CRTSⅠ型CA砂漿動態(tài)受壓損傷試驗(yàn)

徐 浩，王 平，魏賢奎，曾曉輝

（1.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031）

隨著無砟軌道技術(shù)的日趨成熟和完善，世界各國高速鐵路采用無砟軌道已成為主要的發(fā)展方向［1］.CRTSⅠ型板式無砟軌道是一種應(yīng)用最多、最為成熟的無砟軌道結(jié)構(gòu)型式［2］，由鋼軌、扣件、軌道板、水泥乳化瀝青砂漿（CA 砂漿）充填層以及混凝土底座板等組成.其中CA 砂漿是一種由水泥、乳化瀝青、細(xì)骨料、水及鋁粉等組成的有機(jī)－無機(jī)復(fù)合材料［3］，是填充于板式無砟軌道的軌道板與混凝土底座板之間的關(guān)鍵功能材料之一，起支承、調(diào)整、傳載、減振和隔振等作用［4－8］.CRTSⅠ型板式無砟軌道CA 砂漿具有高韌性、低彈性模量和低強(qiáng)度的特點(diǎn)［3］.由于CA 砂漿是典型的黏彈性材料，其力學(xué)性能與外界荷載的作用時間及頻率有關(guān).

在CRTSⅠ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中，CA 砂漿主要承受列車的豎向荷載作用，且在列車行駛過程中CA 砂漿處于動態(tài)加載的狀態(tài)［9－10］.列車運(yùn)營速度變化將導(dǎo)致CA 砂漿應(yīng)變率的變化，因此需要研究CA砂漿在不同應(yīng)變率下的動態(tài)力學(xué)特性及損傷特性.國內(nèi)外學(xué)者研究了不同加載速率對CA 砂漿力學(xué)性能的影響規(guī)律：文獻(xiàn)［11］認(rèn)為CA 砂漿的抗壓強(qiáng)度隨加載速率的增大而增大，二者大致呈線性關(guān)系；文獻(xiàn)［12］針對2種典型的CA 砂漿進(jìn)行不同加載速率下的抗壓試驗(yàn)，結(jié)果表明這2種典型的CA 砂漿的峰值應(yīng)力和彈性模量均隨加載速率的增大而呈遞增趨勢，且加載速率對瀝青與水泥質(zhì)量比（mA／mC）較高的CA 砂漿影響更大；文獻(xiàn)［13］認(rèn)為CA 砂漿的抗壓強(qiáng)度及彈性模量均隨加載速率的增大而呈冪指數(shù)增大.雖然對不同加載速率下CA 砂漿的力學(xué)性能已經(jīng)有了一定的研究，但所用試件均為實(shí)驗(yàn)室模制試件，由于現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，養(yǎng)護(hù)、施工條件以及灌注袋的約束作用均會導(dǎo)致現(xiàn)場CA 砂漿與室內(nèi)試件存在差異，因此模制試件無法真實(shí)反映現(xiàn)場CA 砂漿的動態(tài)力學(xué)性能.

本文對正在施工的某線上CRTSⅠ型板式無砟軌道進(jìn)行現(xiàn)場揭板，并對揭板后的CA 砂漿層進(jìn)行室內(nèi)鉆芯取樣，測試不同應(yīng)變率下現(xiàn)場取樣CA 砂漿試件的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，研究不同應(yīng)變率對其抗壓特性的影響；并以切線模量的退化來度量試件的損傷程度，研究了不同應(yīng)變率下CA 砂漿的損傷檻值.

1 試驗(yàn)

1.1 試件制備

為了反映實(shí)際運(yùn)營中的CRTSⅠ型板式無砟軌道CA 砂漿的力學(xué)性能，對正在施工的某線上CRTSⅠ型板式無砟軌道進(jìn)行揭板，得到的CA 砂漿層未經(jīng)歷過動車荷載，對其在室內(nèi)鉆心取樣，并加工成φ50×50mm 的圓柱體試件.現(xiàn)場取樣CA 砂漿試件的原材料均來自安徽中鐵工程材料科技有限公司，其干料24h體積膨脹率為2.1%，7d線膨脹率為0.1%，1d抗壓強(qiáng)度為6.89MPa；改性陽離子乳化瀝青固含量1）文中涉及的固含量、配合比等除特別說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.為62.1%.現(xiàn)場取樣CA 砂漿試件的配合比m（干料）∶m（乳化瀝青）∶m（水）∶m（減水劑）∶m（引氣劑）∶m（消泡劑）＝（900～1 150）∶（400～550）∶（30～100）∶（0.5～5.0）∶（1～5）∶（0.05～0.50）.新拌CA 砂漿的J型漏斗流下時間為24s，分離度為0.2%.硬化CA 砂漿的1d抗壓強(qiáng)度為0.5MPa，28d抗壓強(qiáng)度為2.0MPa.現(xiàn)場取樣CA 砂漿試件的各項性能均滿足《客運(yùn)專線鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》.

1.2 力學(xué)性能測試

采用WDW 系列微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對現(xiàn)場取樣CA 砂漿試件進(jìn)行動態(tài)單軸抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)方法參照文獻(xiàn)［13］進(jìn)行.綜合考慮試驗(yàn)系統(tǒng)的加載能力，加載速率確定為0.03，0.30，3.00，30.00mm／min，根據(jù)CA 砂漿試件尺寸對應(yīng)的應(yīng)變率Δε為1×10－5～1×10－2s－1，取1×10－5s－1作為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率.每組加載試驗(yàn)取3 個試件，編號為CA1～CA3.若試驗(yàn)結(jié)果離散性較大，則增加試件數(shù)量以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性.試件受壓面與加載板之間采用滑石粉進(jìn)行減摩處理.為防止試件表面不平整產(chǎn)生的誤差，正式加載前將試件以0.5mm／min的速率、0.05 MPa的強(qiáng)度預(yù)壓3 次.加載時由于儀器或測試的原因致使應(yīng)力－應(yīng)變曲線中0～0.25 MPa范圍內(nèi)應(yīng)力變化緩慢（見圖1中AB 段），按文獻(xiàn)［13］的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即從B 點(diǎn)作切線，以切線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)C 作為修正后的原點(diǎn).以應(yīng)力－應(yīng)變曲線最高點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)作為CA 砂漿峰值應(yīng)力處的應(yīng)變（臨界應(yīng)變εc）和抗壓強(qiáng)度σc.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 CA 砂漿應(yīng)力－應(yīng)變曲線

圖1 CA 砂漿應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.1 σ－εcurve of CA mortar（Δε＝1×10－4s－1）

圖2 不同應(yīng)變率下CA 砂漿應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.2 σ－εcurves of CA mortar under different strain rates

應(yīng)力－應(yīng)變（σ－ε）曲線能夠全面體現(xiàn)CA 砂漿在加載過程中的力學(xué)性能，是進(jìn)行其他力學(xué)分析的基礎(chǔ).不同應(yīng)變率（Δε）下CA 砂漿的應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖2所示.由圖2可見，不同應(yīng)變率下CA 砂漿的應(yīng)力－應(yīng)變曲線形狀基本一致，其應(yīng)力在達(dá)到峰值后降低較為緩慢，這是由于瀝青的存在改善了CA 砂漿的斷裂韌性.當(dāng)CA 砂漿的應(yīng)變達(dá)到0.08時仍具有一定的承載能力，說明其具有良好的韌性和延展性.CA 砂漿的抗壓強(qiáng)度和臨界應(yīng)變均隨著應(yīng)變率的增大而增大，當(dāng)應(yīng)變率從1×10－5s－1增至1×10－2s－1時，該CA 砂漿的抗壓強(qiáng)度由2.221 MPa 增至5.189MPa，同時臨界應(yīng)變由0.017 58增至0.023 75.

2.2 CA 砂漿的抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度是描述CA 砂漿力學(xué)性能的重要參數(shù).根據(jù)試驗(yàn)測得的應(yīng)力－應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)，得到不同應(yīng)變率下CA 砂漿的抗壓強(qiáng)度σc，列于表1.由表1可知，CA 砂漿試件的抗壓強(qiáng)度在同一應(yīng)變率下表現(xiàn)出不等的離散性，這是由于試驗(yàn)不可避免的誤差造成的.本試驗(yàn)以應(yīng)變率為1×10－5s－1時的抗壓強(qiáng)度作為CA 砂漿的準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度，當(dāng)應(yīng)變率分別為1×10－4，1×10－3，1×10－2s－1時，CA 砂漿的抗壓強(qiáng)度分別增長了22.657%，62.331%，149.417%.CA 砂漿的抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增大而增加，原因是CA 砂漿破壞時不再按原來的微裂縫路徑發(fā)展，而是沿耗能最快的路徑發(fā)展，因此其抗壓強(qiáng)度逐漸增大.

根據(jù)文獻(xiàn)［13］的研究可知，CA 砂漿的抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率呈冪函數(shù)變化，兩者的關(guān)系可表示為y＝axb.本文考慮到冪函數(shù)還可以表示為y＝a＋bxc（式中：y 代表CA 砂漿在不同應(yīng)變率下的抗壓強(qiáng)度；x 代表應(yīng)變率；a，b，c為擬合曲線系數(shù)），因此按這2種冪函數(shù)關(guān)系式擬合CA 砂漿抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變率的關(guān)系，得到的擬合曲線如圖3所示.

表1 不同應(yīng)變率下CA砂漿的抗壓強(qiáng)度σcTable 1 Compressive strength of CA mortar under different strain rates MPa

圖3 CA 砂漿抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變率的關(guān)系Fig.3 Relationship between compressive strength of CA mortar and strain rate

不同的冪函數(shù)擬合得到的CA 砂漿的抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變率之間的關(guān)系式分別為y＝10.133 9x0.1442，擬合優(yōu)度R2＝0.977 1；y＝1.741 4＋15.131 7x0.3115，擬合優(yōu)度R2＝0.999 7.從擬合優(yōu)度可知，采用冪函數(shù)y＝a＋bxc來擬合CA 砂漿抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變率的關(guān)系更優(yōu).

2.3 CA 砂漿的彈性模量

彈性模量是描述CA 砂漿力學(xué)性能的又一重要參數(shù)，且隨著應(yīng)變率的增加而增加［11－13］.為了定量描述彈性模量與應(yīng)變率的關(guān)系，本文采用0～1／3抗壓強(qiáng)度處的割線模量作為CA 砂漿的彈性模量Ec［13］.不同應(yīng)變率下CA 砂漿的彈性模量如表2所示.

圖4為CA 砂漿的彈性模量與應(yīng)變率的關(guān)系圖.由圖4可知，CA 砂漿的彈性模量隨應(yīng)變率的增加呈冪函數(shù)增大，關(guān)系式為：y＝110＋748.043 3x0.1663，擬合優(yōu)度R2＝0.999 1，其中y 代表CA 砂漿的彈性模量.

表2 不同應(yīng)變率下的CA砂漿的彈性模量EcTable 2 Elastic modulus of CA mortar under different strain rates MPa

圖4 CA 砂漿彈性模量與應(yīng)變率的關(guān)系Fig.4 Relationship between elastic modulus of CA mortar and strain rate

2.4 CA 砂漿的臨界應(yīng)變

臨界應(yīng)變定義為CA 砂漿峰值應(yīng)力處的應(yīng)變，是反映CA 砂漿變形特性的重要參數(shù)之一.在本試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變率的增加，CA 砂漿的臨界應(yīng)變增大，不同應(yīng)變率下CA 砂漿的臨界應(yīng)變εc見表3.

表3 不同應(yīng)變率下CA砂漿的臨界應(yīng)變εcTable 3 Critical strain of CA mortar under different strain rates

在動荷載作用下，CA 砂漿的臨界應(yīng)變是由CA砂漿的彈性應(yīng)變和黏性應(yīng)變共同引起的.隨著應(yīng)變率的增加，瀝青的摻入使得CA 砂漿的黏性表現(xiàn)得更明顯，其黏性應(yīng)變效應(yīng)增加，因而導(dǎo)致CA 砂漿在峰值應(yīng)力處的應(yīng)變增加.圖5給出了CA 砂漿的臨界應(yīng)變與應(yīng)變率的關(guān)系.由圖5可知，CA 砂漿臨界應(yīng)變也隨應(yīng)變率的增加呈冪函數(shù)增大，關(guān)系式為：y＝0.016 61＋0.021 89x0.1705，擬合優(yōu)度R2＝0.960 3，其中y 代表CA 砂漿的臨界應(yīng)變.

圖5 CA 砂漿的臨界應(yīng)變與應(yīng)變率的關(guān)系Fig.5 Relationship between critical strain of CA mortar and strain rate

3 CA砂漿動態(tài)損傷特性分析

當(dāng)加載到相同的應(yīng)變時，不同應(yīng)變率下CA 砂漿的破壞情況如圖6所示.由圖6可見，CA 砂漿的破壞情況在低應(yīng)變率下較高應(yīng)變率下更為嚴(yán)重.當(dāng)應(yīng)變率為1×10－5s－1時，CA 砂漿試件不僅嚴(yán)重開裂還出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象；而當(dāng)應(yīng)變率增大到1×10－2s－1時，CA 砂漿試件僅出現(xiàn)少量開裂.這是因?yàn)镃A 砂漿屬于典型的黏彈性材料，在動態(tài)荷載作用下其應(yīng)力和應(yīng)變存在滯后效應(yīng)［14］，應(yīng)變率越小，作用時間越長，CA 砂漿的變形越充分，其破壞情況也越嚴(yán)重.

圖6 不同應(yīng)變率下CA 砂漿的破壞情況Fig.6 Damage state of CA mortars under different strain rates

本文從宏觀上定義CA 砂漿的損傷程度D，即用CA 砂漿試件受損傷而引起的宏觀力學(xué)性能參數(shù)的變化量（切線模量的退化）來表征CA 砂漿的損傷程度，即：

式中：E0指初始切線模量；Ec指任一應(yīng)力水平比對應(yīng)的切線模量，其中應(yīng)力水平比指不同應(yīng)變率下CA 砂漿應(yīng)力－應(yīng)變曲線上升段中任一應(yīng)力與相應(yīng)抗壓強(qiáng)度的比值.使用該方法可以不計CA 砂漿的初始微裂隙和微空洞，能簡化CA 砂漿內(nèi)部損傷生成和演化的測量過程，從而對CA 砂漿在動態(tài)受壓情況下的實(shí)時損傷演化規(guī)律進(jìn)行分析和研究.本文參考文獻(xiàn)［15］，引入描述混凝土損傷程度的方法及“應(yīng)力空間”和“應(yīng)變空間”的概念來描述CA 砂漿在不同應(yīng)變率下的動態(tài)損傷.

3.1 應(yīng)力空間CA砂漿損傷變化

在應(yīng)力空間下，CA 砂漿損傷開始穩(wěn)定發(fā)展時對應(yīng)的應(yīng)力大小定義為CA 砂漿的損傷應(yīng)力檻值參照文獻(xiàn)［15］，取CA 砂漿損傷程度為0.05時對應(yīng)的應(yīng)力作為CA 砂漿的損傷應(yīng)力檻值.通過分析計算可知，不同應(yīng)變率下CA 砂漿損傷應(yīng)力檻值σk及其與平均抗壓強(qiáng)度σc的比值Rσ（Rσ＝σk／σc）如表4所示.

表4 CA砂漿的σk及RσTable 4 σk and Rσ of CA mortar

由表4可知，隨著應(yīng)變率的增大，損傷應(yīng)力檻值增大.這說明在高應(yīng)變率下，CA 砂漿內(nèi)部裂縫的發(fā)展相對低應(yīng)變率下出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，這是由于CA 砂漿中瀝青的存在使CA 砂漿的應(yīng)力與應(yīng)變之間存在滯后效應(yīng)，且應(yīng)變始終落后于應(yīng)力1 個相位［14］.以1×10－5s－1的應(yīng)變率作為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率，應(yīng)變率1×10－4，1×10－3，1×10－2s－1下的平均損傷應(yīng)力檻值分別增加了134.85%，220.45%，263.64%.當(dāng)應(yīng)變率增大到一定值以后，應(yīng)變率對損傷應(yīng)力檻值與平均最大應(yīng)力的影響不再明顯.產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是高應(yīng)變率時CA 砂漿中乳化瀝青的黏性阻礙了CA 砂漿內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，從而導(dǎo)致CA 砂漿損傷應(yīng)力檻值不斷增大，同時這種阻礙作用也增大了CA 砂漿的抗壓強(qiáng)度，因而當(dāng)應(yīng)變率增大以后，CA 砂漿損傷應(yīng)力檻值與平均抗壓強(qiáng)度的比值Rσ受應(yīng)變率影響不大.

3.2 應(yīng)變空間CA砂漿損傷變化

在應(yīng)變空間下，CA 砂漿損傷開始穩(wěn)定發(fā)展時對應(yīng)的應(yīng)變大小定義為CA 砂漿的損傷應(yīng)變檻值εk.文中依然取CA 砂漿損傷程度D＝0.05時對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)镃A 砂漿的損傷應(yīng)變檻值.通過對CA 砂漿損傷程度隨應(yīng)變水平比（不同應(yīng)變率下CA 砂漿應(yīng)力－應(yīng)變曲線上升段中任一應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變與相應(yīng)臨界應(yīng)變εc的比值）的分析計算，將不同應(yīng)變率下CA 砂漿損傷應(yīng)變檻值εk及其與平均臨界應(yīng)變εc的比值Rε（Rε＝εk／εc）列于表5.

表5 CA砂漿的εk及RεTable 5 εk and Rε of CA mortar

由表5可知，隨著應(yīng)變率的增大，CA 砂漿損傷應(yīng)變檻值εk及Rε呈先增大后穩(wěn)定的趨勢.產(chǎn)生以上結(jié)果的原因是在高應(yīng)變率作用下，CA 砂漿內(nèi)部的黏性阻礙了微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，同時也阻礙了損傷的發(fā)展，因此CA 砂漿的應(yīng)變檻值較準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率下的大.而在高應(yīng)變率的情況下，應(yīng)變率對CA砂漿的應(yīng)變檻值與平均臨界應(yīng)變的比值Rε影響不大.

4 結(jié)論

（1）隨著應(yīng)變率的增大，CA 砂漿的抗壓強(qiáng)度增大，且呈冪函數(shù)變化，采用y＝a＋bxc的冪函數(shù)對CA 砂漿抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變率的關(guān)系進(jìn)行擬合較優(yōu).

（2）隨著應(yīng)變率的增大，CA 砂漿的彈性模量和臨界應(yīng)變均呈冪函數(shù)增大.

（3）以不同的應(yīng)變率加載到相同的應(yīng)變時，CA砂漿在低應(yīng)變率下的破壞情況更加嚴(yán)重.這是由于CA 砂漿是應(yīng)變率敏感性材料，應(yīng)變率越低，作用時間越充分，CA 砂漿的破壞情況越嚴(yán)重.

（4）以切線模量的退化來度量CA 砂漿的損傷程度.隨著應(yīng)變率的增大，CA 砂漿損傷應(yīng)力檻值及損傷應(yīng)變檻值均增大，且當(dāng)應(yīng)變率較高時，CA 砂漿損傷應(yīng)力檻值與平均抗壓強(qiáng)度的比值、損傷應(yīng)變檻值與平均臨界應(yīng)變的比值均變化不大.

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