徐 浩，王 平

（1.中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

水泥乳化瀝青砂漿（CA 砂漿）是由水泥、乳化瀝青、細(xì)砂、水和鋁粉等構(gòu)成的一種有機(jī)－無(wú)機(jī)復(fù)合材料，填充于CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道系統(tǒng)的軌道板與混凝土底座板之間，起支承、調(diào)整、吸振和減振等作用，是板式無(wú)砟軌道系統(tǒng)的關(guān)鍵功能材料之一［1－5］.CA 砂漿層在列車行駛過(guò)程中處于動(dòng)態(tài)加載過(guò)程，因此有必要研究CA 砂漿在應(yīng)變速率下的力學(xué)性能變化規(guī)律.王發(fā)洲等［6－8］通過(guò)測(cè)試不同加載速率下CA 砂漿的抗壓強(qiáng)度，認(rèn)為CA 砂漿的抗壓強(qiáng)度隨加載速率增大而呈增大趨勢(shì)，兩者基本呈線性關(guān)系，且瀝青含量越低，這種趨勢(shì)越明顯.謝友均等［9］通過(guò)增加加載速率工況，得出CA 砂漿的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、峰值應(yīng)力處的應(yīng)變均與加載速率成指數(shù)增大.劉永亮等［10］的研究表明CA 砂漿的動(dòng)態(tài)模量隨加載頻率的增大而增大，在同一頻率下CA砂漿的動(dòng)態(tài)模量隨乳化瀝青與水泥質(zhì)量比的增大而減小.謝冰［11］對(duì)CA 砂漿的疲勞剩余強(qiáng)度進(jìn)行了研究，認(rèn)為CA 砂漿的疲勞剩余強(qiáng)度隨著疲勞荷載次數(shù)、穩(wěn)態(tài)荷載值及荷載頻率的增大而降低.

雖然對(duì)于CA砂漿的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了不少研究，但是由于CA 砂漿承受列車荷載的重復(fù)加載，鮮有研究應(yīng)力水平與應(yīng)變速率共同作用對(duì)CA 砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓特性影響的報(bào)道.肖詩(shī)云等［12－13］研究了應(yīng)變速率與應(yīng)力加載水平對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)受壓特性和損傷特性的影響.本文借鑒其研究混凝土材料的方法，在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)經(jīng)歷不同應(yīng)力水平的CA 砂漿試件進(jìn)行不同應(yīng)變速率下的動(dòng)態(tài)抗壓試驗(yàn)，著重分析應(yīng)變速率和應(yīng)力水平對(duì)CA 砂漿的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€、動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、彈性模量和臨界應(yīng)變的影響規(guī)律.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

CA 砂漿干料由P·Ⅱ42.5R 硅酸鹽水泥、細(xì)砂和其他添加劑等混合而成，其干料基本配合比1）文中涉及的配合比、固含量等除特別說(shuō)明外均為質(zhì)量比或質(zhì)量分?jǐn)?shù).為m（水泥）∶m（細(xì)砂）∶m（膨脹劑）＝1.0∶2.0∶0.1，24h體積膨脹率為2.1%，7d線膨脹率為0.1%，1d抗壓強(qiáng)度為6.89 MPa.乳化瀝青的固含量為62.1%，恩氏黏度（25℃）為8.0，1.18mm 篩篩余為0%，1，5d 貯 存 穩(wěn) 定 性（25℃）分 別 為0.3%，3.2%，水泥混合性為0.3%，針入度（25℃，100g）為7.85mm，在三氯乙烯中的溶解度為98%，5，15℃時(shí)的延度分別為26.5，61.2cm，以上性能均滿足《客運(yùn)專線鐵路CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》.CA 砂漿的配合比為m（干料）∶m（乳化瀝青）∶m（水）＝1 100∶515∶50.新拌CA 砂漿的J型漏斗流下時(shí)間為24s，分離度為0.2%.拌和水為自來(lái)水.

1.2 試件制備

按給定的CA 砂漿配合比，先將乳化瀝青和水投入攪拌鍋內(nèi)慢速攪勻，并在慢速攪拌的條件下緩緩加入干料，干料加完之后快速攪拌3min，再慢速攪拌1min.然后按照《客運(yùn)專線鐵路CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》規(guī)定的方法測(cè)得新拌CA 砂漿的流動(dòng)度為24s，表觀密度為1 610kg／m3，含氣量（體積分?jǐn)?shù)）為8.2%.將新拌CA 砂漿注入尺寸為φ50×50mm 的塑料模具中，成型100個(gè)試件，并將其置于（23±2）℃、相對(duì)濕度為（65±5）%的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)24h后拆模，然后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至28d后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試.

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

本文選取0.03，0.30，3.00，30.00 mm／min的加載速率，參照文獻(xiàn)［9］的試驗(yàn)方法，根據(jù)試件尺寸可得應(yīng)變速率Δε為1×10－5～1×10－2s－1，取1×10－5s－1作為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率（Δεs），對(duì)應(yīng)的CA 砂漿抗壓強(qiáng)度稱為準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度.設(shè)定應(yīng)力水平λ分別為準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的0%，30%，60%和90%.首先以0.03mm／min的加載速率加載到設(shè)定的應(yīng)力水平，循環(huán)3次后卸載至零，然后在相同的加載方向，以設(shè)定的應(yīng)變速率直接加載至試件發(fā)生破壞，試驗(yàn)時(shí)保持環(huán)境溫度為20℃.

在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷一定的荷載歷史后，CA 砂漿試件的累積塑性變形均小于0.1mm，因此計(jì)算應(yīng)變時(shí)不考慮試件累積塑性變形的影響.每組3個(gè)試件，試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值，若試驗(yàn)結(jié)果離散性較大，則增加試件數(shù)量以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性.試件受壓面與加載板之間采用滑石粉進(jìn)行減摩處理.

2 CA砂漿動(dòng)態(tài)抗壓性能分析

2.1 CA 砂漿應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€

應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€是CA 砂漿受力特性的全面體現(xiàn)，圖1為CA 砂漿應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€.從圖1 可以看出，受壓初始階段CA 砂漿處于彈性階段，隨著應(yīng)力進(jìn)一步增加，應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€發(fā)生彎曲，CA 砂漿內(nèi)部產(chǎn)生非線性變形.由圖1還可以看出，在相同的應(yīng)變速率下，隨著應(yīng)力水平的增大，CA 砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度降低，而且臨界應(yīng)變也降低.

圖1 CA 砂漿應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€Fig.1 Stress－strain full curves of CA mortars

2.2 CA 砂漿動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度

應(yīng)變速率及應(yīng)力水平對(duì)CA 砂漿動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的影響如圖2所示.

圖2 CA 砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度Fig.2 Dynamic compressive strength of CA mortar

從圖2可以看出，在相同的應(yīng)力水平下，CA 砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變速率比（Δε／Δεs）的對(duì)數(shù)呈冪函數(shù)增大，表達(dá)式如下：

式中：x＝lg（Δε／Δεs）；y 為CA 砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度；a，b，c為材料參數(shù)，可通過(guò)擬合得到.經(jīng)歷不同荷載歷史后CA 砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變速率比對(duì)數(shù)的擬合方程見圖2.

在應(yīng)力水平為0%，30%，60%和90%時(shí)，CA 砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度相比，在應(yīng)變速率為1×10－4s－1時(shí)分別提高了22.65%，20.21%，25.21%和27.98%；應(yīng)變速率為1×10－3s－1時(shí)分別提高了50.17%，50.73%，54.69%和56.01%；應(yīng)變速率為1×10－2s－1時(shí)分別提高了95.69%，93.23%，101.64%和108.02%.一般認(rèn)為CA 砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度主要來(lái)源于水泥水化與瀝青破乳膠結(jié)后瀝青薄膜包裹水泥水化產(chǎn)物等無(wú)機(jī)組分所形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［14］，而CA 砂漿的受力破壞主要是由細(xì)骨料與瀝青膠凝材料界面的剝離所導(dǎo)致的［7］.隨著應(yīng)變速率的增加，剝離沿多個(gè)界面發(fā)展，同時(shí)瀝青網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的橫向慣性約束作用也將阻礙剝離的發(fā)展進(jìn)程，從而導(dǎo)致CA 砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度提高.

從圖2還可以看出，在相同的應(yīng)變速率情況下，CA 砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)力水平的增加而降低.在應(yīng)變速率為1×10－5，1×10－4，1×10－3，1×10－2s－1時(shí)，CA 砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與λ＝0%時(shí)相比，在λ＝30% 時(shí)分別降低了0.75%，2.72%，0.38%和1.99%；在λ＝60%時(shí)分別降低了6.49%，4.54%，3.68%和3.65%；在λ＝90%時(shí)分別降低了12.03%，6.37%，6.78%和4.63%.這 是 由 于CA砂漿在不同的應(yīng)力水平下，內(nèi)部發(fā)生損傷，產(chǎn)生微小裂紋，導(dǎo)致內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化［15］，隨著應(yīng)力水平的增大，CA 砂漿內(nèi)部的損傷越來(lái)越嚴(yán)重，從而表現(xiàn)為CA 砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度降低.

2.3 CA 砂漿彈性模量

對(duì)于CA 砂漿這種黏彈性材料，一般采用割線模量來(lái)表示其彈性模量.謝友均等［9］采用0～1／3抗壓強(qiáng)度處的割線模量來(lái)表示其彈性模量，而孔祥明等［7］則采用應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€上0.3～0.5抗壓強(qiáng)度處的割線模量來(lái)表示其彈性模量.為了定量地描述彈性模量隨應(yīng)變速率的變化情況，本文采用0～1／3抗壓強(qiáng)度處的割線模量作為CA 砂漿的彈性模量（E）.通過(guò)對(duì)不同應(yīng)變速率下應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€的分析，得到CA 砂漿的平均彈性模量如表1所示.

表1 CA砂漿的平均彈性模量Table 1 Average elastic modulus of CA mortars

從表1可以看出，在應(yīng)力水平相同時(shí)，CA 砂漿的彈性模量隨著應(yīng)變速率的增加有增大的趨勢(shì).在應(yīng)變速率為1×10－4，1×10－3，1×10－2s－1時(shí)，CA砂漿的彈性模量與準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率時(shí)的彈性模量相比，在λ＝0%時(shí)分別增大了17.70%，24.56%和46.68%；在λ ＝30% 時(shí)分別增大了15.82%，42.67%和111.44%；在λ＝60%時(shí)分別增大了－8.05%，46.16%和64.34%；在λ＝90%時(shí)分別增大了27.87%，11.45%和10.03%.這是由于CA 砂漿在破壞過(guò)程中損傷總是沿著耗能最快的路徑發(fā)展，同時(shí)瀝青三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的橫向約束作用使CA砂漿抵抗變形的能力提高，導(dǎo)致CA 砂漿的彈性模量增大.

同時(shí)，從表1還可以看出，在應(yīng)變速率相同的條件下，CA 砂漿的彈性模量隨應(yīng)力水平的增大呈增大趨勢(shì).當(dāng)應(yīng)變速率從1×10－5s－1增大到1×10－2s－1時(shí)，與λ＝0%時(shí)相比，CA 砂漿的彈性模量在λ＝90%時(shí)分別增大了44.66%，57.15%，29.43%和8.51%.這是由于CA 砂漿經(jīng)過(guò)初始荷載的擠壓作用而變得更加密實(shí)，因此其彈性模量增大.

2.4 CA 砂漿臨界應(yīng)變

定義臨界應(yīng)變?yōu)镃A 砂漿在峰值應(yīng)力處的應(yīng)變，表2給出了CA 砂漿的平均臨界應(yīng)變?chǔ)與.

表2 CA砂漿的平均臨界應(yīng)變Table 2 Average critical strains of CA mortars

從表2可以看出，在應(yīng)力水平相同時(shí)，隨著應(yīng)變速率的增加，CA 砂漿的臨界應(yīng)變?cè)龃?在應(yīng)變速率為1×10－4，1×10－3，1×10－2s－1時(shí)，CA 砂漿的臨界應(yīng)變與準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率時(shí)的臨界應(yīng)變相比，在λ＝0%時(shí)分別增大了12.64%，27.58%和37.10%；在λ＝30% 時(shí)分別增大了17.82%，17.51% 和17.95%；在λ ＝60% 時(shí)分別增大了23.36%，16.46%和33.41%；在λ＝90% 時(shí)分別增大了50.52%，66.75%和94.15%.材料的臨界應(yīng)變一般包括彈性應(yīng)變和黏性應(yīng)變［12］，對(duì)于CA 砂漿這種黏彈性材料，隨著應(yīng)變速率的增加，瀝青的摻入使得CA 砂漿的黏性應(yīng)變效應(yīng)增加，從而導(dǎo)致CA 砂漿在峰值應(yīng)力處的應(yīng)變?cè)黾?

由表2還可以看出，在應(yīng)變速率相同的情況下，CA 砂漿的臨界應(yīng)變隨應(yīng)力水平的增大呈減小的趨勢(shì).在應(yīng)變速率為1×10－5，1×10－4，1×10－3，1×10－2s－1時(shí)，CA 砂漿的臨界應(yīng)變與λ＝0%時(shí)相比，在λ＝30%時(shí)分別減小了－8.46%，－13.45%，0.11%和6.70%；在λ＝60%時(shí)分別減小了8.23%，－0.50%，16.23%和10.70%；在λ＝90%時(shí)分別減小了54.04%，38.58%，39.93%和34.91%.應(yīng)力水平對(duì)CA 砂漿臨界應(yīng)變的影響小于應(yīng)變速率對(duì)臨界應(yīng)變的影響.應(yīng)力水平對(duì)臨界應(yīng)變的影響是由CA砂漿內(nèi)部微缺陷的發(fā)生發(fā)展引起的，而應(yīng)變速率對(duì)臨界應(yīng)變的影響主要是由CA 砂漿內(nèi)部黏性引起的，由此可知CA 砂漿內(nèi)部黏性對(duì)臨界應(yīng)變的影響大于內(nèi)部微缺陷對(duì)臨界應(yīng)變的影響.

綜上，應(yīng)力水平和應(yīng)變速率對(duì)CA 砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓性能影響顯著.當(dāng)應(yīng)力水平較小時(shí)，仍將降低CA 砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)實(shí)際工程中CA 砂漿充填層承受的是荷載幅值較小的疲勞荷載作用.因此本文的試驗(yàn)結(jié)果可供板式無(wú)砟軌道CA 砂漿充填層疲勞壽命的分析作參考，但若需要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)CA砂漿充填層的疲勞壽命，需進(jìn)行小幅值荷載下CA砂漿的疲勞試驗(yàn).

3 結(jié)論

（1）CA 砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓性能受應(yīng)變速率和應(yīng)力水平的影響顯著.

（2）隨著應(yīng)變速率的增加，CA 砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度提高.在相同的應(yīng)變速率下，CA 砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)力水平的增大而降低.

（3）CA 砂漿的彈性模量隨應(yīng)變速率和應(yīng)力水平的增加而明顯增大.

（4）CA 砂漿的臨界應(yīng)變隨著應(yīng)變速率的增加而增大，但隨著應(yīng)力水平的增加而減小，且應(yīng)變速率對(duì)臨界應(yīng)變的影響大于應(yīng)力水平對(duì)臨界應(yīng)變的影響.

［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］KATSUTOSHI A，MAKOTO S，HIFUMI A，et al.Development of slab tracks for Hokuriku Shinkansen line［J］.Quarterly Report of RTRI，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－modified mortars using asphalt emulsion［J］.Construction and Building Materials，2006，20（5）：332－337.

［6］王發(fā)洲，劉志超，胡曙光.加載速率對(duì)CA 砂漿抗壓強(qiáng)度的影響［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，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.（in Chinese）

［7］孔祥明，劉永亮，閻培渝.加載速率對(duì)水泥瀝青砂漿力學(xué)性能的影響［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，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.（in Chinese）

［8］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.

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

［10］劉永亮，孔祥明，鄒炎，等.水泥瀝青砂漿的靜動(dòng)態(tài)力學(xué)行為［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，6（3）：1－7.LIU Yongliang，KONG Xiangming，ZOU Yan，et al.Static and dynamic mechanical behavior of cement asphalt mortars［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2009，6（3）：1－7.（in Chinese）

［11］謝冰.CRTSⅡ型CA 砂漿物理力學(xué)性能及機(jī)理研究［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2010.XIE Bing.Study on physical and mechanical properties and mechanisms of CRTSⅡCA mortar［D］.Beijing：Beijing University of Technology，2010.（in Chinese）

［12］肖詩(shī)云，張劍.歷經(jīng)荷載歷史混凝土動(dòng)態(tài)受壓試驗(yàn)研究［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，51（1）：78－83.XIAO Shiyun，ZHANG Jian.Experimental research on dynamic compressive behaviors of concrete due to load histories［J］.Journal of Dalian University of Technology，2011，51（1）：78－83.（in Chinese）

［13］肖詩(shī)云，張劍.荷載歷史對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)受壓損傷特性影響試驗(yàn)研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2010，41（8）：943－952.XIAO Shiyun，ZHANG Jian.Experimental study on effect of load histories on dynamic compressive damage behaviors of concrete［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2010，41（8）：943－952.（in Chinese）

［14］王發(fā)洲，劉志超.高速鐵路板式無(wú)碴軌道用CA 砂漿的疲勞特性［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（11）：79－81.WANG Fazhou，LIU Zhichao.Research on the fatigue behavior of CA mortar used in ballastless slab track of high speed railway［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2008，30（11）：79－81.（in Chinese）

［15］李悅，謝冰，胡曙光，等.荷載形式對(duì)CRTS Ⅱ型CA 砂漿疲勞剩余強(qiáng)度的影響［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2010，43（S2）：358－362.LI Yue，XIE Bing，HU Shuguang，et al.The influence of figure load types on the residual strength of CRTSⅡCA mortar［J］.China Civil Engineering Journal，2010，43（S2）：358－362.（in Chinese）