曾曉輝，謝友均，鄧德華，龍廣成

（1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限公司，四川 成都 610031；3.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075）

水泥乳化瀝青砂漿（cement and emulsified asphalt mortar，CA砂漿）是板式無砟軌道系統(tǒng)軌道板與底板之間的有機(jī)－無機(jī)復(fù)合材料，厚度為3060 mm，起支撐、調(diào)平、吸振和隔振等作用，是高速鐵路系統(tǒng)的關(guān)鍵功能材料之一[1－4].目前，對(duì)于CA砂漿吸振與阻尼能力方面的表征尚無研究與報(bào)道，這一方面給砂漿充填層材料的優(yōu)化帶來了困難，另一方面也給基于軌道動(dòng)力學(xué)的高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了障礙.

振動(dòng)加速度的振幅、頻率、衰減和時(shí)程曲線等常用來評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)與材料的吸振與隔振特性.王瀾等[5]采用振動(dòng)加速度的方法評(píng)價(jià)浮置板式軌道結(jié)構(gòu)與普通碎石道床軌道結(jié)構(gòu)的隔振性能.練松良等[6]采用振動(dòng)加速度的方法評(píng)價(jià)不同軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.陶連金等[7]采用振動(dòng)加速度的方法分析地鐵運(yùn)行所產(chǎn)生振動(dòng)的衰減規(guī)律，用于建筑的防振與隔振設(shè)計(jì).周海生等[8]采用振動(dòng)加速度衰減的方法評(píng)價(jià)阻尼瀝青路面的降噪特性.

本文用沖擊激勵(lì)的方法，通過測定沖擊荷載作用下普通混凝土與CA砂漿試件及試件下部鋼板振動(dòng)加速度隨時(shí)間的變化，研究CA砂漿的吸振與隔振特性.同時(shí)通過測定CA砂漿與普通混凝土的抗沖擊破壞次數(shù)，對(duì)比研究CA砂漿的抗沖擊特性.

1 試驗(yàn)及材料

采用德國集成測控公司（Integrated Measurement ＆Control，IMC）的加速度計(jì)測定CA砂漿受沖擊時(shí)的振動(dòng)加速度.儀器由振動(dòng)加速度傳感器（包括Channel 1，Channel 4，如圖1所示）、振動(dòng)加速度采集分析系統(tǒng)、控制與數(shù)據(jù)保存系統(tǒng)（電腦）組成.

圖1 材料沖擊振動(dòng)加速度試驗(yàn)裝置Fig.1 Vibration acceleration testing device of material

試驗(yàn)時(shí)將傳感器與被測物用膠緊貼，其中Channel 1振動(dòng)加速度傳感器貼于受沖擊的試件表面，而Channel 4振動(dòng)加速度傳感器貼于受沖擊試件下部鋼板表面，由電腦讀取各傳感器的數(shù)據(jù)并保存.分別以φ170×50mm圓柱體CA砂漿和C40混凝土試件作為沖擊目標(biāo)，沖擊落錘的高度為457mm，落錘質(zhì)量為4.5kg，鋼球直徑為60mm.

參考 ACI－544《measurement of properties of fiber reinforced concrete》推薦的沖壓沖擊試驗(yàn)方法，即用落錘沖擊圓板試驗(yàn)來評(píng)價(jià)CA砂漿的沖擊韌性.但鑒于ACI－544推薦方法中所用試件較大，較難破壞（1 000次以上），本文將試件的尺寸定為φ100×50mm.

以破壞或初裂時(shí)的沖擊次數(shù)和沖擊耗能作為評(píng)價(jià)砂漿沖擊韌性的參數(shù)，沖擊耗能按式（1）計(jì)算：

式中：W 為沖擊耗能，J；Nc為破壞時(shí)沖擊次數(shù)；h為沖擊錘下落高度，取457mm；g為重力加速度，取9.81m／s2；m 為落錘質(zhì)量，取4.5kg.

試驗(yàn)所用CA砂漿試件為施工現(xiàn)場獲得，并加工至試驗(yàn)要求的尺寸.CA砂漿所用配合比為：m（干料）∶m（乳化瀝青）∶m（水）＝ （900－1 150）∶（500650）∶（40100），砂漿強(qiáng)度為3.20 MPa，彈性模量為288MPa，其他各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足科技基[2008]74《客運(yùn)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.

試驗(yàn)所用C30，C40與C50混凝土配比見表1.

表1 試驗(yàn)用混凝土配合比Table1 Mix proportion of concrete kg／m3

2 結(jié)果及討論

2.1 水泥乳化瀝青砂漿沖擊后的振動(dòng)加速度

CA砂漿和普通混凝土受沖擊后試件表面（Channel 1）和下部鋼板（Channel 4）的振動(dòng)加速度如圖2所示.

由圖2（a），（b）可見，在受到落錘沖擊后，混凝土試件和CA砂漿試件表面的振動(dòng)加速度振幅均達(dá)到了78m／s2（0.70.8重力加速度）左右，這表明乳化瀝青對(duì)CA砂漿表面的振動(dòng)加速度振幅影響不大.此外，CA砂漿試件表面振動(dòng)加速度在沖擊后存在較為明顯的3個(gè)衰減段，且在最后一個(gè)衰減段，試件表面的振動(dòng)加速度迅速衰減為0；而對(duì)于混凝土試件，其表面振動(dòng)加速度始終保持著較大幅度的波動(dòng)，且在最后衰減階段衰減較慢.此外，混凝土試件表面從受到?jīng)_擊至振動(dòng)加速度衰減至1m／s2用了0.096s，而CA砂漿試件表面只用了0.084s.相比于普通混凝土，CA砂漿有較為明顯的減振作用.

由圖2（c），（d）可見，CA砂漿下部鋼板也呈現(xiàn)出振動(dòng)加速度的階段性與衰減性，其加速度衰減至0.1m／s2以下的時(shí)間較大程度短于混凝土試件下部的鋼板.且在圖2（d）中數(shù)據(jù)讀取開始時(shí)，鋼板振動(dòng)加速度基本為0，CA砂漿對(duì)小振動(dòng)的阻隔效果十分明顯，而在圖2（c）中，由于混凝土試件微小振動(dòng)導(dǎo)致的鋼板振動(dòng)加速度即已達(dá)10m／s2以上，這表明相比于混凝土，CA砂漿充填層具有較好的隔振能力.

圖2 試件不同沖擊目標(biāo)振動(dòng)加速度隨時(shí)間的變化Fig.2 Vibration acceleration curves of the steel board under different impacted object

3個(gè)衰減段與沖擊鋼球、CA砂漿試件、鋼板間的作用有關(guān)，如圖3所示，在鋼球－CA砂漿－鋼板間的作用中，CA砂漿可視為具有一定壓縮量的物體，可吸收部分沖擊能，實(shí)現(xiàn)沖擊的緩沖作用，因此其振動(dòng)加速度表現(xiàn)為明顯的3個(gè)衰減階段.而對(duì)于普通混凝土，由于其不可壓縮性，在沖擊作用下，振動(dòng)加速度的階段性不明顯.

圖3 鋼球－CA砂漿－鋼板的作用示意圖Fig.3 Interaction among steel ball，CA mortar and steel board

2.2 CA砂漿的沖擊韌性

使用過程中，CA砂漿充填層在列車的動(dòng)荷載作用下將面臨著各種沖擊作用，且沖擊往往與其他因素耦合，加速充填層的破壞，降低其耐久性，沖擊韌性是CA砂漿的重要性能指標(biāo)之一.文獻(xiàn)[9－10]用球壓法和強(qiáng)度恢復(fù)率評(píng)價(jià)CA砂漿的斷裂韌性，尤其是低溫下的斷裂韌性，而文獻(xiàn)[11]采用落錘法評(píng)價(jià)摻廢橡膠顆?；炷恋臎_擊韌性，本文參考ACI－544推薦的沖壓沖擊試驗(yàn)方法，即用落錘沖擊圓形試件的方法來評(píng)價(jià)CA砂漿的沖擊韌性，不過本文試件尺寸為φ100×50mm.

以C30，C50混凝土作為對(duì)比樣，試驗(yàn)結(jié)果見表2，沖擊后試件破損的照片如圖4所示.

圖4表明，CA砂漿在受到?jīng)_擊后，表面可看到?jīng)_擊痕，砂漿可通過自身形變吸收部分沖擊能，而混凝土受到?jīng)_擊后，表面沒有明顯沖擊痕，且表現(xiàn)出明顯的脆性斷裂.水泥乳化瀝青砂漿的抗沖擊韌性遠(yuǎn)大于混凝土，盡管其強(qiáng)度僅為混凝土的1／20左右，但其沖擊破壞耗能卻是混凝土的幾倍，這表明CA砂漿具有較好的抗沖擊韌性.同時(shí)，使用φ100×50mm試件表明，小試件能較快破壞，一定程度上可用于加速試驗(yàn).

表2 CA砂漿和普通混凝土試件沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table2 Impact results of CA mortar and concrete

圖4 沖擊破壞后的試件Fig.4 Samples after the impacted experiment

3 結(jié)論

（1）水泥乳化瀝青砂漿在受到?jīng)_擊后，其振動(dòng)加速度存在較為明顯的3個(gè)階段，且迅速衰減，而普通混凝土階段性并不明顯，衰減速度也較大程度地低于CA砂漿，這表明CA砂漿具有一定的吸振能力.

（2）水泥乳化瀝青砂漿在受到?jīng)_擊后，其底部鋼板的振動(dòng)加速度也表現(xiàn)出明顯的階段性，而使用混凝土試件時(shí)階段性不明顯，且鋼板振動(dòng)加速度衰減速率低于使用CA砂漿試件，這表明CA砂漿具有一定的隔振能力.

（3）φ100×50mm試件的抗沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明水泥乳化瀝青砂漿的抗沖擊韌性遠(yuǎn)大于混凝土，盡管其強(qiáng)度僅為普通混凝土的1／20左右，但其沖擊破壞耗能卻是普通混凝土的幾倍.

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