程 巖

（新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，新疆烏魯木齊 830011）

我國鐵路建設(shè)在近年來得到了飛速發(fā)展，這不僅取決于我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的穩(wěn)定提升，也歸因于裝備質(zhì)量和配套材料基本設(shè)施的快速進(jìn)步，截止2021年，我國鐵路營運(yùn)里程已達(dá)到16.8萬公里，其中高速鐵路4.9萬公里。在高速鐵路運(yùn)營過程中，采用混凝土、瀝青混合料等整體基礎(chǔ)取代散粒碎石道床的無砟軌道結(jié)構(gòu)發(fā)揮著重要作用，這主要是因?yàn)闊o砟軌道相較有砟軌道具有平順性好、穩(wěn)定性好、使用壽命長和耐久性好等特點(diǎn)［1-2］。CA砂漿作為無砟軌道中的重要原料，其填充至無砟軌道結(jié)構(gòu)中的使用性能和耐久性能將在很大程度上決定了無砟軌道的整體使用性能，這是因?yàn)镃A砂漿需要填充軌道板與混凝土底座間的空隙，需要自適應(yīng)地調(diào)整軌道結(jié)構(gòu)高度、需要承受軌道板的垂直荷載等［3-4］。因此，用于無砟軌道的CA砂漿需要具有良好的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度等力學(xué)性能，而實(shí)際應(yīng)用過程中的CA砂漿無法滿足現(xiàn)代化高速鐵路無砟軌道的使用要求［5］。目前，國內(nèi)外的研究大多從調(diào)整CA砂漿的成分配比的角度去提升其強(qiáng)度等性能，而采用改性的方法去提高強(qiáng)度方面的報(bào)道較少［6］。在此基礎(chǔ)上，本文擬考察單獨(dú)SBS改性、單獨(dú)CNFs改性和SBS+CNFs復(fù)合改性對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響，并分析了不同齡期下CA砂漿的力學(xué)性能變化規(guī)律，結(jié)果可為高速鐵路無砟軌道用CA砂漿的開發(fā)與應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

材料：P.O 42.5級(jí)水泥（28d抗折強(qiáng)度和28d抗壓強(qiáng)度分別為6.9MPa和46.1MPa），細(xì)骨料為河砂（表觀密度2.65g/cm3），70號(hào)B級(jí)基質(zhì)瀝青（軟化點(diǎn)47.9℃），納米碳纖維（CNFs、長度20μm、管徑160nm、體積密度0.044g/cm3），T6302線型SBS改性劑（拉伸強(qiáng)度18.6MPa）。

將基質(zhì)瀝青加熱至158℃完全融化后加入改性劑（CNFs、SBS），人工攪拌8min后升溫至178℃，再在高速攪拌器中攪拌均勻，制成改性瀝青，然后經(jīng)過熱熔、添加乳化劑和助劑形成膠體，機(jī)械分散后得到改性乳化瀝青。水泥乳化瀝青砂漿（CA砂漿）是將預(yù)先制備好的乳化瀝青、砂子和水等按比例混合后，通過攪拌、澆筑和養(yǎng)護(hù)后形成［7］。

按照GB/T 17671《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》，制備40mm×40mm×160mm的長方體試塊，在MTS微機(jī)伺服液壓控制器上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測試，加載速率為100N/s，每組試樣取5組，結(jié)果為去掉最大值和最小值后的3組試樣的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

表1為SBS摻量對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響，分別列出了7d和28d抗壓強(qiáng)度?？梢姡S著SBS摻量從0增加至4%，SBS改性CA砂漿的7d抗壓強(qiáng)度基本介于2.52~2.57 MPa，表明SBS摻量對(duì)CA砂漿的7d抗壓強(qiáng)度影響不大；從28d抗壓強(qiáng)度上看，隨著SBS摻量從0增加至4%，SBS改性CA砂漿的28d抗壓強(qiáng)度逐漸減小，在SBS摻量為4%時(shí)為4.35MPa，相較未摻加SBS的砂漿有明顯減小，可見，SBS改性會(huì)對(duì)CA砂漿的28d抗壓強(qiáng)度帶來不利影響。這主要是因?yàn)镾BS改性后，改性CA砂漿中會(huì)形成致密的瀝青膜，在一定程度上會(huì)抑制水泥與水的接觸，從而造成部分水泥未發(fā)生水化反應(yīng)［8］，相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度會(huì)有所減小，且SBS摻量越大則未發(fā)生水化反應(yīng)的水泥越多，抗壓強(qiáng)度會(huì)越小。

表1 SBS摻量對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響Table 1 Effect of SBS content on compressive strength of CA mortar

表2為CNFs摻量對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響，分別列出了7d和28d抗壓強(qiáng)度?？梢姡S著CNFs摻量從0增加至2.5%，CNFs改性CA砂漿的7d抗壓強(qiáng)度逐漸上升，從未添加CNFs時(shí)的2.52MPa增加至CNFs摻量為2.5%時(shí)的2.88MPa，表明CNFs改性有助于CA砂漿7d抗壓強(qiáng)度的提高；從28d抗壓強(qiáng)度上看，隨著CNFs摻量從0增加至2.5%，CNFs改性CA砂漿的28d抗壓強(qiáng)度逐漸增大，在CNFs摻量為2.5%時(shí)為12.88MPa，相較未摻加CNFs的砂漿有明顯增大，可見，CNFs改性會(huì)明顯改善CA砂漿的28d抗壓強(qiáng)度。這主要是因?yàn)镃NFs改性CA砂漿后，CNFs自身的小粒徑、大表面積結(jié)構(gòu)會(huì)吸附較多的水分，從而使得CA砂漿中未水化的水泥繼續(xù)發(fā)生水化反應(yīng)，從而使得CA砂漿中水泥的水化反應(yīng)更加充分，此外，CNFs自身的小粒徑還有利于增加CA砂漿的致密性，二者共同作用下提升了CA砂漿的7d和28d抗壓強(qiáng)度。

表2 CNFs摻量對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響Table 2 Effect of CNFs content on compressive strength of CA mortar

表3為SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響?？梢?，無論SBS摻量是1%、2%、3%還是4%，SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度都會(huì)隨著CNFs摻量的增加而先增大后減小，在CNFs摻量為1.5%時(shí)取得最大值。此外，對(duì)比分析還可以發(fā)現(xiàn)，在CNFs摻量相同的條件下，SBS和CNFs復(fù)合添加對(duì)CA砂漿的28d抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著SBS摻量的增加而減小，可見，SBS摻量的增加也會(huì)對(duì)SBS和CNFs復(fù)合添加時(shí)CA砂漿的28d抗壓強(qiáng)度帶來不利影響，這也與其會(huì)抑制水泥發(fā)生水化反應(yīng)有關(guān)［9］。表4為 SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)不同齡期CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響，分別列出了齡期為1d、7d和28d時(shí)的抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果?？梢?，無論齡期是1d、7d還是28d，在SBS摻量不變的條件下，SBS和CNFs復(fù)合改性CA砂漿抗壓強(qiáng)度隨著CNFs摻量變化趨勢基本相同，即都會(huì)隨著CNFs摻量增加而先增大后減小，在CNFs摻量為1.5%時(shí)取得最大值。綜合而言，SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律不會(huì)因?yàn)辇g期而發(fā)生改變。

表3 SBS和CNFs復(fù)合添加對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響Table 3 Effect of composite addition of SBS and CNFs on compressive strength of CA mortar

表4 SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)不同齡期CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響Table 4 Effect of SBS and CNFs composite modification on compressive strength of CA mortar at different ages

2.2 抗折強(qiáng)度

表5為SBS摻量對(duì)CA砂漿抗折強(qiáng)度的影響，分別列出了7d和28d抗折強(qiáng)度。可見，隨著SBS摻量從0增加至4%，SBS改性CA砂漿的7d抗折強(qiáng)度逐漸減小，表明SBS摻量對(duì)CA砂漿的7d抗折強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生不利影響；從28d抗折強(qiáng)度上看，隨著SBS摻量從0增加至4%，SBS改性CA砂漿的28d抗折強(qiáng)度逐漸減小，在SBS摻量為4%時(shí)為2.71MPa，相較未摻加SBS的砂漿有明顯減小，可見，SBS改性會(huì)對(duì)CA砂漿的28d抗折強(qiáng)度帶來不利影響。這主要是因?yàn)镾BS改性后，改性CA砂漿中會(huì)形成致密的瀝青膜，在一定程度上會(huì)抑制水泥與水的接觸，從而造成部分水泥未發(fā)生水化反應(yīng)［10］，相應(yīng)的抗折強(qiáng)度會(huì)有所減小，且SBS摻量越大則未發(fā)生水化反應(yīng)的水泥越多，抗折強(qiáng)度會(huì)越小。此外，在長時(shí)間冷凍處理后，改性砂漿的脆性會(huì)持續(xù)上升，在受到彎拉作用時(shí)的界面更加薄弱，抗折強(qiáng)度會(huì)明顯減小［11］。

表5 SBS摻量對(duì)CA砂漿抗折強(qiáng)度的影響Table 5 Effect of SBS content on flexural strength of CA mortar

表6為CNFs摻量對(duì)CA砂漿抗折強(qiáng)度的影響，分別列出了7d和28d抗折強(qiáng)度?？梢?，隨著CNFs摻量從0增加至2.5%，CNFs改性CA砂漿的7d抗折強(qiáng)度逐漸上升，從未添加CNFs時(shí)的1.12MPa增加至CNFs摻量為2.5%時(shí)的1.31MPa，表明CNFs改性有助于CA砂漿7d抗折強(qiáng)度的提高；從28d抗折強(qiáng)度上看，隨著CNFs摻量從0增加至2.5%，CNFs改性CA砂漿的28d抗折強(qiáng)度逐漸增大，在CNFs摻量為2.5%時(shí)為6.23MPa，相較未摻加CNFs的砂漿有明顯增大，可見，CNFs改性會(huì)明顯改善CA砂漿的28d抗折強(qiáng)度。這主要是因?yàn)镃NFs改性CA砂漿后，CNFs自身的小粒徑、大表面積結(jié)構(gòu)會(huì)吸附較多的水分［12］，從而使得CA砂漿中未水化的水泥繼續(xù)發(fā)生水化反應(yīng)，從而使得CA砂漿中水泥的水化反應(yīng)更加充分［13］，此外，CNFs自身的小粒徑還有利于增加CA砂漿的致密性［14］，二者共同作用下提升了CA砂漿的7d和28d抗折強(qiáng)度。

表6 CNFs摻量對(duì)CA砂漿抗折強(qiáng)度的影響Table 6 Effect of CNFs content on flexural strength of CA mortar

表7為SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)CA砂漿抗折強(qiáng)度的影響。可見，無論SBS摻量是1%、2%、3%還是4%，SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)CA砂漿抗折強(qiáng)度都會(huì)隨著CNFs摻量的增加而先增大后減小，在CNFs摻量為1.5%時(shí)取得最大值。此外，對(duì)比分析還可以發(fā)現(xiàn)，在CNFs摻量相同的條件下，SBS和CNFs復(fù)合添加對(duì)CA砂漿的28d抗折強(qiáng)度會(huì)隨著SBS摻量的增加而減小，可見，SBS摻量的增加也會(huì)對(duì)SBS和CNFs復(fù)合添加CA砂漿的28d抗折強(qiáng)度帶來不利影響，這也與其會(huì)抑制水泥發(fā)生水化反應(yīng)有關(guān)［15］。

表7 SBS和CNFs復(fù)合添加對(duì)CA砂漿抗折強(qiáng)度的影響Table 7 Effect of SBS and CNFs on flexural strength of CA mortar

表8為 SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)不同齡期CA砂漿抗折強(qiáng)度的影響，分別列出了齡期為7d和28d時(shí)的抗折強(qiáng)度測試結(jié)果?？梢姡瑹o論齡期是7d還是28d，在SBS摻量不變的條件下，SBS和CNFs復(fù)合改性CA砂漿抗折強(qiáng)度隨著CNFs摻量變化趨勢基本相同，即都會(huì)隨著CNFs摻量增加而先增大后減小，在CNFs摻量為1.5%時(shí)取得最大值。綜合而言，SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)CA砂漿抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律不會(huì)因?yàn)辇g期而發(fā)生改變，這與SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律一致。

表8 SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)不同齡期CA砂漿抗折強(qiáng)度的影響Table 8 Effect of SBS and CNFs composite modification on flexural strength of CA mortar at different ages

3 結(jié)論

（1）隨著SBS摻量從0增加至4%，SBS改性CA砂漿的7d抗壓強(qiáng)度基本不變，28d抗壓強(qiáng)度逐漸減小；隨著CNFs摻量從0增加至2.5%，CNFs改性CA砂漿的7d和28d抗壓強(qiáng)度逐漸上升，7d抗壓強(qiáng)度從未添加CNFs時(shí)的2.52MPa增加至CNFs摻量2.5%時(shí)的2.88MPa，在CNFs摻量為2.5%時(shí)改性砂漿的28d抗壓強(qiáng)度為12.88MPa，相較未摻加CNFs的砂漿有明顯增大。無論SBS摻量是1%、2%、3%還是4%，SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)CA砂漿抗壓強(qiáng)度都會(huì)隨著CNFs摻量的增加而先增大后減小，在CNFs摻量為1.5%時(shí)取得最大值。在CNFs摻量相同的條件下，SBS和CNFs復(fù)合添加對(duì)CA砂漿的28d抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著SBS摻量的增加而減小。

（2）隨著SBS摻量從0增加至4%，SBS改性CA砂漿的7d和28d抗折強(qiáng)度逐漸減小，可見，SBS改性會(huì)對(duì)CA砂漿的7d和28d抗折強(qiáng)度帶來不利影響；隨著CNFs摻量從0增加至2.5%，CNFs改性CA砂漿的7d和28d抗折強(qiáng)度逐漸上升，相較未摻加CNFs的砂漿有明顯增大；無論SBS摻量是1%、2%、3%還是4%，SBS和CNFs復(fù)合改性對(duì)CA砂漿抗折強(qiáng)度都會(huì)隨著CNFs摻量的增加而先增大后減小，在CNFs摻量為1.5%時(shí)取得最大值。此外，在CNFs摻量相同的條件下，SBS和CNFs復(fù)合添加對(duì)CA砂漿的28d抗折強(qiáng)度會(huì)隨著SBS摻量的增加而減小。

（3）無論齡期是1d、7d還是28d，在SBS摻量不變的條件下，SBS和CNFs復(fù)合改性CA砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨著CNFs摻量變化趨勢基本相同，即都會(huì)隨著CNFs摻量增加而先增大后減小，在CNFs摻量為1.5%時(shí)取得最大值。