曹睿明，陳小兵，陳先華

(東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096)

0 引言

水泥乳化瀝青復(fù)合膠漿是由水泥和乳化瀝青復(fù)合而成的膠結(jié)材料，主要用于高速鐵路板式無砟軌道CA砂漿的膠結(jié)料[1-4]，在道路工程中水泥乳化瀝青復(fù)合膠漿與適宜級配的集料一起經(jīng)過冷拌、冷鋪和碾壓之后形成的水泥乳化瀝青混凝土，可以作為道路鋪面材料使用[5-8]。水泥和乳化瀝青結(jié)合時，水泥遇水發(fā)生水化硬化，乳化瀝青失水破乳出現(xiàn)凝結(jié)，共同促進(jìn)了材料基體強(qiáng)度的增長，同時也發(fā)揮了水泥高強(qiáng)度和瀝青易變形的優(yōu)勢，極大地?cái)U(kuò)展了復(fù)合材料的服役范圍[9-11]。實(shí)際使用時，荷載作用下，水泥乳化瀝青復(fù)合膠漿受到疲勞荷載的重復(fù)作用，性能會逐漸劣化直至破壞。水泥乳化瀝青復(fù)合膠漿中瀝青作為典型的黏彈性材[12-13]，在荷載作用下會出現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變的滯后，造成材料整體力學(xué)響應(yīng)狀態(tài)的變化。為了增強(qiáng)水泥乳化瀝青復(fù)合膠漿的性能，本研究將玄武巖纖維作為增強(qiáng)相摻入水泥乳化瀝青復(fù)合膠漿中制備得到了水泥乳化瀝青纖維復(fù)合材料，并研究了疲勞荷載作用下，復(fù)合材料的黏彈行為，為促進(jìn)水泥乳化瀝青復(fù)合膠漿的纖維增強(qiáng)研究提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

乳化瀝青采用自制的陽離子乳化瀝青，其蒸發(fā)殘留物的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示；水泥采用P.O.42.5R普通硅酸鹽水泥，其主要化學(xué)成分如表2所示；纖維選用鹽城市某工程材料有限公司生產(chǎn)的短切玄武巖纖維，外觀呈灰白色絮狀，單纖直徑約5 μm，長度3～6 mm，密度為2.815 g/cm3；增稠劑和消泡劑分別選用聚氨酯類增稠劑和有機(jī)硅消泡劑。

表1 乳化瀝青蒸發(fā)殘留物基本性質(zhì)Tab.1 Basic properties of emulsified asphalt evaporation residue

表2 水泥的化學(xué)組成Tab.2 Chemical composition of cement

1.2 水泥乳化瀝青纖維復(fù)合材料制備

首先按不同A/C稱取一定質(zhì)量的乳化瀝青倒入拌和鍋中，并加入一定質(zhì)量的消泡劑，以60 r/min的速度攪拌60 s使材料充分混合直至均勻;然后稱取一定質(zhì)量的玄武巖纖維倒入拌和鍋并繼續(xù)攪拌180 s,使纖維均勻分散在乳化瀝青中;再將對應(yīng)比例的水泥、減水劑和增稠劑倒入拌和鍋，以60 r/min的速度攪拌60 s，以120 r/min的速度快速攪拌180 s，再以60 r/min的速度攪拌60 s;最后將混合物倒入60 mm×15 mm×4 mm的試模中，放置3 d后拆模，將拆模后的試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)60 d后，進(jìn)行蠕變試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方法

采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)測試水泥乳化瀝青纖維復(fù)合材料的黏彈行為，測試循環(huán)荷載作用下，復(fù)合材料復(fù)數(shù)模量和相位角的變化規(guī)律。其中加載模式采用應(yīng)力控制模式，試驗(yàn)溫度為25 ℃，加載頻率為10 Hz。并根據(jù)不同A/C情況下復(fù)合材料的強(qiáng)度差異，選用合適的應(yīng)力水平。

將循環(huán)荷載施加于黏彈性材料時，應(yīng)力和應(yīng)變的響應(yīng)會存在一個初始的相位差[14-16]，如圖1所示。此時繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn)曲線呈閉合環(huán)狀，在黏彈性理論中將應(yīng)力應(yīng)變環(huán)稱為滯后環(huán)線，如圖2所示。

圖1 應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)Fig.1 Stress and strain responses

圖2 滯后環(huán)線Fig.2 Hysteresis loop

滯后環(huán)所包含的面積稱為一個循環(huán)加載過程中產(chǎn)生的耗散能，分別由式(1)和式(2)可以計(jì)算得到一個循環(huán)加載后的耗散能和前n個循環(huán)的累計(jì)耗散能[17-18]。

(1)

(2)

式中，wi為第i個循環(huán)的耗散能；σ為應(yīng)力值；ε為應(yīng)變振幅；δ為相位角；G*為復(fù)數(shù)模量值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 水泥乳化瀝青膠漿黏彈行為

配置不同A/C的水泥乳化瀝青膠漿，測定在不同應(yīng)力水平時，膠漿試件的耗散能隨疲勞荷載作用次數(shù)的變化規(guī)律，并計(jì)算破壞時的累計(jì)耗散能，研究水泥乳化瀝青膠漿的黏彈行為，試驗(yàn)結(jié)果如圖3和表3所示。

圖3 疲勞荷載對水泥乳化瀝青膠漿耗散能的影響Fig.3 Influence of fatigue load on dissipation energy of cement emulsified asphalt mortar

從圖3可以看出，各配比下水泥乳化瀝青膠漿的耗散能隨疲勞荷載的變化規(guī)律可分為:快速增長期，緩慢增長期和急速增長期3個階段。在快速增長期，隨著加載次數(shù)的增多，耗散能迅速增大；直至加載次數(shù)達(dá)到一定值后，進(jìn)入緩慢增長期，耗散能的增長速率逐漸放緩，應(yīng)力水平越小，此階段的耗散能變化速率越慢，持續(xù)時間越長；當(dāng)加載次數(shù)達(dá)到一定值后，進(jìn)入急速增長期，耗散能隨著加載次數(shù)的增多急速增長，直至試件完全破壞。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是因?yàn)樗嗳榛癁r青膠漿中，瀝青為黏彈性材料，硬化后的水泥為剛性材料，在荷載作用初期，瀝青會有一段流變區(qū)，在流變期內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變滯后圈對應(yīng)的面積相等，因此瀝青部分的耗散能是一定的，沒有損傷產(chǎn)生，而水泥在荷載作用下無法發(fā)生相應(yīng)的緩沖形變，應(yīng)力無法得到釋放，水泥部分的損傷從加載開始就產(chǎn)生了，因此快速增長期主要是因?yàn)樗嗖糠值膿p傷造成的。進(jìn)入緩慢增長期后，水泥部分的損傷接近完成，瀝青部分的損傷逐漸開始，而具有黏彈屬性的瀝青在荷載作用下產(chǎn)生形變，使部分應(yīng)力得到釋放，因此損傷速率較慢；進(jìn)入急速增長期后，瀝青部分出現(xiàn)了大面積損傷，隨著加載次數(shù)的增多，損傷急速發(fā)展，試件很快達(dá)到破壞狀態(tài)。

表3 疲勞荷載對水泥乳化瀝青膠漿累計(jì)耗散能的影響Tab.3 Influence of fatigue load on cumulative dissipation energy of cement emulsified asphalt mortar

從表3可以看出，A/C一定時，隨著應(yīng)力的增大，水泥乳化瀝青破壞時對應(yīng)的累計(jì)耗散能逐漸減小，說明疲勞荷載越大，試件內(nèi)部出現(xiàn)裂縫越早，且裂縫的擴(kuò)展速度越快，因此累計(jì)耗散能越小。當(dāng)應(yīng)力一定時，隨著A/C的增大，水泥乳化瀝青膠漿破壞時的累計(jì)耗散能逐漸增大。解釋其原因主要為，當(dāng)A/C較小時，水泥乳化瀝青膠漿中彈性成分逐漸較多，黏性成分較少，隨著A/C的增大，膠漿中黏彈性比例發(fā)生變化，導(dǎo)致儲存模量增大，而損耗模量減小，疲勞荷載對試件所做的功大部分被完全消耗，得不到儲存，因此每個循環(huán)加載時所產(chǎn)生的耗散能逐漸增大，膠漿破壞時對應(yīng)的累計(jì)耗散能逐漸增大。

2.2 水泥乳化瀝青纖維復(fù)合材料黏彈行為

控制A/C=1.0不變，在水泥乳化瀝青膠漿中摻加不同摻量的玄武巖纖維(0%，1%，2%，3%和4%)，測定不同應(yīng)力水平時，試件耗散能和累計(jì)耗散能隨纖維摻量的變化規(guī)律，研究水泥乳化瀝青纖維復(fù)合材料的黏彈行為，試驗(yàn)結(jié)果如圖4和表4所示。

圖4 疲勞荷載對水泥乳化瀝青復(fù)合材料耗散能的影響Fig.4 Influence of fatigue load on dissipation energy of cement emulsified asphalt composite

從圖4可以看出，玄武巖纖維的摻入使水泥乳化瀝青膠漿破壞時對應(yīng)的疲勞荷載作用次數(shù)增多，且隨著纖維摻量的增多，試件破壞時對應(yīng)的加載次數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，當(dāng)纖維摻量為2%時，試件破壞時對應(yīng)的加載次數(shù)最大。摻入玄武巖纖維后，試件耗散能曲線變緩，且應(yīng)力水平越大，這一現(xiàn)象越明顯，表明纖維的加入能延緩水泥乳化瀝青的破壞速率。

從表4可以看出，當(dāng)應(yīng)力水平一定時，隨著玄武巖纖維摻量的增多，水泥乳化瀝青纖維復(fù)合材料破壞時的累計(jì)耗散能呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，當(dāng)纖維摻量為2%時，累計(jì)耗散能有最大值。這是因?yàn)?，?dāng)玄武巖纖維摻量小于2%時，纖維在水泥乳化瀝青膠漿中起到加筋作用，荷載作用下纖維得到拉伸，荷載對試件做的功被纖維的受力變形所消耗，此時增大纖維摻量使試件儲存的能量逐漸減小，因此累計(jì)耗散能逐漸增大。而當(dāng)玄武巖纖維摻量大于2%時，纖維在水泥乳化瀝青膠漿中的分散均勻性變差，此時增大纖維摻量造成部分纖維出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，成為水泥乳化瀝青中的應(yīng)力集中點(diǎn)，在荷載作下容易出現(xiàn)尖端裂縫，因此在疲勞荷載作用下更容易出現(xiàn)破壞，對應(yīng)的疲勞荷載作用次數(shù)減少，累計(jì)耗散能隨之減小。

表4 疲勞荷載對水泥乳化瀝青復(fù)合材料累計(jì)耗散能的影響Tab. 4 Influence of fatigue load on cumulative dissipation energy of cement emulsified asphalt composite

2.3 微觀機(jī)理分析

為了分析玄武巖纖維對水泥乳化瀝青膠漿黏彈行為的作用機(jī)理，利用掃描電鏡分別測試A/C=1.0時，添加纖維前后(纖維摻量為2%)水泥乳化瀝青膠漿的微觀形貌，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 水泥乳化瀝青纖維復(fù)合材料掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.5 SEM microstructure of cement emulsified asphalt fiber composite

從圖5可以看出，未摻加纖維時，水泥乳化瀝青膠漿固化體系的微觀結(jié)構(gòu)中，瀝青與水泥的水化產(chǎn)物相互包裹，形成良好的有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料結(jié)合體。在膠漿中摻入2%的玄武巖纖維后，纖維在復(fù)合基體中的分散性良好，玄武巖纖維良好的吸附能力，使瀝青黏附于纖維表面形成觸角狀結(jié)構(gòu)，在纖維的相交交聯(lián)中起到嵌鎖作用，增強(qiáng)了材料間的黏附性和整體性，因此使復(fù)合材料的黏彈行為發(fā)生改變。另外，玄武巖纖維具有加筋作用，纖維雜亂均勻地分散在水泥乳化瀝青膠漿中，相互搭接形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)疲勞荷載作用時，膠漿基體將應(yīng)力傳至纖維形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)受力變形使應(yīng)力得到釋放，因此改變了水泥乳化瀝青膠漿的黏彈行為。

3 結(jié)論

(1)隨著疲勞荷載作用次數(shù)的增多，水泥乳化瀝青膠漿的耗散能呈現(xiàn)快速增長期，緩慢增長期和急速增長期3個階段的變化規(guī)律；應(yīng)力水平越大，水泥乳化瀝青破壞的累計(jì)耗散越??；隨著A/C的增大，水泥乳化瀝青膠漿破壞時的累計(jì)耗散能逐漸增大。

(2)玄武巖纖維的摻入提高了水泥乳化瀝青膠漿的疲勞壽命，降低了耗散能曲線的變化速率；隨著纖維摻量的增多，疲勞壽命和累計(jì)耗散能呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，當(dāng)纖維摻量為2%時，疲勞壽命和累計(jì)耗散能都出現(xiàn)最大值。

(3)A/C=1.0的水泥乳化瀝青膠漿的微觀結(jié)構(gòu)具有良好的均勻性，玄武巖纖維能良好地分散在膠漿基體中；纖維對瀝青起到吸附作用，且纖維間相互搭接形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，改變了受力時水泥乳化瀝青膠漿的黏彈行為。