高速鐵路無砟軌道中改性CA砂漿的低溫性能研究

程 巖

（新疆鐵道勘察設計院有限公司，新疆烏魯木齊 830011）

我國鐵路建設在近年來得到了飛速發展，這不僅取決于我國經濟實力的穩定提升，也歸因于裝備質量和配套材料基本設施的快速進步，截止2021年，我國鐵路營運里程已達到16.8萬公里，其中高速鐵路4.9萬公里。在高速鐵路運營過程中，采用混凝土、瀝青混合料等整體基礎取代散粒碎石道床的無砟軌道結構發揮著重要作用，這主要是因為無砟軌道相較有砟軌道具有平順性好、穩定性好、使用壽命長和耐久性好等特點［1-2］。CA砂漿作為無砟軌道中的重要原料，其填充至無砟軌道結構中的使用性能和耐久性能將在很大程度上決定了無砟軌道的整體使用性能，這是因為CA砂漿需要填充軌道板與混凝土底座間的空隙，需要自適應地調整軌道結構高度、需要承受軌道板的垂直荷載等［3-4］。因此，用于無砟軌道的CA砂漿需要具有良好的抗壓強度和抗折強度等力學性能，而實際應用過程中的CA砂漿無法滿足現代化高速鐵路無砟軌道的使用要求［5］。目前，國內外的研究大多從調整CA砂漿的成分配比的角度去提升其強度等性能，而采用改性的方法去提高強度方面的報道較少［6］。在此基礎上，本文擬考察單獨SBS改性、單獨CNFs改性和SBS+CNFs復合改性對CA砂漿抗壓強度和抗折強度的影響，并分析了不同齡期下CA砂漿的力學性能變化規律，結果可為高速鐵路無砟軌道用CA砂漿的開發與應用提供技術支撐。

1 材料與方法

材料：P.O 42.5級水泥（28d抗折強度和28d抗壓強度分別為6.9MPa和46.1MPa），細骨料為河砂（表觀密度2.65g/cm3），70號B級基質瀝青（軟化點47.9℃），納米碳纖維（CNFs、長度20μm、管徑160nm、體積密度0.044g/cm3），T6302線型SBS改性劑（拉伸強度18.6MPa）。

將基質瀝青加熱至158℃完全融化后加入改性劑（CNFs、SBS），人工攪拌8min后升溫至178℃，再在高速攪拌器中攪拌均勻，制成改性瀝青，然后經過熱熔、添加乳化劑和助劑形成膠體，機械分散后得到改性乳化瀝青。水泥乳化瀝青砂漿（CA砂漿）是將預先制備好的乳化瀝青、砂子和水等按比例混合后，通過攪拌、澆筑和養護后形成［7］。

按照GB/T 17671《水泥膠砂強度檢驗方法》，制備40mm×40mm×160mm的長方體試塊，在MTS微機伺服液壓控制器上進行抗壓強度和抗折強度測試，加載速率為100N/s，每組試樣取5組，結果為去掉最大值和最小值后的3組試樣的平均值。

2 結果與分析

2.1 抗壓強度

表1為SBS摻量對CA砂漿抗壓強度的影響，分別列出了7d和28d抗壓強度?？梢?，隨著SBS摻量從0增加至4%，SBS改性CA砂漿的7d抗壓強度基本介于2.52~2.57 MPa，表明SBS摻量對CA砂漿的7d抗壓強度影響不大；從28d抗壓強度上看，隨著SBS摻量從0增加至4%，SBS改性CA砂漿的28d抗壓強度逐漸減小，在SBS摻量為4%時為4.35MPa，相較未摻加SBS的砂漿有明顯減小，可見，SBS改性會對CA砂漿的28d抗壓強度帶來不利影響。這主要是因為SBS改性后，改性CA砂漿中會形成致密的瀝青膜，在一定程度上會抑制水泥與水的接觸，從而造成部分水泥未發生水化反應［8］，相應的抗壓強度會有所減小，且SBS摻量越大則未發生水化反應的水泥越多，抗壓強度會越小。

表1 SBS摻量對CA砂漿抗壓強度的影響Table 1 Effect of SBS content on compressive strength of CA mortar

表2為CNFs摻量對CA砂漿抗壓強度的影響，分別列出了7d和28d抗壓強度?？梢?，隨著CNFs摻量從0增加至2.5%，CNFs改性CA砂漿的7d抗壓強度逐漸上升，從未添加CNFs時的2.52MPa增加至CNFs摻量為2.5%時的2.88MPa，表明CNFs改性有助于CA砂漿7d抗壓強度的提高；從28d抗壓強度上看，隨著CNFs摻量從0增加至2.5%，CNFs改性CA砂漿的28d抗壓強度逐漸增大，在CNFs摻量為2.5%時為12.88MPa，相較未摻加CNFs的砂漿有明顯增大，可見，CNFs改性會明顯改善CA砂漿的28d抗壓強度。這主要是因為CNFs改性CA砂漿后，CNFs自身的小粒徑、大表面積結構會吸附較多的水分，從而使得CA砂漿中未水化的水泥繼續發生水化反應，從而使得CA砂漿中水泥的水化反應更加充分，此外，CNFs自身的小粒徑還有利于增加CA砂漿的致密性，二者共同作用下提升了CA砂漿的7d和28d抗壓強度。

表2 CNFs摻量對CA砂漿抗壓強度的影響Table 2 Effect of CNFs content on compressive strength of CA mortar

表3為SBS和CNFs復合改性對CA砂漿抗壓強度的影響?？梢?，無論SBS摻量是1%、2%、3%還是4%，SBS和CNFs復合改性對CA砂漿抗壓強度都會隨著CNFs摻量的增加而先增大后減小，在CNFs摻量為1.5%時取得最大值。此外，對比分析還可以發現，在CNFs摻量相同的條件下，SBS和CNFs復合添加對CA砂漿的28d抗壓強度會隨著SBS摻量的增加而減小，可見，SBS摻量的增加也會對SBS和CNFs復合添加時CA砂漿的28d抗壓強度帶來不利影響，這也與其會抑制水泥發生水化反應有關［9］。表4為 SBS和CNFs復合改性對不同齡期CA砂漿抗壓強度的影響，分別列出了齡期為1d、7d和28d時的抗壓強度測試結果?？梢?，無論齡期是1d、7d還是28d，在SBS摻量不變的條件下，SBS和CNFs復合改性CA砂漿抗壓強度隨著CNFs摻量變化趨勢基本相同，即都會隨著CNFs摻量增加而先增大后減小，在CNFs摻量為1.5%時取得最大值。綜合而言，SBS和CNFs復合改性對CA砂漿抗壓強度的影響規律不會因為齡期而發生改變。

表3 SBS和CNFs復合添加對CA砂漿抗壓強度的影響Table 3 Effect of composite addition of SBS and CNFs on compressive strength of CA mortar

表4 SBS和CNFs復合改性對不同齡期CA砂漿抗壓強度的影響Table 4 Effect of SBS and CNFs composite modification on compressive strength of CA mortar at different ages

2.2 抗折強度

表5為SBS摻量對CA砂漿抗折強度的影響，分別列出了7d和28d抗折強度?？梢?，隨著SBS摻量從0增加至4%，SBS改性CA砂漿的7d抗折強度逐漸減小，表明SBS摻量對CA砂漿的7d抗折強度會產生不利影響；從28d抗折強度上看，隨著SBS摻量從0增加至4%，SBS改性CA砂漿的28d抗折強度逐漸減小，在SBS摻量為4%時為2.71MPa，相較未摻加SBS的砂漿有明顯減小，可見，SBS改性會對CA砂漿的28d抗折強度帶來不利影響。這主要是因為SBS改性后，改性CA砂漿中會形成致密的瀝青膜，在一定程度上會抑制水泥與水的接觸，從而造成部分水泥未發生水化反應［10］，相應的抗折強度會有所減小，且SBS摻量越大則未發生水化反應的水泥越多，抗折強度會越小。此外，在長時間冷凍處理后，改性砂漿的脆性會持續上升，在受到彎拉作用時的界面更加薄弱，抗折強度會明顯減?。?1］。

表5 SBS摻量對CA砂漿抗折強度的影響Table 5 Effect of SBS content on flexural strength of CA mortar

表6為CNFs摻量對CA砂漿抗折強度的影響，分別列出了7d和28d抗折強度?？梢?，隨著CNFs摻量從0增加至2.5%，CNFs改性CA砂漿的7d抗折強度逐漸上升，從未添加CNFs時的1.12MPa增加至CNFs摻量為2.5%時的1.31MPa，表明CNFs改性有助于CA砂漿7d抗折強度的提高；從28d抗折強度上看，隨著CNFs摻量從0增加至2.5%，CNFs改性CA砂漿的28d抗折強度逐漸增大，在CNFs摻量為2.5%時為6.23MPa，相較未摻加CNFs的砂漿有明顯增大，可見，CNFs改性會明顯改善CA砂漿的28d抗折強度。這主要是因為CNFs改性CA砂漿后，CNFs自身的小粒徑、大表面積結構會吸附較多的水分［12］，從而使得CA砂漿中未水化的水泥繼續發生水化反應，從而使得CA砂漿中水泥的水化反應更加充分［13］，此外，CNFs自身的小粒徑還有利于增加CA砂漿的致密性［14］，二者共同作用下提升了CA砂漿的7d和28d抗折強度。

表6 CNFs摻量對CA砂漿抗折強度的影響Table 6 Effect of CNFs content on flexural strength of CA mortar

表7為SBS和CNFs復合改性對CA砂漿抗折強度的影響?？梢?，無論SBS摻量是1%、2%、3%還是4%，SBS和CNFs復合改性對CA砂漿抗折強度都會隨著CNFs摻量的增加而先增大后減小，在CNFs摻量為1.5%時取得最大值。此外，對比分析還可以發現，在CNFs摻量相同的條件下，SBS和CNFs復合添加對CA砂漿的28d抗折強度會隨著SBS摻量的增加而減小，可見，SBS摻量的增加也會對SBS和CNFs復合添加CA砂漿的28d抗折強度帶來不利影響，這也與其會抑制水泥發生水化反應有關［15］。

表7 SBS和CNFs復合添加對CA砂漿抗折強度的影響Table 7 Effect of SBS and CNFs on flexural strength of CA mortar

表8為 SBS和CNFs復合改性對不同齡期CA砂漿抗折強度的影響，分別列出了齡期為7d和28d時的抗折強度測試結果?？梢?，無論齡期是7d還是28d，在SBS摻量不變的條件下，SBS和CNFs復合改性CA砂漿抗折強度隨著CNFs摻量變化趨勢基本相同，即都會隨著CNFs摻量增加而先增大后減小，在CNFs摻量為1.5%時取得最大值。綜合而言，SBS和CNFs復合改性對CA砂漿抗折強度的影響規律不會因為齡期而發生改變，這與SBS和CNFs復合改性對CA砂漿抗壓強度的影響規律一致。

表8 SBS和CNFs復合改性對不同齡期CA砂漿抗折強度的影響Table 8 Effect of SBS and CNFs composite modification on flexural strength of CA mortar at different ages

3 結論

（1）隨著SBS摻量從0增加至4%，SBS改性CA砂漿的7d抗壓強度基本不變，28d抗壓強度逐漸減??；隨著CNFs摻量從0增加至2.5%，CNFs改性CA砂漿的7d和28d抗壓強度逐漸上升，7d抗壓強度從未添加CNFs時的2.52MPa增加至CNFs摻量2.5%時的2.88MPa，在CNFs摻量為2.5%時改性砂漿的28d抗壓強度為12.88MPa，相較未摻加CNFs的砂漿有明顯增大。無論SBS摻量是1%、2%、3%還是4%，SBS和CNFs復合改性對CA砂漿抗壓強度都會隨著CNFs摻量的增加而先增大后減小，在CNFs摻量為1.5%時取得最大值。在CNFs摻量相同的條件下，SBS和CNFs復合添加對CA砂漿的28d抗壓強度會隨著SBS摻量的增加而減小。

（2）隨著SBS摻量從0增加至4%，SBS改性CA砂漿的7d和28d抗折強度逐漸減小，可見，SBS改性會對CA砂漿的7d和28d抗折強度帶來不利影響；隨著CNFs摻量從0增加至2.5%，CNFs改性CA砂漿的7d和28d抗折強度逐漸上升，相較未摻加CNFs的砂漿有明顯增大；無論SBS摻量是1%、2%、3%還是4%，SBS和CNFs復合改性對CA砂漿抗折強度都會隨著CNFs摻量的增加而先增大后減小，在CNFs摻量為1.5%時取得最大值。此外，在CNFs摻量相同的條件下，SBS和CNFs復合添加對CA砂漿的28d抗折強度會隨著SBS摻量的增加而減小。

（3）無論齡期是1d、7d還是28d，在SBS摻量不變的條件下，SBS和CNFs復合改性CA砂漿抗壓強度和抗折強度隨著CNFs摻量變化趨勢基本相同，即都會隨著CNFs摻量增加而先增大后減小，在CNFs摻量為1.5%時取得最大值。