两种高速铁路用水泥乳化沥青砂浆力学性能比较研究

吴韶亮，李洪刚，贾恒琼，刘子科，魏曌

(中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京100081)

两种高速铁路用水泥乳化沥青砂浆力学性能比较研究

吴韶亮，李洪刚，贾恒琼，刘子科，魏曌

(中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京100081)

对高速铁路建设过程中使用的两种水泥乳化沥青砂浆的力学性能进行了研究。结果显示:CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆具有明显的黏弹特性、较低的弹性模量和较大的折压比，其可以通过弹性变形来实现应力缓冲;CRTSⅡ型水泥乳化沥青砂浆具有较高的强度和弹性模量，以及较低的折压比，因其沥青含量较低，黏弹特性不明显，应力缓冲性能相对较差，结构完整性保持能力相对较低。

高速铁路 水泥乳化沥青砂浆 力学性能

在高速铁路和客运专线建设中，水泥乳化沥青砂浆垫层作为板式无砟轨道结构的重要组成部分，主要起到支撑、调整并提供弹韧性等作用。为了满足轨道设计中的力学性能要求，在材料研究过程中分别形成了高沥青含量的CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆(沥青水泥质量比约0.7～1.0)和低沥青含量的CRTSⅡ型水泥乳化沥青砂浆(沥青水泥质量比约0.3)。两种砂浆组成中沥青水泥质量比的不同必然导致砂浆各种性能的差异［1-5］。本文对两种砂浆的部分力学性能进行了试验研究。

1 试验

1.1 主要原材料

乳化沥青采用自主研发的SL-1型高铁乳化沥青;水泥采用海螺P.Ⅱ52.5硅酸盐水泥;砂为分别满足科技基［2008］74号《客运专线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》和《客运专线铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》要求的机制砂;聚合物乳液为固含量46.7%的TD-08型聚合物乳液;减水剂为高效聚羧酸减水剂。

1.2 主要试验设备

搅拌容量16.5 L的25AM-Qr中型砂浆搅拌机，搅拌速度可调;微机控制电子万能试验机。

1.3 试样制备

按照表1中的砂浆配合比，通过适当调整制备工艺，分别制备出性能满足科技基［2008］74号《客运专线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》和《客运专线铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》要求的两种水泥乳化沥青砂浆，并成型φ50 mm×50 mm，40 mm× 40 mm×160 mm，100 mm×100 mm×300 mm等砂浆试件，进行抗压强度、抗折强度、弹性模量等性能测试。

表1 试验中CRTSⅠ型、CRTSⅡ型水泥乳化沥青砂浆各原材料质量比

1.4 力学性能的测试

1)弹性模量的测试

参照《客运专线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》附录D(方法1)对达到28 d龄期的φ50 mm×50 mm的CRTSⅠ型、CRTSⅡ型砂浆试件进行弹性模量测试。

参照《客运专线铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》附录Ⅰ(方法2)对达到28 d龄期的100 mm×100 mm×300 mm的CRTSⅠ型、CRTSⅡ型砂浆试件进行弹性模量测试。

2)折压比的测试

试验中分别对达到28 d龄期的40 mm×40 mm×160 mm两种水泥乳化沥青砂浆试件以1.0 mm/min的加载速率进行抗折强度、抗压强度测试，然后计算折压比。

3)应力—应变性能与应力缓冲性能的测试

对达到28 d龄期的φ50 mm×50 mm的两种砂浆试件以1.0 mm/min的加载速率进行抗压强度测试，直至砂浆试件破坏，由此得到砂浆的应力—应变曲线。

分别以应力—应变曲线最大抗压强度处的位移值作为两种砂浆应力缓冲性能测试的压缩形变，对同批次的试件以1.0 mm/min的速率进行应力加载，直至加载位移达到指定压缩形变时，在此位移下力保载约10 min，记录试件随时间所受应力的变化得到应力缓冲曲线。

2 试验结果与分析

2.1 两种水泥乳化沥青砂浆的弹性模量

不同方法测得的两种水泥乳化沥青砂浆的弹性模量结果见表2。

表2 不同方法测得的两种砂浆的弹性模量结果

由表2可见:同一类型的砂浆，采用方法1、方法2测量的弹性模量相差十多倍;两种类型的砂浆采用方法1、方法2测量的弹性模量也分别相差146 MPa和6880 MPa。这是因为采用方法1测试时，砂浆受到的应力在0～0.1 MPa之间变化，相对于砂浆能承受的最大应力，此时两种砂浆受到的应力较小，均处于弹性形变范围内，因而两种砂浆的弹性模量差异不明显。而采用方法2测试时，砂浆受到的应力在0～1/3最大应力之间变化，此时砂浆受到的应力较大，CRTSⅠ型砂浆由于结构中的沥青含量较高，沥青与无机材料彼此形成了较为完整的空间网架结构，从而具有了类似沥青的“蠕变”性能，在受到较大应力时会通过“蠕变”来缓冲受到的作用力，产生的应变较大，因而弹性模量较小;而CRTSⅡ型水泥乳化沥青砂浆中沥青含量低，整体性能接近无机胶凝材料，无法通过形变来缓冲受到的应力，产生的应变较小，从而导致砂浆的弹性模量相对较大，因此采用方法2测得的两种砂浆的弹性模量相差明显。

2.2 两种水泥乳化沥青砂浆的折压比

折压比在一定程度上可以反映材料的弹性，试验测得的两种水泥乳化沥青砂浆的折压比见表3。

表3 两种砂浆折压比测试统计结果

通过试验统计发现CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆的折压比一般在0.6～0.7，CRTSⅡ型水泥乳化沥青砂浆的折压比一般在0.3左右。两种砂浆折压比的差异在于:在CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆结构中，沥青(含聚合物)与水泥的质量比为0.7～1.0，沥青与水泥能够各自形成相对连续结构，水泥为骨架，沥青为附在骨架上的“筋”，两种结构缠绕在一起，从而表现出良好的弹性;而在CRTSⅡ型水泥乳化沥青砂浆中，沥青与水泥的质量比为0.3左右，沥青还不足以形成连续结构，其只能以填充的形式断断续续地分布在水泥砂浆结构中，沥青提供弹性的作用得不到充分发挥，砂浆整体以刚性为主，因而其弹性相对较低。

2.3 两种水泥乳化沥青砂浆的应力—应变性能

砂浆的应力—应变性能反映了其在轴压荷载作用下砂浆内部裂缝的产生、扩展过程。两种砂浆的应力—应变曲线见图1。

图1 两种砂浆的应力—应变曲线

由图1可知，两种水泥乳化沥青砂浆的破坏曲线不同，相对于CRTSⅡ型水泥乳化沥青砂浆，CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆的应力—应变曲线在应力破坏点之后没有陡降，而是缓慢下降。这正是由于高沥青水泥比下，砂浆体系中的水泥“骨架”与沥青“筋”形成连续网状结构，并相互缠绕形成了具有弹韧性的无机—有机复合结构，从而使得CRTSⅠ型砂浆达到应力破坏点之后仍能依靠结构的蠕变来保持应力的缓慢下降;而CRTSⅡ型砂浆由于沥青水泥比低，达到应力破坏点之后在无机水泥结构与有机沥青结构的界面容易发生剥离，从宏观上表现为砂浆试件的粉化剥落、碎裂等，结构破坏从而导致应力陡降。可见，两者相比较，CRTSⅠ型砂浆具有较好的弹性，能够较好地起到应力缓冲的作用。

2.4 两种水泥乳化沥青砂浆的应力缓冲性能

两种水泥乳化沥青砂浆在组成上均是有机—无机复合材料，其在一定程度上会体现出沥青黏弹特性，在荷载作用下会随时间变化产生变形(蠕变)，即在固定压缩形变条件下会产生应力松弛，见图2。正是由于具有这种应力缓冲性能，才保证了列车运营的平顺性以及旅客的舒适性。

图2 两种砂浆的应力缓冲曲线

由图2可以看出，当砂浆试件压缩变形量为定值时，CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆在加载数分钟后，应力由初始的6.18 MPa急剧下降至2.78 MPa，应力衰减率55%，此后达到黏弹性体的稳定阶段，砂浆试件外观完整、无碎裂，符合黏弹性体的力学特性;而CRTSⅡ型水泥乳化沥青砂浆在加载数分钟后，应力由初始的17.57 MPa急剧下降至13.37 MPa，应力衰减率为24%，此时砂浆试件受力面开始出现微小裂纹。可见CRTSⅠ型砂浆的应力衰减率明显高于CRTSⅡ型砂浆，这种应力衰减对缓和充填层砂浆长期作用的恒载、材料干燥收缩以及温差引起的应力是有利的。

3 结语

为了满足不同轨道力学性能要求而制成的两种砂浆，虽然其均为沥青与水泥形成的无机—有机复合体系，但其力学性能差异较大。CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆以其较高的沥青含量，具有明显的黏弹特性，在应力作用下可以通过“蠕变”使得砂浆结构不易碎裂破坏，在固定形变时可通过其较高的应力衰减率实现应力缓冲等。而CRTSⅡ型水泥乳化沥青砂浆具有较高的强度和弹性模量，能够满足高荷载轨道的需要，但其沥青含量较低，导致其黏弹特性不明显，因而应力缓冲性能相对较差，结构完整性保持能力相对较低。

［1］刘永亮，孔祥明，邹炎，等．水泥沥青砂浆的静动态力学行为［J］．铁道科学与工程学报，2009，6(3):1-7．

［2］吴韶亮，李海燕，邵丕彦，等．CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆的力学性能试验研究［J］．铁道建筑，2012(12):129-132．

［3］谢友均，曾晓辉，邓德华，等．铁道无砟轨道水泥乳化沥青砂浆力学性能［J］．建筑材料学报，2010，13(4):483-486．

［4］中华人民共和国铁道部．科技基［2008］74号客运专线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件［S］．北京:中国铁道出版社，2008．

［5］中华人民共和国铁道部．科技基［2008］74号客运专线铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件［S］．北京:中国铁道出版社，2008．

Comparative study on mechanical performance of two kinds of emulsified asphalt mortar used in high speed railway

WU Shaoliang，LI Honggang，JIA Hengqiong，LIU Zike，WEI Zhao
(Metal and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T he paper looks into twp kinds of emulsified asphalt mortar for high speed railway and reaches the following conclusions．Considering the plausible viscoelasticity，the relatively low elastic modulus and the high ratio of flexural strength to compressive strength of CRT SⅠ，the stress buffer of the specimen can be realized via elastic deformation．W hile due to the low asphalt content and the yet visible viscoelastic performance of CRT SⅡ，the specimen with outstanding strength and elastic modulus is found poorly performed in terms of stress buffer and structural integrity．

High speed railway;Emulsified asphalt mortar;M echanical performance

TU528

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．37

1003-1995(2015)03-0134-03

(责任审编葛全红)

2014-07-20;

2014-09-20

铁道部科技研究开发计划项目(2013G008-A-1)

吴韶亮(1981—)，男，山东莱阳人，助理研究员，硕士。