方　燾，呂雪冬，楊銳銳，郭國(guó)君

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，南昌　330013)

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溫度作用天數(shù)對(duì)CRTSⅡ型CA砂漿抗壓性能影響試驗(yàn)研究

方燾，呂雪冬，楊銳銳，郭國(guó)君

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，南昌330013)

CA砂漿是溫度敏感性材料，溫度變化及作用時(shí)間將直接影響其力學(xué)性能，從而影響到無(wú)砟軌道的耐久性和安全性。為研究溫度作用天數(shù)對(duì)CRTSⅡ型CA砂漿抗壓性能的影響，將CA砂漿放置于3種溫度25、40、60 ℃中分別10、20、30 d，在常溫中冷卻6 h后采用GDS三軸儀對(duì)其進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，分析抗壓強(qiáng)度、彈性模量和應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化規(guī)律，并對(duì)其變化機(jī)理進(jìn)行分析。結(jié)果表明：CA砂漿的單軸抗壓強(qiáng)度隨溫度和放置天數(shù)的增長(zhǎng)均呈線性增長(zhǎng)，線性相關(guān)系數(shù)均在0.9以上；彈性模量隨溫度和放置天數(shù)的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)；由于瀝青高溫中老化以及軟化遷移，CA砂漿的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)脆性破壞特征，而且殘余強(qiáng)度隨放置溫度的升高而降低。

CA砂漿；溫度；抗壓強(qiáng)度；彈性模量；應(yīng)力應(yīng)變曲線

水泥乳化瀝青砂漿(cement asphalt mortar，簡(jiǎn)稱CA砂漿)是由水泥、乳化瀝青、砂及功能外加劑等組成[1]，經(jīng)水泥硬化與瀝青破乳膠結(jié)共同作用形成的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料[2]，起調(diào)整、支承、減振隔振等作用[3-4]。其長(zhǎng)期服役性能的好壞關(guān)系到軌道的平順性、耐久性及列車行駛的安全性[5-6]。

乳化瀝青是溫度敏感性材料，溫度變化時(shí)會(huì)呈現(xiàn)不同的性能[7]，王發(fā)洲等[8]研究了CA砂漿在不同溫度(0 ℃，20 ℃，40 ℃，60 ℃)下的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明CA砂漿抗壓強(qiáng)度隨溫度升高而降低。王武等[9]對(duì)4種不同溫度下(13 ℃，20 ℃，27 ℃，34 ℃)的CA 砂漿力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:隨著溫度的升高，CA砂漿的峰值應(yīng)力和彈性模量均降低，且存在線性關(guān)系。水灰比可以影響CA砂漿的溫敏性，水灰比為0.8時(shí)，溫度對(duì)CA砂漿的影響相對(duì)較小。陳一日[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到溫度增加時(shí)，加載速率對(duì)抗壓強(qiáng)度的作用減弱，加載速率增加時(shí)，溫度對(duì)抗壓強(qiáng)度的作用增強(qiáng)。

近年來(lái)，我國(guó)很多地區(qū)夏季最高溫度達(dá)到38～40 ℃，超過(guò)35 ℃的天數(shù)能長(zhǎng)達(dá)20 d以上，而地面溫度比空氣溫度能高出十幾到幾十?dāng)z氏度。現(xiàn)有的文獻(xiàn)對(duì)CA砂漿在不同溫度下的研究只局限于短期的研究，而CA砂漿長(zhǎng)期處于高溫后力學(xué)性能的改變尚屬空白，CA砂漿中含有瀝青，其受溫度的影響很大，故針對(duì)CA砂漿經(jīng)歷不同時(shí)間的高溫以后的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。將CRTSⅡ型CA砂漿置于3種溫度(25 ℃、40 ℃、60 ℃)中分別10 d、20 d、30 d，將其在常溫中冷卻6 h后進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，分析抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨溫度和放置天數(shù)的變化及應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化規(guī)律。

1　原材料及實(shí)驗(yàn)

1.1原材料及配合比

乳化瀝青：陰離子乳化瀝青，檢測(cè)結(jié)果符合“暫行技術(shù)條件”。

干粉料：膨脹率1.3%，1 d抗壓強(qiáng)度14.3 MPa，各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果均符合“暫行技術(shù)條件”。

消泡劑：DXP-010超強(qiáng)消泡劑

減水劑：聚羧酸系高性能減水劑

水：自來(lái)水

CA砂漿的具體配合比見(jiàn)表1。

表1　CA砂漿配合比　kg/m3

1.2試塊制作

采用CA砂漿攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，先在攪拌器中倒入乳化瀝青，消泡劑、減水劑和水?dāng)嚢杈鶆虻谷霐嚢杵?，先?0 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌30 s，然后漸漸地增加轉(zhuǎn)速，在此過(guò)程中倒入干料，共持續(xù)1 min，待干料加完將轉(zhuǎn)速提高到260 r/min，攪拌2 min，然后再將轉(zhuǎn)速降至60 r/min，攪拌1 min。CA砂漿攪拌完成后倒入內(nèi)徑為50 mm的PVC管中，此管提前刷好脫模劑，養(yǎng)護(hù)1 d后脫模，然后將其自然養(yǎng)護(hù)至28 d，然后對(duì)試件進(jìn)行加工，為使兩端光滑，在中間量取試件高度100 mm，然后切掉兩端的部分，并對(duì)兩端進(jìn)行打磨，制成高度為100 mm，φ50 mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件，見(jiàn)圖1。

圖1　CA砂漿標(biāo)準(zhǔn)試塊

1.3試驗(yàn)步驟

選取25 ℃，40 ℃，60 ℃三個(gè)溫度進(jìn)行試驗(yàn)，25 ℃作為對(duì)比溫度，用高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱控制，40 ℃和60 ℃用烘箱控制，因烘箱不能長(zhǎng)時(shí)間使用，故用2臺(tái)烘箱交替使用。將不同溫度下放置10 d，20 d，30 d的試塊取出后置于室溫下6 h后進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)。

2　試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1抗壓強(qiáng)度

表2為不同溫度下放置不同時(shí)間后CA砂漿在常溫下的抗壓強(qiáng)度。

表2　不同溫度和放置天數(shù)的抗壓強(qiáng)度　MPa

將不同溫度放置后得到的抗壓強(qiáng)度隨放置天數(shù)和溫度的變化分別列于圖2和圖3，圖中每個(gè)點(diǎn)代表1個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行擬合。

圖2　抗壓強(qiáng)度隨放置天數(shù)的變化

圖3　抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化

從圖2可以看出，峰值應(yīng)力隨放置天數(shù)的增加呈近似線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，從擬合的公式系數(shù)可以看出，25 ℃時(shí)系數(shù)為0.032，40 ℃時(shí)系數(shù)為0.077，60 ℃時(shí)系數(shù)為0.100，可見(jiàn)隨著溫度的增加，放置時(shí)間對(duì)峰值應(yīng)力的影響越明顯。

以放置10 d為標(biāo)準(zhǔn)，25 ℃時(shí)峰值應(yīng)力平均值隨放置天數(shù)分別增加了2.32%，4.19%，40 ℃時(shí)峰值應(yīng)力平均值分別增加了5.14%，9.61%，60 ℃時(shí)峰值應(yīng)力平均值增加了6.50%，11.88%，隨溫度增加，峰值應(yīng)力隨放置天數(shù)增加的值越大。

從圖3可以看出，不同放置天數(shù)下，峰值應(yīng)力均隨溫度的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，且呈近似線性關(guān)系。擬合曲線的系數(shù)在10 d，20 d，30 d時(shí)分別為0.038，0.058，0.075，可見(jiàn)隨放置天數(shù)增加，溫度對(duì)峰值應(yīng)力的影響作用增強(qiáng)。

以25 ℃為標(biāo)準(zhǔn)，放置10 d時(shí)峰值應(yīng)力平均值隨溫度增加分別增加了3.21%，8.53%，放置20 d時(shí)峰值應(yīng)力平均值隨溫度增加分別增加了6.06%，12.96%，放置30 d時(shí)峰值應(yīng)力平均值隨溫度增加分別增加了8.59%，16.53%，可見(jiàn)隨放置天數(shù)增加，峰值應(yīng)力隨溫度的增加而增加的幅度變大

2.2彈性模量

CA砂漿的彈性模量取全曲線中0.3～0.5倍的峰值強(qiáng)度之間的直線斜率[11]，不同溫度彈性模量隨放置天數(shù)的變化如圖4所示。不同放置天數(shù)彈性模量隨溫度的變化如圖5所示。

圖4　彈性模量隨放置天數(shù)的變化

圖5　彈性模量隨溫度的變化

從圖4可以看出，隨放置天數(shù)的增加，彈性模量呈增加趨勢(shì)，以放置前測(cè)得的彈性模量為標(biāo)準(zhǔn)，25 ℃后，彈性模量隨放置天數(shù)增加而分別增加了1.69%，3.8%，6.48%，40 ℃后，彈性模量隨放置天數(shù)增加而分別增加了2.11%，4.22%，8.45%，60 ℃后，彈性模量隨放置天數(shù)增加而分別增加了6.22%，8.73%，9.86%，所以可得出不同溫度放置后，彈性模量隨天數(shù)呈增加趨勢(shì)，置于60 ℃的前10 d增幅較大，但后期變緩，而置于40 ℃的前20 d增幅均勻，20～30 d時(shí)增幅變大，25 ℃放置后增幅比較均勻。

從圖5可以看出，以25 ℃為標(biāo)準(zhǔn)，放置10 d時(shí)，彈性模量隨溫度增加而分別增加了0.42%，4.8%，放置20 d時(shí)，彈性模量隨溫度增加而分別增加了0.41%，4.7%，放置30 d時(shí)，彈性模量隨溫度增加而分別增加了1.85%，3.17%，同一放置天數(shù)下，彈性模量隨溫度的升高而增長(zhǎng)。

2.3應(yīng)力應(yīng)變曲線

取不同溫度放置30 d后冷卻至室溫下的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行分析，如圖6所示。

圖6　不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

對(duì)比圖6中的3種不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以看出，隨著溫度增大，峰值強(qiáng)度增大，峰值應(yīng)變也在增大。比較應(yīng)力應(yīng)變曲線的下降段可以發(fā)現(xiàn)，25 ℃時(shí)下降段稍緩，而40 ℃和60 ℃下降段幾乎呈直線跌落，脆性特別明顯。25 ℃時(shí)的殘余強(qiáng)度在2 MPa左右，40 ℃時(shí)的殘余強(qiáng)度在1.3 MPa左右，60 ℃時(shí)的殘余強(qiáng)度在0.7 MPa，可見(jiàn)殘余強(qiáng)度隨溫度的增加而降低，脆性隨溫度增加而愈明顯。

2.4機(jī)理研究

在瀝青混合料中，無(wú)機(jī)骨料表面的瀝青膜有結(jié)構(gòu)瀝青和自由瀝青[12-13]。結(jié)構(gòu)瀝青能緊密地與骨料結(jié)合在一起，不受介質(zhì)和外界溫度的影響，自由瀝青不直接接觸骨料，可以在硬化體中形成連續(xù)相，使硬化體具有彈性，但是性能受外界環(huán)境和溫度的影響比較大，導(dǎo)致材料的溫度穩(wěn)定性比較差。自由瀝青的溫度穩(wěn)定性差，在溫度過(guò)高的情況下，CA砂漿中瀝青出現(xiàn)老化現(xiàn)象，彈性模量升高[14]。瀝青在高溫下形態(tài)發(fā)生變化，自由瀝青發(fā)生了軟化遷移，填充到材料內(nèi)部的大孔中，導(dǎo)致材料的密實(shí)度增大，增大了材料的強(qiáng)度和彈性模量，但是延性下降[15]。

故認(rèn)為CA砂漿長(zhǎng)期置于高溫中，會(huì)使CA砂漿出現(xiàn)2種情況：(1)CA砂漿中的瀝青出現(xiàn)老化現(xiàn)象，使材料呈現(xiàn)脆性；(2)瀝青軟化遷移，增大材料的密實(shí)度，使材料強(qiáng)度和彈性模量增大，但延性下降。

3　結(jié)論

(1) CA砂漿長(zhǎng)期置于高溫后，其單軸抗壓強(qiáng)度隨溫度和放置天數(shù)均呈線性增長(zhǎng)，線性相關(guān)系數(shù)均在0.9以上；

(2)彈性模量隨溫度和放置天數(shù)的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)；

(3)由于瀝青高溫老化以及瀝青軟化遷移導(dǎo)致高溫放置后的CA砂漿的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)脆性破壞特征，而且殘余強(qiáng)度隨放置溫度的升高而降低。

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Test Study on Compressive Properties of CRTSⅡ CA Mortar Subjected to Temperature Effect Time

FANG Tao， LV Xue-dong， YANG Rui-rui， GUO Guo-jun

(Institute of Civil Engineering and Construction， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China)

CA mortar is a temperature sensitive material and the temperature variation and action time directly affect its mechanical properties， which may affect the durability and safety of the ballastless track. To study the compressive properties of CRTSⅡ CA mortar subjected to different temperature effect time， CA mortar is placed respectively for 10， 20 d and 30 d under the temperature of 25， 40 ℃ and 60 ℃， and an uniaxial compression test of CA mortar is conducted with GDS triaxial apparatus after cooling in the normal temperature for 6 hours to analyze the change rule of compressive strength， elastic modulus and stress strain curve and mechanism of the changes. The results show that the uniaxial compressive strength of CA mortar is of linear increase with the rise of temperature and time， the linear correlation coefficients are all above 0.9; the elastic modulus increases with the rise of temperature and the extension of days; due to aging and softening migration of the asphalt in high temperature， stress strain curve of CA mortar presents brittle failure characteristics， and along with the rise of temperature， the residual strength is reduced．

CA mortar; temperature; compressive strength; elastic modulus; stress strain curve

2015-12-18；

2016-01-18

國(guó)家自然科學(xué)基金(51568021)

方燾(1976—)，男，副教授，2012年畢業(yè)于重慶大學(xué)土木

工程專業(yè)，工學(xué)博士，E-mail:378766675@qq.com。

1004-2954(2016)09-0048-04

TU528.42

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.010