周彥冰 石晨光 陳輝民 王 軒 王厚植 楊 軍

(東南大學(xué)交通學(xué)院 南京 211100)

0 引 言

使用如改性瀝青、環(huán)氧瀝青等替代性材料對(duì)道砟進(jìn)行固化處理,既可減少安全隱患,也可以降低成本,提高性能[1].在瀝青混合料中添加高彈性橡膠顆粒,并通過控制級(jí)配和成型工藝,制備高膠瀝青混合料.高膠瀝青混合料具有相對(duì)較低的剛度、良好的承載能力和應(yīng)力分散能力,應(yīng)用了該瀝青混合料技術(shù)的彈性道床稱為高膠瀝青彈性道床(下稱高膠道床).

裝配式施工是指把傳統(tǒng)施工中的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)轉(zhuǎn)移到工廠進(jìn)行,在工廠預(yù)制產(chǎn)品[2].該方法施工便捷,降低成本,適合高膠道床的生產(chǎn).但是,預(yù)制高膠道床有兩個(gè)問題需要解決:①高膠道床需要和軌枕保持黏結(jié);②對(duì)于軌枕因誤差而與道床間的空隙,需要找到可以便捷、快速地填充空隙的材料.環(huán)氧瀝青混合料具有強(qiáng)度高、高溫穩(wěn)定性能、抗疲勞性能以及抗侵蝕性能等特點(diǎn)[3],并且,環(huán)氧瀝青砂漿是一種不同于普通瀝青砂漿的熱固性材料,具有良好的黏結(jié)強(qiáng)度和流動(dòng)性.

目前,對(duì)于黏結(jié)材料的研究通常采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法[4-5].丁敏[6]通過有限元軟件研究防水黏結(jié)層的模量對(duì)層間剪應(yīng)力的影響,并推薦模量較小的材料作為防水黏結(jié)層.此外,界面黏附受到許多因素影響,如物理因素、材料類型和外部環(huán)境[7-8].趙勝等[9-10]針對(duì)目前關(guān)于黏結(jié)材料的用量確定方法并不明確,分別從層次分析法和變形能的角度提出了確定用量的優(yōu)化方法.黃余陽(yáng)陽(yáng)[11]以SBS、SBR改性乳化瀝青、普通乳化瀝青和熱瀝青等6種黏結(jié)材料作為研究對(duì)象,得到了黏結(jié)材料、用量、混合料級(jí)配等因素對(duì)結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度的影響.

文中選擇環(huán)氧瀝青砂漿作為黏結(jié)材料,確定最佳配合比、最佳用量及該用量下高膠瀝青混合料-環(huán)氧瀝青砂漿-水泥混凝土結(jié)構(gòu)的黏結(jié)性能.通過Abaqus建立混凝土軌枕-環(huán)氧瀝青砂漿-高膠道床(下稱軌枕-道床)結(jié)構(gòu)的模型,驗(yàn)證裝配式施工的可行性.

1 材料制備與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

將粒徑為2.36 mm以下的細(xì)集料、礦粉與瀝青的混合物稱為瀝青砂漿.細(xì)集料采用與粗集料同一廠家的石灰?guī)r顆粒,膠結(jié)料中瀝青組分采用江蘇某公司生產(chǎn)的I-D型SBS改性瀝青,環(huán)氧組分采用東南大學(xué)黃衛(wèi)院士團(tuán)隊(duì)研制開發(fā)的國(guó)產(chǎn)環(huán)氧樹脂及固化劑.

1.2 制備工藝

在190 ℃烘箱中加熱SBS改性瀝青,稱量所需礦質(zhì)集料并在200 ℃的烘箱中加熱.拌和工藝流程見圖1.

圖1 環(huán)氧瀝青砂漿制備拌和工藝流程圖

1.3 成型小梁試件和抗壓試件

通過靜壓成型的方式成型300 mm×300 mm×50 mm的環(huán)氧瀝青砂漿車轍板,使車轍板在60 ℃的烘箱中養(yǎng)生3 d后,采用瀝青混凝土切割機(jī)在將車轍板切割成多個(gè)160 mm×40 mm×40 mm的棱柱體試件用于小梁彎曲試驗(yàn),小梁彎曲試驗(yàn)后的兩個(gè)半棱柱試件將用于抗壓試驗(yàn).

1.4 成型復(fù)合試件

參照混凝土III型軌枕和高膠道床,通過車轍板模具分別成型并養(yǎng)護(hù)好與實(shí)際工程相同材料和工藝的水泥混凝土板和高膠瀝青車轍板,各板尺寸均為300 mm×300 mm×50 mm,并通過上述試驗(yàn)得出的最佳配合比的環(huán)氧瀝青砂漿作為黏結(jié)材料,將其按照不同的用量黏結(jié)水泥混凝土板和高膠瀝青車轍板,分別形成不同用量下的高膠瀝青混合料-水泥混凝土復(fù)合試件,用量分別為:15,16,17,18和19 kg/m2.待養(yǎng)生完成后將5塊復(fù)合試件均切割成5 mm×5 mm×7 mm的小試件,用于界面拉拔試驗(yàn)和斜剪試驗(yàn),見圖2.

圖2 試驗(yàn)試件

1.5 試驗(yàn)方案

1.5.1小梁彎曲試驗(yàn)

將小梁彎曲試件放入環(huán)境箱在25 ℃下保溫4 h,再通過MTS以中心加荷法對(duì)環(huán)氧瀝青砂漿棱柱體試件進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn),測(cè)試其小梁彎曲強(qiáng)度.將試體側(cè)面的中心放在MTS傳力桿正下方,試體長(zhǎng)軸垂直于底座的垂直圓柱,通過傳力桿以(50±10) N/s的速率均勻地將荷載垂直地加在棱柱體相對(duì)側(cè)面上,直至試件折斷.小梁彎曲強(qiáng)度Rf以MPa為單位,為

Rf=1.5FfL/b3

(1)

式中:Ff為折斷時(shí)施加于棱柱體中部的荷載,N;L為支撐圓柱之間的距離,mm;B為棱柱體正方形截面的邊長(zhǎng),mm.

1.5.2抗壓試驗(yàn)

通過壓力機(jī)對(duì)小梁彎曲試驗(yàn)破壞后的半棱柱體進(jìn)行抗壓試驗(yàn).半截棱柱體中心與壓力機(jī)壓板受壓中心差應(yīng)在±0.5 mm內(nèi),棱柱體露在壓板外的部分約有10 mm.在整個(gè)加荷過程中以(2 400±200) N/s的速率均勻地加荷直至破壞.抗壓強(qiáng)度Rc以MPa為單位,為

Rf=Fc/A

(2)

式中:Fc為破壞時(shí)的最大荷載,N;A為受壓部分面積,mm2(40 mm×40 mm).

1.5.3流動(dòng)度試驗(yàn)

通過瀝青混凝土劉埃爾流動(dòng)性試驗(yàn)儀進(jìn)行劉埃爾流動(dòng)度測(cè)試.步驟如下.

步驟1將剛拌合好的環(huán)氧瀝青砂漿沿桶的邊沿注入桶內(nèi),將支架立于桶的邊沿,預(yù)熱的落錘通過支架的導(dǎo)孔垂直置于試樣表面的正中央.

步驟2放下落錘,記錄落錘上兩個(gè)刻度線通過導(dǎo)孔的時(shí)間間隔,即為環(huán)氧瀝青砂漿的流動(dòng)性.

1.5.4斜剪試驗(yàn)

環(huán)氧瀝青砂漿應(yīng)控制用量.用量不足時(shí),不能形成連續(xù)、均勻的薄層,無法提供足夠的黏結(jié)力;反之,涂刷過量,層間會(huì)形成軟弱夾層.同樣影響拉拔強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度.

將不同用量的復(fù)合試件放入環(huán)境箱在25 ℃下保溫4 h,采用810MTS單軸伺服液壓機(jī)對(duì)保溫后的復(fù)合試件進(jìn)行勻速剪切,加載速率為5 mm/min.

根據(jù)MTS記錄的最大荷載值,計(jì)算復(fù)合試件在斜剪試驗(yàn)下的層間剪切強(qiáng)度.

p=(F/A)×sin30°

(3)

式中:p為層間剪切強(qiáng)度,MPa;F為剪切力峰值,N;A為試件面積,m2.

1.5.5界面拉拔試驗(yàn)

將不同用量的復(fù)合試件放入環(huán)境箱在25 ℃下保溫4 h,采用拉拔儀,對(duì)保溫后的復(fù)合試件進(jìn)行勻速拉拔,加載速率為10 mm/min.

根據(jù)拉拔儀記錄的最大荷載值,計(jì)算復(fù)合試件在拉拔試驗(yàn)下的黏結(jié)強(qiáng)度:

p=F/A

(4)

式中:p為黏結(jié)強(qiáng)度,MPa;F為拉拔力峰值,N;A為試件面積,m2.

2 軌枕-瀝青塊單元吊裝力學(xué)分析

2.1 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)泰波級(jí)配理論的最大密度曲線為

Pi=(di/D)n×100%

(5)

式中:Pi為粒徑為di的通過百分率;D為礦質(zhì)混合料的最大粒徑,此處為2.36 m;n為實(shí)驗(yàn)指數(shù),此處參照Superpave,取n=0.45.

根據(jù)JTGF40—2017《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》推薦瀝青膜計(jì)算為

Pb=TF×SA

(6)

式中:Pb為瀝青用量(瀝青質(zhì)量占瀝青混合料總質(zhì)量的比率);TF為瀝青膜厚度,μm;SA為集料比表面積,cm2/g;SA根據(jù)美國(guó)AI給出的式(7)估算.

SA=10×[0.41+0.004 1P4.75+0.008 2P2.36+

0.016 4P1.18+0.028 77P0.6+0.061 4P0.3+

0.122P0.15+0.327 7P0.075]

(7)

式中:Pi為粒徑為di的通過百分率.

以混合料耐久性能為評(píng)價(jià)指標(biāo),結(jié)合集料的隨機(jī)空間分布數(shù)學(xué)模型,建立了一種新的瀝青膜厚度預(yù)測(cè)模型——The VIRTUAL Model.該模型預(yù)測(cè)瀝青膜厚度為8.5～13.5 μm.結(jié)合該研究結(jié)果,本文假定環(huán)氧瀝青砂漿的平均瀝青膜厚度取為9.5 μm[12].

礦粉相比于其他細(xì)集料來說,其比表面積較大,且在瀝青用量計(jì)算公式中其系數(shù)也較大,所以礦粉的含量不僅僅影響砂漿的集料組成,對(duì)瀝青用量也有極大影響,對(duì)砂漿的性能影響較大.

環(huán)氧瀝青砂漿試件抗彎拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值稱為彎壓比.彎壓比用來表示砂漿的柔韌性,彎壓比越大,砂漿的柔韌性就越好,易于成型,便于施工;反之,彎壓比越小越容易開裂[13].優(yōu)異的彎壓比可以使得砂漿在與其他材料黏結(jié)時(shí)容易形成很好的黏結(jié)界面,附著強(qiáng)度高,為后續(xù)施工工作節(jié)約時(shí)間和成本.此外,考慮到環(huán)氧瀝青砂漿需要填充軌枕和道床之間可能存在的空隙,所以也需要考慮環(huán)氧瀝青砂漿的流動(dòng)度.因此,綜合考慮彎壓比、流動(dòng)度確定環(huán)氧瀝青砂漿中的礦粉的比例以確定最佳配合比.

由式(1)可確定礦粉/集料大致在8%～11%,故分別選擇礦粉與集料的比值為8%、9%、10%、11%的四組計(jì)算其最佳油石比,并測(cè)試其彎壓比和流動(dòng)度,測(cè)試結(jié)果見圖3.

圖3 不同配合比下環(huán)氧瀝青砂漿小梁試件的彎壓比基和流動(dòng)度

由圖3可知:當(dāng)?shù)V粉占集料的比例不足10%時(shí),環(huán)氧瀝青砂漿的彎壓比和流動(dòng)度隨著礦粉比例的提高而提高;而當(dāng)?shù)V粉占集料的比例達(dá)到10%后,環(huán)氧瀝青砂漿的彎壓比和流動(dòng)度隨著礦粉比例的提高而降低.因此,選擇礦粉/集料為10%作為環(huán)氧瀝青砂漿的最佳配合比.

2.2 黏結(jié)性能測(cè)試

不同用量下環(huán)氧瀝青砂漿黏結(jié)后的復(fù)合試件層間剪切強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度,見圖4.

圖4 環(huán)氧瀝青砂漿不同用量下復(fù)合試件層間剪切強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度

由圖4可知:環(huán)氧瀝青砂漿用量在17 kg/m2時(shí),復(fù)合試件層間剪切強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)到最大值,分別為2.40和0.57 MPa.

綜合剪切試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)對(duì)于復(fù)合試件而言,環(huán)氧瀝青砂漿作為黏結(jié)材料的最佳用量均為17 kg/m2,并將之作為軌枕—道床結(jié)構(gòu)黏結(jié)材料用量的控制依據(jù).

2.3 黏結(jié)行為設(shè)置

2.3.1黏結(jié)行為定義

在Abaqus中,根據(jù)實(shí)際的黏結(jié)材料試驗(yàn)結(jié)果,膠合力學(xué)理論將黏結(jié)材料的黏結(jié)行為變化曲線看成是一個(gè)三角形,見圖5.通過對(duì)2.1的復(fù)合試件黏結(jié)性能測(cè)試結(jié)果分析,計(jì)算Fmax、δinit和δfail,并將上述參數(shù)代入Abaqus的接觸作用模塊,模擬環(huán)氧瀝青砂漿的黏結(jié)行為,其中Fmax是最大黏結(jié)強(qiáng)度,δinit是Fmax對(duì)應(yīng)的界面位移,δfail是黏結(jié)材料失效時(shí)的界面位移量.

圖5 黏結(jié)行為變化曲線

基于斜剪試驗(yàn)和界面拉拔試驗(yàn)計(jì)算得到界面法向和切向張力-位移關(guān)系,由黏聚力模型理論可知:模型共涉及到法向及切向方向的張力-位移關(guān)系.本文前面通過試驗(yàn)得到的法向張力-位移關(guān)系以及切向方向的張力-位移關(guān)系參數(shù)見表1.選用最大名義應(yīng)力準(zhǔn)則(maximum nominal stress)為起始損傷判據(jù),采用BK(Benzeggagh-Kenane) 準(zhǔn)則為破壞演變準(zhǔn)則.最大名義應(yīng)力準(zhǔn)則的定義為:當(dāng)任何一個(gè)名義應(yīng)力比值達(dá)到1時(shí),損傷開始.即當(dāng)計(jì)算結(jié)果中某處的初始損傷變量CSMAXSCRT數(shù)值達(dá)到1時(shí),該處表面的環(huán)氧瀝青砂漿開始出現(xiàn)斷裂,隨后開始裂縫擴(kuò)展?fàn)顩r,此時(shí)判定環(huán)氧瀝青砂漿難以滿足軌枕-道床結(jié)構(gòu)的吊裝要求[14].

表1 黏聚力模型參數(shù)

2.3.2參數(shù)設(shè)置

模擬的軌枕-道床單元由下列部分構(gòu)成:長(zhǎng)2.6 m、寬0.32 m、高0.26 m的混凝土Ⅲ型軌枕和長(zhǎng)1.05 m、寬0.5 m、高0.35 m的高膠道床,見圖6.有限元模型中,軌枕采用均質(zhì)、線彈性、各向同性的假定,而道床作為一種瀝青混合料,是典型的黏彈性材料.在不同的溫度和加載頻率作用下,瀝青混合料的力學(xué)特性變化很大.因此,采用Abaqus內(nèi)置的黏彈性材料模型,即采用Prony級(jí)數(shù)輸入瀝青混合料的黏彈性參數(shù).材料參數(shù)分別見表2～3.

表2 材料計(jì)算參數(shù)

表3 高膠道床的prony參數(shù)

圖6 軌枕-道床單元

2.4 結(jié)果分析

2.4.1靜態(tài)分析

在standard分析中,需要通過接觸對(duì)的形式(node-surface)定義軌枕和高膠道床的接觸界面,界面共分為8對(duì)接觸面.在軌枕底部施加固定端約束,施加范圍分別在于道床相鄰的左右各0.1 m范圍內(nèi),同時(shí)施加全局范圍內(nèi)的重力,軌枕-高膠道床單元在自重作用下的靜態(tài)吊裝計(jì)算結(jié)果,見圖7.

圖7 軌枕-道床單元在靜態(tài)吊裝狀態(tài)下的環(huán)氧瀝青砂漿損傷萌生情況

由圖7可知:軌枕-高膠道床單元在靜態(tài)吊裝的過程中,僅有一對(duì)接觸面的CSMAXSCRT在3×10-2左右,有兩對(duì)接觸面的CSMAXSCRT在1.5×10-2左右,遠(yuǎn)小于1,其余各對(duì)接觸面的CSMAXSCRT均為0,且損傷萌生的位置均出現(xiàn)在道床與軌枕的豎直面相接觸處.這表明在靜態(tài)吊裝過程中,環(huán)氧瀝青砂漿的剪切強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度足以滿足要求,且相對(duì)薄弱面在道床與軌枕的豎直面相接觸處.

2.4.2動(dòng)態(tài)分析

在動(dòng)態(tài)力學(xué)分析中,在軌枕底部設(shè)置邊界條件,控制軌枕在豎直方向緩慢移動(dòng),范圍與靜態(tài)分析相同,同時(shí)施加全局范圍內(nèi)的重力,以此來檢測(cè)環(huán)氧瀝青砂漿的黏結(jié)性能是否足以拉起高膠道床,使其完成整個(gè)吊裝過程.軌枕-道床單元在自重作用下的動(dòng)態(tài)吊裝計(jì)算結(jié)果,見圖8.

圖8 軌枕-高膠道床單元在動(dòng)態(tài)吊裝狀態(tài)下的環(huán)氧瀝青砂漿損傷萌生情況

由圖8可知:軌枕-道床單元在動(dòng)態(tài)吊裝的過程中,僅有部分接觸面的CSMAXSCRT相較于靜態(tài)吊裝有所增長(zhǎng),但仍然遠(yuǎn)小于1,且損傷萌生的位置與靜態(tài)過程類似,也是出現(xiàn)在道床與軌枕的豎直面相接觸處.這表明在動(dòng)態(tài)吊裝過程中,軌枕-道床結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)氧瀝青砂漿黏結(jié)強(qiáng)度的要求雖然有所提高,但是環(huán)氧瀝青砂漿的黏結(jié)強(qiáng)度仍足以滿足要求,且相對(duì)薄弱面在道床與軌枕的豎直面相接觸處.

綜上所述,針對(duì)軌枕-道床單元,無論是靜態(tài)吊裝還是動(dòng)態(tài)吊裝,環(huán)氧瀝青砂漿的黏結(jié)性能均可以滿足要求,保證吊裝過程中的安全和穩(wěn)定,為軌枕-道床結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)裝配式施工技術(shù)提供了可能.

3 結(jié) 論

1) 對(duì)于高膠瀝青混合料-水泥混凝土復(fù)合試件,當(dāng)環(huán)氧瀝青砂漿的用量在17 kg/m2時(shí),復(fù)合試件的層間剪切強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度均達(dá)到最大值,分別為2.40和0.57 MPa.

2) 通過試驗(yàn)確定的模型能較好地反映軌枕-道床結(jié)構(gòu)在吊裝過程中的黏結(jié)材料的損傷開裂行為,為軌枕-道床結(jié)構(gòu)的裝配式施工研究提供了有效的理論分析工具.

3) 環(huán)氧瀝青砂漿的初始損傷變量CSMAXSCRT在動(dòng)態(tài)吊裝和靜態(tài)均遠(yuǎn)小于1,驗(yàn)證了環(huán)氧瀝青砂漿黏結(jié)的軌枕-道床結(jié)構(gòu)可以滿足實(shí)際工程中裝配式施工的需要.