徐 浩，王 平，曾曉輝

(1.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031;2.西南交通大學土木工程學院，成都 610031)

無砟軌道是以整體性較好的混凝土或瀝青混凝土承載層代替散體的石砟道床，與有砟軌道相比，無砟軌道更能適應高速鐵路對高穩(wěn)定性、高平順性及線路高使用率的要求，為了提高軌道在高速行車下的高穩(wěn)定性、安全性和平順性，同時減少軌道維修量，無砟軌道已成為各國高速鐵路發(fā)展的主要方向［1，2］。

板式無砟軌道是一種應用最多、最為成熟的無砟軌道結構形式［3］，由鋼軌、扣件系統(tǒng)、預制軌道板、水泥乳化瀝青砂漿(cement asphalt mortar，簡稱 CA砂漿)層以及混凝土底座等組成，其中CA砂漿層是充填于板式無砟軌道中的關鍵結構層之一，起著調(diào)整、支承、傳載、減振隔振等作用［4-8］。水泥乳化瀝青砂漿是一種由水泥、乳化瀝青、細骨料(砂)、混合料、水、鋁粉及功能外加劑等多種原材料組成，經(jīng)水泥水化硬化與瀝青破乳膠結共同作用而形成的一種新型有機無機復合材料［9］。對于單元板式無砟軌道的CA砂漿充填層具有高韌性、低強度、低彈性模量的特點，它填充在軌道板與混凝土底座之間厚度約50 mm的空間內(nèi)，其性能好壞直接影響到板式無砟軌道的服役性、耐久性和養(yǎng)護維修［10，11］。因此，CA 砂漿的配合比設計、力學性能和服役性能均是制約板式無砟軌道發(fā)展的瓶頸技術。

1 國外研究進展

CA砂漿在德國、日本、韓國的高速鐵路均有應用，但日本的CA砂漿與我國CRTSⅠ型板式無砟軌道CA砂漿較為類似，因此最具借鑒意義。

日本對CA砂漿的研究始于20世紀60年代中期，日本結合新干線建設需求和當?shù)氐臍夂蛱攸c進行CA砂漿的研究。日本對CA砂漿的研究內(nèi)容涵蓋了CA砂漿的組成、制備的方法、性能及其改善、施工工藝以及CA砂漿的關鍵技術、瀝青乳液、CA砂漿的耐久性和耐候性等方面，并申請了10多項專利［12－15］。

日本CA砂漿在使用過程中發(fā)現(xiàn)在凸形擋臺周圍及軌道板底邊緣，特別是在線路縱向力較大的伸縮調(diào)節(jié)器附近的CA砂漿存在破損現(xiàn)象。因此，日本鐵路除相應開發(fā)出了修補用的CA砂漿和樹脂砂漿外，還用強度高、彈性和耐久性好的合成樹脂材料替代凸形擋臺周圍的 CA 砂漿［16］。

在CA砂漿的工作性能方面，為解決乳化瀝青與水泥的和易性，日本有關企業(yè)先后研制出特殊的表面活性劑［17］。并通過摻入消泡劑、引氣劑，使砂漿產(chǎn)生適量微小的獨立氣泡，以提高其抗凍性;采用超快硬性水泥，改善了在寒冷季節(jié)中施工的耐初期凍害性;摻入P乳劑和玻璃纖維，改善其抗裂性，提高其抗凍性;摻入玻璃纖維、聚合物等材料，并研發(fā)用于修補的水泥乳化瀝青砂漿［18-22］。同時地區(qū)溫度波動的特點，開發(fā)了在5～20℃低溫條件下使用的C型乳劑、在15～30℃高溫條件下使用的H型乳劑、在5～30℃范圍使用的板式無砟軌道墊層基本乳劑—A型乳劑和在寒冷地區(qū)添加的聚合物乳劑——P 乳劑［17］。

在CA砂漿施工方法上，日本開發(fā)并采用了灌注袋技術，取代過去的模筑法，節(jié)省了施工模板的投入，而且減少了CA砂漿的環(huán)境暴露面，改善了CA砂漿端面的應力分布，從而提高了CA砂漿的耐久性。

日本CA砂漿性能指標見表1［15］，其適用于日本溫暖和寒冷地區(qū)的CA砂漿標準配合比如表2所示。

表1 日本CA砂漿的主要性能指標

表2 日本東亞道路株式會社采用的CA砂漿標準配合比

從文獻及相關專利分析可知，日本將水泥與瀝青復合的思想、采用灌注袋技術、施工性能與耐久性能評價方法都是高水平、原始性的創(chuàng)新，這些都將為我國高速鐵路水泥乳化瀝青砂漿層的研究提供有價值的參考。

2 國內(nèi)研究進展

我國通過引進吸收國外CA砂漿技術，并于2001年首次在秦沈客運專線上進行了水泥乳化瀝青砂漿的研究與應用，經(jīng)過十多年的發(fā)展，逐步形成了滿足我國氣候與地域條件的CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿，也采用水泥、乳化瀝青、砂、外加劑等作為制備CA砂漿的原材料。盡管國內(nèi)關于CA砂漿的研究涵蓋了CA砂漿配合比設計和施工工藝、靜動態(tài)力學性能、耐久性等方面，但總的來說我國CA砂漿研究仍處于開始階段，缺乏系統(tǒng)的研究。

2.1 CA砂漿的基本配合比設計

CA砂漿的配合比決定了CA砂漿的服役性能和施工性能，因此國內(nèi)學者對CA砂漿的配合比和施工性能進行了大量研究。鄒崇富［23］于1980年最早向國內(nèi)科研人員介紹了日本少維修軌道用CA砂漿(Cement and emulsified asphalt mortar，CA 砂漿)情況，此后吳海明［24］于1984年介紹了日本防振H型板式軌道中的CA砂漿。在我國秦沈線的建設中，對板式無砟軌道用CA砂漿進行了大量研究，傅代正等［25］根據(jù)秦沈線狗河大橋情況，提出了所用CA砂漿的配比，李俊［26，27］根據(jù)秦沈線雙河特大橋情況，也提出了相應的CA砂漿配比，中國專利申請02139237.4介紹了一種水泥乳化瀝青砂漿及制作方法，能充分滿足鐵路或城市輕軌無砟軌道中的應用［28］，金守華、陳秀方等則從CA砂漿的指標要求出發(fā)，探討了制備CA砂漿的關鍵技術，提出“從最終的使用性能要求出發(fā)”進行CA砂漿的設計［29］;周熙和賀銘結合遂渝線板式軌道CA砂漿配合比設計的基礎上，探討了CA砂漿的工程配合比與施工經(jīng)驗［30］;趙東田［31-33］通過分析CA 砂漿的12個技術指標和13種組成材料，經(jīng)過反復試驗193種不同配合比后，得到了滿足性能要求的砂漿配比以及施工技術，并完全采用國產(chǎn)化材料。中國鐵道科學研究院在引進日本CA砂漿技術的基礎上，對其配合比與施工工藝進行改進和優(yōu)化，研發(fā)的水泥乳化瀝青砂漿已成功應用于我國的武廣、石太、哈大和滬寧等客運專線或城際鐵路［34-35］。

2.2 CA砂漿靜動態(tài)力學性能

CA砂漿由多種材料摻和而成，其主要組成材料的用量和品質(zhì)必定會影響CA砂漿的基本力學性能。王濤等認為影響CA砂漿強度的主次因素依次為:水泥、瀝青乳液和砂用量，在一定范圍內(nèi)CA砂漿抗壓強度隨水泥用量和砂用量的增加而增大，但隨著瀝青乳液和用水量的增加而降低［36］，徐靜［37］和譚憶秋［38］的研究結果均表明CA砂漿的強度隨著乳化瀝青與水泥質(zhì)量比的增大而降低，水泥的相對含量有利于增加CA砂漿的早期強度，另外含氣量的增加也會降低CA砂漿的抗壓和抗折強度;李興旺［39］通過對CRTSI型板式軌道水泥砂漿進行試驗研究，認為CA砂漿配制時宜選用早期強度較高的硫鋁酸鹽水泥，可以提高CA砂漿的早期強度，但考慮到施工性能，硫鋁酸鹽水泥對普通硅酸鹽水泥的取代率不應超過20%［40］，同時膨脹劑的用量也會降低CA砂漿的抗壓強度，適宜的摻量為6%［41］;相關研究表明CA砂漿的制備工藝也將影響CA砂漿的抗壓強度，先加瀝青乳液和水的CA砂漿早期強度比后加瀝青乳液和水的CA砂漿早期強度低，但對后期強度影響不大［42］;如果當CA砂漿攪拌完畢后再進行攪拌，會降低CA砂漿的強度［33］。吳韶亮等認為如需保證CA砂漿的可工作時間和力學性能，CA砂漿的施工溫度應控制在5～40℃，同時對CA砂漿的長期力學性能進行觀測，CA砂漿3年后的抗壓強度有所增加，但彈性模量變化較?。?3］。田冬梅等對不同飽水度的CA砂漿試件進行抗壓試驗，發(fā)現(xiàn)CA砂漿的抗壓強度和彈性模量均隨飽水度的增加而顯著降低，且抗壓強度降幅相對更大［44］?？紫槊鞯妊芯苛瞬煌瑴囟葪l件下CA砂漿的抗壓性能，研究表明CA砂漿的彈性模量和峰值應力均隨溫度的升高而降低［45］。盡管對CA砂漿的力學性能及其影響因素進行了大量的研究，但實際運營中的CA砂漿彈性墊層處于動態(tài)加載過程［46-48］，因此需要對其動態(tài)力學特性進行研究。

文獻［49］采用養(yǎng)護28d的立方體CA砂漿試塊進行不同加載速率下抗壓試驗，結果表明，CA砂漿的抗壓強度隨加載速率增大而增大，兩者基本呈線性關系，且瀝青含量越低，增加趨勢越明顯;文獻［50］建立了強度和彈性模量與加載速率的定量關系，同時分析了加載速率對CA砂漿力學性能的影響機理，文獻［51］增加了加載速率工況，提出CA砂漿的抗壓強度、彈性模量、峰值應力處應變均與加載速率成冪指數(shù)變化。劉永亮、閻培渝［52-53］等采用MTS試驗機對CA砂漿進行了動態(tài)力學性能測試，結果表明CA砂漿的動態(tài)模量隨頻率的增大而增大，在同一頻率下同一CA砂漿的動態(tài)模量則隨A/C增大而減小。

2.3 CA砂漿的耐久性

2.3.1 CA砂漿的疲勞性能

CA砂漿層承受列車荷載的反復作用，其疲勞性能必然影響CA砂漿的長期服役性能。目前，關于CA砂漿疲勞性能的研究文獻很少，基本認為應力水平越高，CA砂漿的疲勞壽命越短;環(huán)境溫度越高，疲勞壽命越大［54-55］，分別針對18℃、20℃和－20℃的環(huán)境溫度建立了CA砂漿疲勞次數(shù)與應力水平相關性的模擬方程，從其建立的疲勞方程可以看出，CA砂漿疲勞壽命對數(shù)值與應力水平存在較好的線性相關性。

為了提高CA砂漿的疲勞壽命，李云良［56］等提出可以通過適當提高CA砂漿中乳化瀝青的用量，趙坪銳等［57］則認為增加CA砂漿層的厚度，可以提高軌道結構的彈性，改善CA砂漿的受力均勻性，從而減小CA砂漿疲勞破壞的幾率。

2.3.2 CA砂漿的抗凍性能

由于我國幅員遼闊，東北等地區(qū)存在正負溫度交替等情況，由于CA砂漿內(nèi)部存在大量的游離水，溫度較低時會結冰造成體積膨脹，將導致CA砂漿出現(xiàn)凍融破壞。因此，研究如何提高CA砂漿在特定環(huán)境中使用的抗凍性能具有重要的工程意義。結合最初在秦沈線使用的CA砂漿出現(xiàn)的結構疏松和局部掉落的情況，徐偉?。?8］提出了優(yōu)化配合比、改進原材料、引入一定量的微小氣泡、減少拌和用水和加強養(yǎng)護等方面來提高CA砂漿的抗凍性能。CA砂漿的抗凍性隨著瀝青乳液與水泥質(zhì)量比的增加而增強，當瀝青乳液與水泥相對質(zhì)量比從1.4增至1.7時，350次凍融循環(huán)后相對彈性模量分別降至75%和92%，若采用硫鋁酸鹽水泥代替普通硅酸鹽水泥，制備的CA砂漿抗凍性變差，但加入橡膠粉、聚合物膠粉、有機纖維和硅灰能提高CA砂漿的抗凍性能［59］。針對CA砂漿含氣量大的特點，通過引入消泡劑和引氣劑控制CA砂漿含氣量的方法，萬赟［60］等認為采用雙摻消泡劑和引氣劑形成微細孔可以提高CA砂漿的抗凍性。張艷等則通過技術指標和試驗材料比較，在原有砂漿的基礎上開發(fā)研制了抗凍性CA砂漿，并給出了高寒地區(qū)CA砂漿的標準配合比［61］。通過對嚴寒地區(qū)乳化瀝青砂漿的低溫性能進行試驗，發(fā)現(xiàn)該種砂漿的抗凍性可達600次以上，能滿足相關規(guī)范的要求，具有優(yōu)越的抗凍性能［62］。另外，通過對乳化瀝青進行改性以及加入相應的外摻料，可以提高CA砂漿的低溫抗裂性，從而提高砂漿的抗凍性［63-64］。

2.3.3 CA砂漿的耐化學介質(zhì)侵蝕

板式無砟軌道在其服役過程是暴露在外部環(huán)境中，必將受到外部各種化學介質(zhì)的侵蝕作用，如酸雨、機車行駛過程中的油性侵蝕等等，為更好地了解CA砂漿在服役過程中的使用狀態(tài)，王濤［64］將CA砂漿浸泡在酸、堿、鹽、油中一定時間后，測試其強度變化，發(fā)現(xiàn)隨著化學介質(zhì)侵蝕溶液濃度的增加，CA砂漿的強度降低，而且CA砂漿的耐化學介質(zhì)侵蝕能力主要取決于乳化瀝青與水泥的相對質(zhì)量比。

2.4 CA砂漿與軌道系統(tǒng)的動力匹配

板式無砟軌道中CA砂漿的主要作用之一是減振隔振，合理的剛度和彈性模量能保證CA砂漿減振隔振作用的有效發(fā)揮。板式無砟軌道的CA砂漿是填充于軌道板與底座板之間的扁平空間內(nèi)，因此CA砂漿墊層的厚度會對軌道系統(tǒng)的受力產(chǎn)生影響，趙坪銳［65］通過建立板式軌道－高速列車耦合模型，分析了CA砂漿厚度對軌道系統(tǒng)動力特性的影響，結果表明增大CA砂漿層的厚度，軌道板的振動位移和振動加速度會相應增大。增加CA砂漿層的厚度，可改善板式軌道的動力學性能［66］，綜合考慮工程成本及施工方便，建議CA砂漿層的厚度為40～60 mm。赫丹等［67］建立高速列車－板式軌道時變系統(tǒng)豎向振動矩陣方程，分析了砂漿剛度和阻尼對此系統(tǒng)豎向振動的影響規(guī)律，研究表明:隨著CA砂漿剛度的增大，軌道板及鋼軌豎向位移減小，過大的剛度對降低系統(tǒng)豎向振動響應并無太大作用，建議CA砂漿剛度合理取值范圍為1.0～1.5 GPa/m，同時CA砂漿剛度減小會顯著增大基床表層的動應力［68］，但文獻［69］則認為隨著CA砂漿墊層彈性模量增大，輪軌作用力略有增大，軌道板位移則逐漸降低，軌道板加速度和板下CA砂漿墊層壓應力隨之增大。隨著CA砂漿的阻尼的增大，軌道板加速度和軌道板振動位移均隨之減小［67，69］，由此可見，增大CA砂漿的阻尼可以起到減振隔振的作用。

CA砂漿的動力響應除了與CA砂漿層本身的參數(shù)有關外，還與外荷載的大小有關。相穎慧［70］結合遂渝鐵路無砟軌道綜合試驗實車試驗，對試驗段內(nèi)板式無砟軌道CA砂漿層動應力與路涵過渡段的工程效果等進行了測試和評價，結果表明隨著車輛軸重的增大，涵洞過渡段范圍底座表面CA砂漿層動應力均相應增大。相對行車速度而言，車輛軸重對CA砂漿層的動應力影響更為顯著。CA砂漿的功能特點決定其一旦劣化，必然影響軌道系統(tǒng)的動力特性，向?。?1］基于高速列車－板式軌道系統(tǒng)空間振動分析理論，研究了水泥瀝青砂漿層劣化(如脫層、開裂、脆化和碎裂等)引起的軌道板懸空現(xiàn)象對板式軌道振動響應的影響，結果表明相對于正常狀態(tài)，CAM劣化造成的軌道板懸空，引起軌道板的加速度和位移均急劇增大。故在水泥乳化瀝青砂漿層的服役過程中，應嚴格控制CA砂漿的病害。

3 結論與展望

水泥乳化瀝青砂漿在板式無砟軌道中起著支承、傳載、調(diào)整、減振隔振等重要作用，其服役性能的好壞直接影響高速列車的運行穩(wěn)定及軌道結構的正常使用。國內(nèi)對CA砂漿的研究，無論是CA砂漿的基本力學性能、還是CA砂漿的耐久性、CA砂漿與軌道結構的動力匹配研究都相對不足，因此，建議需要對CA砂漿的性能進行系統(tǒng)性研究，應著重以下幾個方面的研究。

(1)CA砂漿的配合比設計

盡管我國已經(jīng)能夠制備CA砂漿，也實現(xiàn)了CA砂漿原材料國產(chǎn)化，而且也確立了“從最終的使用性能要求出發(fā)”進行CA砂漿設計的要求，但從現(xiàn)有研究結果來看，CA砂漿的配合比設計一是借鑒日本的水泥乳化瀝青砂漿配比，一是通過大量的試驗來找出滿足相關性能要求的配合比，缺乏相應的設計理論。CA砂漿組成原材料復雜，各種組成材料的比例及外加劑種類和摻量均將影響CA砂漿的力學性能和服役性能，因此應該從CA砂漿原材料和外摻量進行相適應性研究，真正從CA砂漿的使用性能出發(fā)完善我國CA砂漿原材料選擇與配比的理論依據(jù)，提高我國CA砂漿的設計水平。

(2)CA砂漿的力學性能及其本構關系

對CA砂漿的靜力學性能及其影響因素進行了大量的研究，但關于CA砂漿的應力－應變曲線及其本構理論尚未見有報道;另外，在板式無砟軌道結構中，水泥乳化瀝青砂漿層除了承受軌道結構的自重外，主要承受列車荷載的動力作用。CA砂漿是速率敏感性材料，因此其強度和彈性模量都要受到加載速率的影響，若此時仍然用CA砂漿的靜態(tài)力學參數(shù)進行計算或板式無砟軌道設計均會產(chǎn)生很大的誤差，為了對板式無砟軌道進行比較準確的動力設計和安全評價，需要對CA砂漿的動態(tài)強度和變形特性以及破壞機理進行深入研究，了解CA砂漿在不同荷載、環(huán)境條件下的動態(tài)力學性能，并建立起比較精確的數(shù)學模型。

(3)CA砂漿與軌道結構的動力匹配

板式無砟軌道CA砂漿層在設計之初的作用除了支承、調(diào)整外，主要是減緩結構振動，已有的研究通過建立理論模型，分析CA砂漿的剛度、阻尼等動力學參數(shù)和幾何尺寸參數(shù)對軌道系統(tǒng)變形和受力的影響，但這些理論模型均建立在一定的假設基礎上，因此結果的精確性不足。另外，在研究CA砂漿的減振性能時僅通過CA砂漿材料本身的能量耗散情況評價，未將CA砂漿作為軌道系統(tǒng)的結構層之一，研究其在軌道系統(tǒng)中的減振作用。因此，應該從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，建立CA砂漿的動態(tài)本構關系，同時將CA砂漿層作為板式軌道結構體系的關鍵結構層之一，進行CA砂漿與軌道結構的動力匹配關系研究，從而更好地評價CA砂漿的服役性能。并且應該加強實驗方面的研究，以驗證理論研究結果的正確性。

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