汪劲丰，张 良，吴 熙，王文浩

(浙江大学建筑工程学院，浙江 杭州 310058)



围压对Ⅱ型CA砂浆力学性能的影响

汪劲丰，张 良，吴 熙，王文浩

(浙江大学建筑工程学院，浙江 杭州 310058)

对不同围压下的CRTS-Ⅱ型CA砂浆进行了三轴压缩试验，并测定CA砂浆的应力应变曲线。分析了峰值应力、峰值应变、残余强度及弹性模量随围压的变化规律，并对其进行线性拟合。结果表明，随着围压的增大，应力应变曲线峰值处逐渐平缓；峰值应力、峰值应变及残余强度逐渐变大，弹性模量基本不变；CA砂浆试件破坏时的裂缝与轴线的夹角逐渐增大。

CA砂浆； 围压； 应力应变曲线

1 引 言

随着高速铁路的飞速发展，无砟轨道在铁道工程中得到广泛应用。相比于有砟轨道，无砟轨道具有平稳、舒适、施工便利、后期维护费用低等优点[1]。无砟轨道主要由钢轨、扣件、轨道板、水泥沥青砂浆垫层、混凝土底座等构成[2](如图1)。其中，水泥沥青砂浆简称CA砂浆，是一种由水泥、乳化沥青、细骨料、外加剂等材料配制而成的有机-无机复合材料[3]。由于CA砂浆的弹性模量介于混凝土材料与沥青材料之间，将其填充于轨道板与混凝土底座之间的空隙，可以起到减缓上部结构的冲击，调节轨道平稳性的作用[4-5]。目前我国高速铁路客运专线的CA砂浆主要分为CRTS-I型CA砂浆和CRTS-Ⅱ型CA砂浆，已经运用于京津城际高速铁路、武广客运专线、哈大高速铁路及京广高速铁路等，取得良好的社会效益。

图1 CRTS-Ⅱ型板式无砟轨道结构Fig.1 CRTS-Ⅱ slab ballastless track structure

目前学者们已经对CA砂浆有了系统的研究，大致可以概括分为五个方面：CA砂浆的制备及施工技术、工作性能、力学性能、耐久性和CA砂浆的裂化问题。其中，力学性能是评定材料能否运用到实际工程的基础，受到学者们的广泛关注。CA砂浆是一种有机无机复合材料，当沥青含量少时，水泥水化产物和细骨料作为连续相，沥青则分散在连续相中，力学性能由连续相决定；当沥青含量高时，沥青作为连续相，水泥水化产物和细骨料为分散相，力学性能主要由分散相的骨架结构决定[6]。根据目前的研究结果，影响CA砂浆力学性能的因素可分为内因和外因两方面。内部因素主要是CA砂浆的组成材料和配合比。乳化沥青与水泥的比值越大，峰值应力和弹性模量就越小[7]；砂灰比越大，峰值应力越小，弹性模量几乎不受影响[8]；减水剂含量增加，峰值应力则降低，工作性能提高[9]。外部因素主要有施工工艺、温度、加载速率等。有研究表明，在CA砂浆的制作过程中，材料的添加顺序会影响CA砂浆的早期强度，对后期强度影响不大[10]；CA砂浆具有较高的温度敏感性，在一定范围内温度降低，CA砂浆的弹性模量和峰值应力都会降低，其力学特性也由韧性转变为脆性[6,11-12]。此外，CA砂浆的弹性模量和峰值应力也会随加载速率的增大而增大，其力学特性也会由韧性逐渐转变为脆性[13]。

目前针对CA砂浆在单轴受力下的力学性能研究较多，但是鲜有研究围压对砂浆力学性能的影响。CA砂浆在施工过程中需要做封边处理工作，因此在高铁运行期间，CA砂浆层要承受竖直和水平两方面的挤压力。汪劲丰[14]等人进行了Ⅰ型CA砂浆在围压范围为0、100、200、400、600KPa下的抗压性能试验。试验结果表明，围压可以有效地限制裂缝的发展，并提高CA砂浆的弹性模量和峰值应力。由于目前还没有关于

围压对Ⅱ型CA砂浆力学性能影响的相关研究，而Ⅱ型CA砂浆在我国高速铁路中应用较广。因此，研究Ⅱ型CA砂浆在围压下的抗压性能具有深远的工程意义。

基于上述研究背景，本文研究了低围压下Ⅱ型CA砂浆的抗压性能。采用φ(70.00±0.50)×(140.00± 1.00)mm圆柱形试件，研究不同围压(0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6MPa)的作用下，CA砂浆的破坏模式和力学性能，获得了在不同围压下CA砂浆的应力应变曲线，总结了围压与CA砂浆的弹性模量、峰值应力、峰值应变及残余强度之间的规律，建立了围压与弹性模量、峰值应力、峰值应变及残余强度之间的定量关系式。

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

(1)乳化沥青：主要由沥青、水、乳化剂以及稳定剂组成。本次试验采用株洲时代材料科技股份有限公司生产的改性阴离子乳化沥青，固含量为63%；(2)干粉料：主要是由水泥和砂组成，本次试验所用的干粉料是由安徽万诚达新型材料有限公司生产的，其质量指标如表1。(3)消泡剂：DXP-010超强消泡剂；(4)减水剂：聚羧酸系高效减水剂；(5)水：自来水。

参照《客运专线铁路CRTS-Ⅱ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》，CA砂浆基本配合比如表2。

2.2 试件制作及配合比

CA砂浆采用CA砂浆专用搅拌机配制。首先将乳化沥青倒入搅拌机以60r/min缓慢搅拌30s，并将消泡剂和减水剂倒入水中搅拌均匀后再倒入搅拌机中，提高搅拌机转速至80r/min，搅拌30s。然后增加转速，并在加速的过程中倒入干粉料，整个过程不超过1分钟。干粉料加入后提速到260r/min搅拌120s，最后减速至60r/min搅拌60s。将搅拌好的CA砂浆倒入模具中(内径70.00mm、高250mm)，自然养护1天后脱模进行标准养护。28天后，用切割机将试件两端打磨，制成φ(70.00±0.50)×(140.00±1.00)mm圆柱形试件。

表1 干粉料质量指标Table 1 Dry powder quality indicators

表2 CA砂浆基本配合比/kg·m-3Table 2 Mix proportions of CA mortar

2.3 试验方法

将制备好的标准试件上下打磨，两端平面涂抹一层滑石粉以减少摩擦力对试验的影响。随后将其套上橡胶模，放置于GDS三轴试验仪器上(如图2，GDS三轴仪主要由压力室、控制器、数据采集系统、控制系统和分析系统构成。将试件放置于压力室中，通过水介质传递围压并将其施加在试件上，然后通过轴压控制器施加轴向压力)。保持试验温度在25℃，先通过油压式活塞对试件加围压，然后以恒定的速率0.1%/min施加轴向荷载，每5s自动采集一次轴向荷载和轴向位移，直至试件破坏。试验选取7个不同的围压进行研究，其值分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6MPa。每组围压下选取3个试件，取峰值应力、峰值应变、残余强度及弹性模量(0.3σp～0.5σp的割线斜率，σp是峰值应力)的平均值进行分析。

图2 GDS三轴仪压力室Fig.2 GDS triaxial pressure chamber 3 结果与讨论

3.1 围压对CA砂浆强度的影响

选取7条不同围压下CA砂浆的应力应变曲线(见图3)。由图3可以看出，在未达到峰值应变前，应力应变曲线基本呈线性关系。达到峰值应变之后，随着应变的增加，强度迅速下降到一个较低的值，整个过程应变变化很小，应力降低很多，呈现典型的脆性材料特点。当应变继续增加，应力缓慢降低，最终应力应变曲线逐渐平缓，应力不变，应变持续增加，此时已进入了残余强度阶段。比较不同围压下的应力应变曲线可以发现，随着围压的增大，峰值应力、峰值应变和残余强度都在不断增大，这是因为围压降低了裂隙处的应力集中，约束了裂缝的开展，增加了CA砂浆的抗压强度。

图3 不同围压下CA砂浆的应力应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of CA mortar under different confining pressures

图4 不同围压下的峰值应力Fig.4 Peak stress of CA mortar under different confining pressures

表3为不同围压下的峰值应力、峰值应变、残余强度及弹性模量。图4至图7分别为CA砂浆峰值应力、峰值应变、残余强度及弹性模量与围压之间的关系。通过图像可以看出，随着围压的增加，CA砂浆的峰值应力、峰值应变及残余强度均不断增加，且与围压呈近似的线性关系。由于本次试验所取的围压值相对于峰值应力较小，因此弹性模量随着围压的变化较小，规律不明显。峰值应力、峰值应变及残余强度与围压的拟合关系如式(1)～(3)：

(1)

(2)

σr=5.887σ3+1.495

(3)

其中σΡ为峰值应力；εP为峰值应变；σr为残余强度；σ3是围压。

图5 不同围压下的峰值应变Fig.5 Peak strain of CA mortar under different confining pressures

图6 不同围压下的残余强度Fig.6 Residual strength of CA mortar under different confining pressures

图7 不同围压下的弹性模量Fig.7 Elastic modulus under different confining pressures

图8为CA砂浆在不同围压下的破坏形态。通过对其破坏形态的观察可以发现：CA砂浆内部存在天然缺陷(微裂缝、气泡等)。无围压时，主轴方向的压力逐渐变大，侧向应变逐渐变大，最终超出CA砂浆的极限拉应变值，使得缺陷裂隙沿主轴方向不断扩展最终形成贯通缝，试件发生破坏；在低围压条件下，围压略微减缓裂隙的发展，随着主轴方向的压力增大，试件表面出现斜裂缝，并沿着斜裂缝有剪切错动和破碎的痕迹；当围压继续增大时，围压的约束效应增大，裂隙的扩展更加迟缓。在主轴压力的作用下，斜裂缝与主轴夹角变大，最终发生剪切破坏。

表3 不同围压下CA砂浆的峰值应力、峰值应变、残余 强度及弹性模量Table 3 Peak stress, peak strain, residual strength and elastic modulus of CA mortar under different confining pressures

4 结 论

本文主要研究了不同围压对CRTS-Ⅱ型CA砂浆抗压性能的影响，对CA砂浆应力应变曲线、力学性能和破坏模式的试验结果进行分析，得到如下结论：

1.无围压时，CA砂浆的应力应变曲线有明显的尖峰，应力到达尖峰后迅速下降。随着围压增大，应力应变曲线的峰值点逐渐平缓，应力到达峰值后下降比较缓慢。

2.随着围压的增大，峰值应力、峰值应变及残余强度都逐渐增加，弹性模量变化不大。

3.无围压时，CA砂浆竖向劈裂破坏。随着围压增大，斜裂缝与主轴夹角逐渐变大，最后发生剪切破坏。

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Effects of Confining Pressure on Mechanical Behavior of CRTS-Ⅱ CA Mortar

WANG Jinfeng， ZHANG Liang， WU Xi， WANG Wenhao

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

In order to get the stress-strain curve of CRTS-Ⅱ CA mortar, the triaxial compression tests under different confining pressures were conducted. The variation of the peak stress, peak strain, residual strength and elastic modulus under different confining pressures were analyzed, then followed by a linear regression of them. Results show in the following: Along with the increase of confining pressure, the peak of stress-strain curves tends to be gentle, residual strength, peak stress and peak strain increase gradually, and elastic modulus remains unchanged. The angle between crack and axis increases gradually when the CA mortar specimen is destroyed.

CA mortar； confining pressure； stress-strain curve

1673-2812(2017)03-0380-05

2016-03-09；

2016-04-26

国家自然科学基金资助项目(51578496，51108411)

汪劲丰(1976-)，男，副教授，安徽怀宁人，从事大跨度桥梁结构及材料性能研究。E-mail：wangjinfeng@zju.edu.cn。

TU528

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.03.007