李可鑫

（山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

水泥乳化瀝青砂漿（CEAM）是一種半剛性的復(fù)合材料，是用在高鐵中代替?zhèn)鹘y(tǒng)有砟軌道不可或缺的材料[1]。CEAM 由硅酸鹽水泥，乳化瀝青，細(xì)集料，水和外加劑組成[2]。由于維護(hù)需求較低，結(jié)構(gòu)高度較低，靜載較小，結(jié)構(gòu)尺寸較小，同時(shí)可靠性更高[3]，CEAM 被廣泛用于現(xiàn)代高速鐵路中。與傳統(tǒng)有砟軌道相比，CEAM的施工初期成本略高于傳統(tǒng)有砟軌道，但周期性成本卻大大降低[4]。此外，CEAM 的作用還包括減少和消散軌道振動(dòng)，調(diào)整軌道的幾何形狀以及將列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的荷載傳遞給下層等。

CEAM 層不僅具有瀝青結(jié)合料的柔性，還具有水泥砂漿的強(qiáng)度，因此CEAM 的性能特性與純水泥或?yàn)r青材料相比有很大的不同[5,6]。瀝青與水泥（A/C）、水與水泥（W/C）和砂與水泥（S/C）的比例對(duì)CEAM 的力學(xué)性能有顯著影響。有研究指出，隨著A/C 的提高，CEAM 的彈性模量、抗壓強(qiáng)度都會(huì)降低[7-10]，改變A/C 的值，可以顯著改變CEAM 的空隙率及空隙分布、和易性[9]和溫度敏感性[7]。此外，A/C 的增大可能導(dǎo)致CEAM 的流動(dòng)性降低[7,8]，塑性增大[10]。有研究證明，斷裂能參數(shù)可以評(píng)價(jià)不同的瀝青水泥比例對(duì)CEAM 性能的影響。綜上，以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的試驗(yàn)可以很好的評(píng)價(jià)CEAM 的疲勞性能。

本文運(yùn)用斷裂力學(xué)原理，采用SCB 試驗(yàn)方法研究了CEAM 的抗疲勞斷裂性能。研究了三個(gè)不同的參數(shù)：斷裂位移、斷裂能（Gf）和臨界應(yīng)變能釋放率（Jc）的評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性。討論了試樣尺寸、切口長(zhǎng)度、厚度以及外加劑對(duì)CEAM 斷裂特性參數(shù)的影響。最后，提出了不受上述因素影響的CEAM 抗疲勞開(kāi)裂性能評(píng)價(jià)的最佳參數(shù)。

1 原材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)原材料包括Ⅰ型硅酸鹽水泥，其物理化學(xué)性質(zhì)如表1所示。固含量59%的慢裂陽(yáng)離子乳化瀝青，其基本性質(zhì)如表2所示。細(xì)集料，其密度為2.55、吸水率為3.01%，混合料合成集配如圖1所示。

表1 硅酸鹽水泥的物理化學(xué)性質(zhì)

表2 陽(yáng)離子乳化瀝青

圖1 集料集配

聚羧酸系高效減水劑（固體含量為40±1%，pH 值為7±1，20℃下密度為1.17±0.05），用以滿(mǎn)足CEAM的和易性。此外，為防止混合料起泡添加了有機(jī)硅消泡劑。為明確外加劑對(duì)CEAM 斷裂性能的影響，使用了納米二氧化硅作為水泥和瀝青基材料的改性劑，其物理化學(xué)性質(zhì)如表3所示。

表3 納米二氧化硅顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)

1.2 試樣制備

為探究摻加二氧化硅的影響，設(shè)置了對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組。對(duì)照組A/C 為0.4，水泥含量為500kg/m3，S/C 為1.99，消泡劑與水泥的質(zhì)量比為0.07，標(biāo)記為N1。實(shí)驗(yàn)組混合料分別添加0.5%、1.0%和1.5%的納米二氧化硅，分別標(biāo)記為N2、N3 和N4。先制備CEAM，首先，將乳化瀝青，消泡劑和95%的水（實(shí)驗(yàn)組還加入納米二氧化硅）在140r/min 下攪拌1 分鐘。隨后，將飽和面干砂（SSD）添加到混合料中，然后繼續(xù)以140r/min 速度攪拌，同時(shí)在1 分鐘內(nèi)將硅酸鹽水泥逐漸添加到攪拌器中。最后，將剩余的水和減水劑加到砂漿中，并以285r/min 的速度將砂漿攪拌2.5 分鐘。為避免形成氣泡，以低速繼續(xù)攪拌30 秒?；旌线^(guò)程完成后，將制成的砂漿立即倒入立方體和圓柱體試模中。用塑料板覆蓋試樣并將其放置在養(yǎng)生室中（20±3℃、相對(duì)濕度95%下養(yǎng)生7 天，然后在20±3℃、相對(duì)濕度65%下養(yǎng)生至28 天）。

1.3 試驗(yàn)方案

本研究的主要目的是找出能評(píng)估CEAM 抗疲勞開(kāi)裂性能的最佳參數(shù)。IDT 和SCB 試驗(yàn)均在25℃下進(jìn)行，其樣品總數(shù)分別為12 個(gè)和252 個(gè)。這些樣品均從36 個(gè)圓柱形CEAM 試驗(yàn)中切取。

對(duì)兩種不同的試樣厚度（25 和57mm）、四種切口長(zhǎng)度（15.0、25.4、31.8 和38.0 mm）和兩種試樣尺寸（直徑100 和150 mm）的試樣進(jìn)行了試驗(yàn)，以研究這些參數(shù)是否對(duì)CEAM 的開(kāi)裂性能有影響。試驗(yàn)變量組合如表4所示。

表4 試驗(yàn)變量組合

2 結(jié)果與討論—對(duì)CEAM 疲勞開(kāi)裂的影響因素

2.1 切口長(zhǎng)度的影響

研究選取三種不同切口長(zhǎng)度的CEAM 試樣，探討切口長(zhǎng)度對(duì)斷裂性能的影響。三個(gè)不同切口長(zhǎng)度分別取三次重復(fù)試驗(yàn)得到的斷裂能（Gf）和斷裂位移值的平均值。

試驗(yàn)結(jié)果表明，具有不同切口長(zhǎng)度的CEAM 樣品的應(yīng)變能破壞斜率與切口長(zhǎng)度之間沒(méi)有顯著聯(lián)系。因此，Jc 值作為斷裂參數(shù)與切口長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。

2.2 試樣厚度的影響

由于現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)CEAM 層厚度可能發(fā)生變化，CEAM 試樣厚度是影響其斷裂參數(shù)的關(guān)鍵因素之一。為評(píng)估厚度的影響，制備了兩種不同厚度的CEAM 試樣并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

不同厚度CEAM 混合料的dU/da 和樣品厚度的比率幾乎一致。這說(shuō)明Jc 與樣品厚度無(wú)關(guān)。

2.3 試樣尺寸的影響

尺寸效應(yīng)是材料性能評(píng)價(jià)中需要考慮的重要問(wèn)題之一。為了評(píng)估小尺寸試樣（如直徑小于150 mm 的圓柱形試樣）在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以及探究斷裂參數(shù)作為材料特性評(píng)價(jià)參數(shù)的合理性，需要研究試樣尺寸對(duì)斷裂指標(biāo)的影響。

本研究制作了兩種不同的直徑的（100mm 和150 mm）CEAM 樣品，計(jì)算了本研究中考慮的所有三個(gè)斷裂參數(shù)。

結(jié)果證明樣品尺寸的減小改變了CEAM 樣品斷裂時(shí)的斷裂能和位移。因此CEAM 混合料的Gf 以及斷裂位移和尺寸有關(guān)。而樣本大小對(duì)另一個(gè)參數(shù)Jc 的影響，也需要討論。對(duì)不同直徑CEAM 樣本進(jìn)行SCB 試驗(yàn)得到對(duì)于各種不同試樣尺寸的CEAM 混合料，Jc 參數(shù)有較高的相關(guān)性，因此臨界應(yīng)變能釋放率與尺寸無(wú)關(guān)。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)（IDT）和半圓彎曲試驗(yàn)（SCB）在常溫下對(duì)水泥乳化瀝青砂漿（CEAM）的抗疲勞開(kāi)裂性能進(jìn)行了研究。為了闡明斷裂參數(shù)能否評(píng)估加入添加劑的CEAM 的抗疲勞開(kāi)裂性能，將納米二氧化硅以三種不同的含量添加到CEAM 中。結(jié)果表明，IDT 試驗(yàn)不足以評(píng)價(jià)添加劑（如納米二氧化硅）對(duì)CEAM 抗疲勞開(kāi)裂性能的影響。相比之下，SCB 測(cè)試得到的三個(gè)斷裂參數(shù)，包括斷裂位移、Gf和Jc，都能很好地表征添加劑的作用。為了找到最佳的參數(shù)來(lái)探索CEAM 的抗疲勞開(kāi)裂性，研究了試樣尺寸，厚度和切口長(zhǎng)度對(duì)斷裂參數(shù)評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性的影響。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和相關(guān)分析表明，除了試樣尺寸外，斷裂位移和斷裂能與其他影響因素?zé)o關(guān)。而Jc參數(shù)，各種影響因素都對(duì)其評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性沒(méi)有影響。因此，Jc 可以認(rèn)為是評(píng)價(jià)CEAM 抗疲勞開(kāi)裂性能的良好參數(shù)。