與孔隙分布的數(shù)學(xué)關(guān)系。萬(wàn)赟等[8]分析了不同組成參數(shù)影響CA砂漿抗壓強(qiáng)度的顯著性及內(nèi)在機(jī)理，并依據(jù)艾布拉姆斯公式建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

上述研究考察了孔隙率或孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響并建立了兩者之間的定量關(guān)系，為CA砂漿力學(xué)性能的理論研究提供了有益借鑒。但有關(guān)CA砂漿抗壓強(qiáng)度與物相組成及分布，即抗壓強(qiáng)度與配合比參數(shù)的系統(tǒng)研究成果則鮮見(jiàn)報(bào)道。本文基于先前水泥瀝青膠凝材料抗壓強(qiáng)度的研究結(jié)果[9]，探究了砂含量對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響，分析了強(qiáng)度與組成結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并建立了CA砂漿抗壓強(qiáng)度與配合比參數(shù)的數(shù)學(xué)模型。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)采用江西亞?wèn)|牌P·Ⅱ 52.5R硅酸鹽水泥，相應(yīng)的物理、化學(xué)性能指標(biāo)分別見(jiàn)表1和表2，選用殼牌(天津)公司產(chǎn)陽(yáng)離子乳化瀝青，其固含量為60%。采用的細(xì)骨料為普通機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為1.8；消泡劑為有機(jī)硅類(lèi)消泡劑，拌合水為飲用自來(lái)水。

表1 水泥的物理及力學(xué)性能Table 1 Physical and mechanical properties of cement

表2 水泥的化學(xué)及礦物組成Table 2 Chemical and mineral composition of cement /wt%

1.2 試件制備

試驗(yàn)所用CA砂漿的配合比如表3所示。其中mA/mC為瀝灰比，即CA砂漿中所含瀝青與水泥質(zhì)量之比；mW/mC為水灰比，水灰比的計(jì)算中水為乳化瀝青中水與外加水之和；mS/mC為砂灰比，即砂與水泥質(zhì)量之比。試驗(yàn)采用“先濕后干”的方法進(jìn)行攪拌，先將稱(chēng)量好的水、乳化瀝青和消泡劑以50 r/min的速度拌和30 s(消泡劑的摻量為乳化瀝青質(zhì)量的1%)，然后在轉(zhuǎn)速為90 r/min時(shí)徐徐加入水泥和細(xì)砂，再以120 r/min快速攪拌120 s，最后以50 r/min慢速攪拌30 s。

表3 CA砂漿的配合比Table 3 Mix ratios design of CA mortar

將拌和好的CA砂漿注入φ50 mm×50 mm的模具中，24 h后拆模，然后置于(20±2) ℃、相對(duì)濕度90%的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至28 d。用打磨機(jī)對(duì)試件的表面進(jìn)行處理，使其上、下表面平行。當(dāng)試件的mW/mC、mA/mC均較大時(shí)，為避免離析分層對(duì)最終試驗(yàn)結(jié)果的影響，當(dāng)攪拌完成后并不立即注模，將砂漿在攪拌鍋中放置，并間隔一段時(shí)間(約15 min)進(jìn)行手工攪拌以及觀(guān)察砂漿的狀態(tài)，待砂漿的粘稠程度增加，底部無(wú)積砂、上部無(wú)明水時(shí)，再進(jìn)行灌注。

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)不同組成的CA砂漿進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，參照文獻(xiàn)[9]的試驗(yàn)方法，測(cè)試各配合比試件的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€(xiàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 砂含量對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

在組成上，與水泥瀝青復(fù)合膠凝材料(CA膠凝材料)相比，CA砂漿中添加了砂，砂是CA砂漿中的唯一骨料，能提供一定強(qiáng)度，同時(shí)可使得單位體積水泥及瀝青用量下降，降低生產(chǎn)成本，提高體積穩(wěn)定性[10]。為考察不同砂含量對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)中保持mA/mC=0.3、mW/mC=0.55不變，mS/mC分別取為0.8、1.2、1.6、2.0、2.4，不同mS/mC的CA砂漿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖1所示，具體的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同配合比CA砂漿的抗壓強(qiáng)度Table 4 Compressive strength of CA mortar with different mix ratios

圖1 不同mS/mC的CA砂漿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.1 Stress-strain curves of CA mortar with different mS/mC

由表4和圖1可知，mS/mC由0.8增加到2.4，抗壓強(qiáng)度的最大波動(dòng)幅度僅為6.65%，即當(dāng)mS/mC在0.8～2.4之間變動(dòng)時(shí)，CA砂漿的抗壓強(qiáng)度無(wú)明顯變化，說(shuō)明在水泥瀝青復(fù)合膠凝材料充足的情況下，砂可以起到一定的骨架作用，但對(duì)CA砂漿的力學(xué)性能影響相對(duì)較小。

分析砂含量對(duì)CA砂漿力學(xué)性能影響時(shí)，可將CA砂漿看作兩相材料，即砂分散在CA膠凝材料中。一方面，由于砂的力學(xué)性能遠(yuǎn)高于CA膠凝材料，CA砂漿可視為一種顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。砂的存在限制了基體的變形，影響了系統(tǒng)中應(yīng)力與應(yīng)變的分布，增加了體系的彈性能[11-12]。另外，由于砂在CA膠凝材料中近似呈均勻三維亂向分布，對(duì)瀝青變形或裂縫擴(kuò)展起到了一定的阻礙作用，從而砂對(duì)CA膠凝材料產(chǎn)生增強(qiáng)效果，隨著砂含量的增加，CA砂漿的力學(xué)性能不斷提高。另一方面，在微觀(guān)水平上，鄰近砂的CA膠凝材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)通常與體系中的CA膠凝材料本身有非常大的差異，即CA膠凝材料與砂的界面是CA砂漿中的強(qiáng)度薄弱區(qū)[13]。隨著mS/mC的增大，砂與CA膠凝材料之間的界面增多，從而弱化了CA砂漿的力學(xué)性能。

在這兩種作用的綜合影響下，隨著mS/mC的增大，CA砂漿的強(qiáng)度雖有所增加，但并不明顯。

2.2 CA砂漿抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式

圖2 CA砂漿內(nèi)的界面過(guò)渡區(qū)Fig.2 Organic-inorganic interface in CA mortar

CA砂漿可視為由水泥與乳化瀝青構(gòu)成的復(fù)合膠凝材料膠結(jié)細(xì)砂硬化而成，其中CA膠凝材料為連續(xù)相，細(xì)砂無(wú)規(guī)則分散其中。此外，由于CA膠凝材料與砂之間顯著的性質(zhì)差異，兩者之間存在明顯的界面過(guò)渡區(qū)，如圖2所示。

在微觀(guān)尺度上，可以將CA砂漿視為一種三相復(fù)合材料：CA膠凝材料、砂以及兩者之間的界面過(guò)渡區(qū)。由于砂的力學(xué)性能遠(yuǎn)高于CA膠凝材料及界面過(guò)渡區(qū)，從而CA砂漿的力學(xué)性能主要取決于復(fù)合膠凝材料本身和膠凝材料與砂的界面性能[10]。而界面相的性能主要受mW/mC與mA/mC的影響，mW/mC、mA/mC越小，則CA膠凝材料中的瀝青含量越少，孔隙率越小，其強(qiáng)度越高，與骨料的粘結(jié)力越大，CA砂漿的強(qiáng)度也越高。

基于上述分析，CA砂漿的強(qiáng)度主要與CA膠凝材料的強(qiáng)度、mW/mC和mA/mC有關(guān)，根據(jù)水泥基材料的Bolomey公式[14]：

fcu=αafce(mW/mC+αb)

(1)

式中，fcu為混凝土的抗壓強(qiáng)度，MPa；fce為水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度，MPa；αa、αb為回歸系數(shù)。

本文提出了CA砂漿的抗壓強(qiáng)度公式：

σCAM=k1σCA(mW/mC+mA/mC+k2)

(2)

式中，σCAM為CA砂漿的抗壓強(qiáng)度，MPa；σCA為CA膠凝材料的抗壓強(qiáng)度，MPa；k1、k2為方程參數(shù)。

將試驗(yàn)所得的CA膠凝材料的強(qiáng)度數(shù)據(jù)(文獻(xiàn)[9])與CA砂漿的強(qiáng)度數(shù)據(jù)(表4)以及相應(yīng)的mW/mC、mA/mC值代入式(2)中，計(jì)算得到k1=-0.899 4，k2=-1.715 7。依據(jù)已推導(dǎo)得到的CA膠凝材料抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式[9]，則CA砂漿抗壓強(qiáng)度的表達(dá)式為：

(3)

式中，Vp為孔隙率，%；Va為瀝青的體積分?jǐn)?shù)，%；α為水泥水化度，α與養(yǎng)護(hù)條件和齡期有關(guān)，當(dāng)試件在合適的溫度和濕度下養(yǎng)護(hù)較長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，可認(rèn)為接近完全水化[15]。

2.3 模型的驗(yàn)證

為驗(yàn)證式(3)的準(zhǔn)確性，代入文獻(xiàn)[8,13,16-17]中的mA/mC、mW/mC值，由公式(3)得到的計(jì)算值與文獻(xiàn)中強(qiáng)度值的對(duì)比結(jié)果如表5所示，對(duì)比曲線(xiàn)如圖3所示。

由表5及圖3可知，計(jì)算值與參考值間整體符合良好，兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.904 3。抗壓強(qiáng)度是CA砂漿的重要性能指標(biāo)，過(guò)去，因缺乏CA砂漿抗壓強(qiáng)度與配合比參數(shù)間的研究，其抗壓強(qiáng)度一般需通過(guò)大量的試驗(yàn)確定。公式(3)能夠有效反映CA砂漿的抗壓強(qiáng)度與其主要配合比參數(shù)mA/mC、mW/mC間的定量關(guān)系，對(duì)CA砂漿的理論研究與工程應(yīng)用有重要的參考及指導(dǎo)作用。

表5 計(jì)算值與測(cè)試值的對(duì)比Table 5 Comparison of experimental results and calculated results

圖3 計(jì)算值與測(cè)試值的對(duì)比
Fig.3 Comparison of experimental results and calculated results

3 結(jié) 論

(1)在CA膠凝材料充足的情況下，砂可以起到一定的骨架作用，但對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響較小。

(2)高強(qiáng)型CA砂漿的強(qiáng)度主要取決于CA膠凝材料的強(qiáng)度和膠凝材料與砂的界面性能，mW/mC、mA/mC越小，CA膠凝材料與界面相的強(qiáng)度越高。

(3)依據(jù)水泥基材料的Bolomey公式提出了高強(qiáng)型CA砂漿抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式，且經(jīng)與他人文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，公式具有良好的普適性。