温度对水泥乳化沥青砂浆层与混凝土层间界面黏结影响.pdf

第 3 5卷第 1 1 期 2 0 1 3年 1 1月 铁 道 学 报 J 0URNAL 0F THE CHI NA RAI LWAY S 0CI ETY Vo 1 ． 3 5 No ． 1 1 No ve m b e r 2 O13 文章编号 ：1 0 0 1 — 8 3 6 0 ( 2 0 1 3 ) 1 1 - 0 0 7 8 — 0 8 温度对水泥乳化沥青砂浆层与 田冬梅 混凝土层问界面黏结影响 ● 邓德 华 ， 彭建伟 ， ( 1 ．中南林业科技大学 土木工程与力学学 院， 湖南 长沙4 1 0 0 0 4 ； 王世雄 ， 艾永强 2 ．中南大学 土木工程学院 ， 湖南 长沙4 1 0 0 7 5 ) 摘要 ： 采用高低 温循 环模 拟试验 ， 研 究温度对板式轨道砂 浆充填层 与混凝 土底 座板层 间界面黏结 的影响 。分 别用沥灰 比( A ／ C) 为 0 ． 3 、 o ． 5 、 0 ． 7 、 0 ． 9的水泥乳化沥青砂 浆和 C 4 0混凝土 ， 制备不 同砂浆层 与相同混凝 土层 2 层黏结 的复合试件 ， 置于变温范 围为一 2 O℃～6 o℃试验箱 内， 在设定 的高低 温循环变化制度 下， 用表面粘贴 应变 片法测试复合试件 中各层和界面的变形规律 ， 并用 z字型夹具 测试经一定温度循环后复合试件的界面剪切强度 。 结果表 明： 在温度升 降过程 中， 水泥乳化沥青砂浆层 的热变形行 为不同于混凝 土， 砂浆层 的热 变形 值大于混凝 土 层 的热变形值 ， 且 随沥灰 比增加而增大 ； 砂浆层 的热变形速率有 温度和时 间依赖性 ； 复合试件 中混 凝土层对砂 浆 层 的热变形具有较大约束 作用 ， 导致复合试件界面处 产生温度应力 ； 在高低温循环 变化 条件下 ， 温 度应 力引起砂 浆层出现表面开裂 ， 并导致界面剪切强度不断下降 ， 最终引起层间离缝和界面完全脱黏 。由此证明了环境温度 变 化和砂浆与混凝 土的热行 为差异是板式无砟轨道结构服役中出现砂浆 充填层开裂和层间离缝等劣化现象的 2 个 重 要 原 因 。 关键词 ： 水泥乳化沥青砂浆 ； 混凝土 ；热变形 ；界面黏结 ； 板式无砟轨道 中图分类号 ： T U5 7 +8 ． 1 文献标 志码 ：A d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 — 8 3 6 0 ． 2 0 1 3 ． 1 1 ． 0 1 3 I nf l u e n c e o f Te mp e r a t u r e o n I nt e r f a c i a l Bo n d i n g b e t we e n Ce me n t Emu l s i f i e d As p h a l t M o r t a r La y e r a nd Co n c r e t e La y e r TI AN Do n g - me i ， DENG De — h u a 。 ， PE NG J i a n — we i ，WANG S h i — x i o n g ， AI Yo n g — q i a n g ( 1 ． S c h o ol o f Ci v i l En g i n e e r ing& Me c h a n i c s ，Ce n t r a l S o u t h Uni v e r s i t y o f f o r e s t r y a n d Te c h n o l o g y，Ch a n g s h a 4 1 0 0 7 5，China ： 2 ．De p a r t me n t o f Ci v i l En g i n e e r i n g，Ce n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y ，Ch a n g s h a 41 0 0 7 5，Ch i n a ) Abs t r a c t ：Hi g h — l ow t e mp e r a t u r e c y c l i ng s i m u l a t i on t e s t s we r e ma d e t o i nv e s t i ga t e t he t e mpe r a t ur e e f f e c t o n i n — t e r f a c i a l bo n di n g be t we e n t h e c e me n t e m u l s i f i e d a s pha l t mo r t a r l a ye r a nd c o nc r e t e l a y e r ．Co m p os i t e s p e c i m e ns o f t wo b o n d e d l a y e r s we r e p r e p a r e d，i n wh i c h o n e l a y e r wa s i n v a r i a b l e C 4 0 c o n c r e t e a n d a n o t h e r l a y e r wa s v a r i — a b l e c e me n t e mu l s i f i e d a s p h a l t mo r t a r ( S L mo r t a r )ma d e o f d i f f e r e n t a s p h a l t — c e me n t( A／ C)r a t i o s o f 0 ． 3 ，0 ． 5 ， 0 ．7，0 ．9 ．The s e s pe c i me ns we r e l a i d i n t o t h e t e s t i ng c h a m b e r wi t h t he t e m p e r a t ur e c y c l i ng r a ng e of一2 0℃ ～ 6 O ℃ ．U n de r t h e s e t t i ng hi gh — l o w t e m p e r a t u r e c y c l i ng s ys t e m ．e x pa n s i ve a n d s hr i nk s t r a i ns o f c o m p os i t e s p e c i — m e n s we r e me a s u r e d wi t h s u r f a c e s t r a i n g a g e s ，a nd a f t e r s o m e t i me o f t e m pe r a t u r e c y c l i ng，t he s he a r s t r e n gt h o f t he i n t e r { a c e b e t we e n t h e c on c r e t e s ub s t r a t e a n d SL mo r t a r I a y e r wa s m e a s u r e d wi t h t he s e l f - ma d e Z— t y P e s h e a r f i x t u r e ． Te s t i ng r e s u l t s s ho w a s f o l l o w ：The t h e r m a l d e f or ma t i o n b e h a v i o r o f t h e SL mor t a r l a ye r i s di f — f e r e n t f r o m t h a t o f t h e c o n c r e t e l a y e r ；t h e e x p a n s i v e a n d s h r i n k s t r a i n s o f t h e f o r me r a r e l a r g e r t h a n t h a t o f t h e l a t t e r a n d i n c r e a s e wi t h i n c r e a s i n g o f t h e A／ C r a t i o；t h e s t r a i n r a t e o f t h e f o r me r i s o b v i o u s l y d e p e n d e n t o n t e m p e r a t u r e c ha n ge s a nd t i me；c o ns t r a i n t s of t h e c o nc r e t e l a y e r o n t he t h e r m a 1 de f o r ma t i o n o f t h e SL m o r t a r l a y e r pr o du c e c o ns i d e r a bl e t e m p e r a t u r e s t r e s s i n t he i nt e r f a c e s ；t e m pe r a t u r e s t r e s s g e n e r a t e d d ue t o c h a ng i ng t e m p e r a t u r e 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 9 — 1 9 ；修 回日期 ： 2 0 1 3 - 0 5 — 0 1 基金项 目：国家 自然科学基金( 5 0 8 7 8 2 0 9 )； 国家重点基 础研究发展计划( 9 7 3计划 ) ( 2 0 1 3 C B 0 3 6 2 0 0 ) 第一作者 ：田冬梅 ( 1 9 8 O ) ，女 ，吉林 白城人 ， 讲师 ，博士。 E — ma i l ： t i a n d m2 0 0 0 @1 6 3 ． c 。 m 通讯作者 ： 邓德华( 1 9 5 8 一) ， 男 ，湖南攸 县人 ，教授，博士 。 E — ma i l ： d l x 0 2 1 6 @1 6 3 ． c o m 第 1 1期 温度对水泥乳化沥青砂浆层与混凝 土层 问界 面黏结影 响 c y c l e s wi l l r e s u l t i n c r a c ki ng i n t he SL m o r t a r l a y e r ，c a us e t he i nt e r r a c i a l s he a r s t r e ng t h t o f a l l c on t i n uo us l y a nd f i n a l l y l e a d t o i nt e r f a c e s e pa r a t i ng a nd c om p l e t e uns t i c ki n g．The a p pe a r a nc e o f o p e ni n g ga p s be t we e n l a y e r s a nd c r a c ki ng of t he SL mor t a r l a ye r o f i n — s e r v i c e s l a b t r a c k s t r u c t ur e s c a n be e xp l a i ne d a s t he r e s u l t o f c ha n ge s of a m bi e nt t e m p e r a t u r e s a n d no t a b l e d i f f e r e nc e s o f t he t he r ma l d e f or ma t i o n be ha v i o r o f m o r t a r a nd c o nc r e t e ． Ke y wo r d s：c e m e n t e mul s i f i e d a s p ha l t m o r t a r ； c o nc r e t e； t he r m a l de f o r m a t i o n b e ha vi or ；i nt e r f a c i a l bo nd i ng； b a 1 1 a s t 1 e s s s l a b t r a (、 k 板式无 砟 轨道 是 由混 凝 土 底 座 板 或 支撑 层 、 水 泥 乳 化 沥青砂 浆 充填层 、 预 制混 凝土 轨道 板 、 扣件 和钢 轨 等部 分组成 的一种 新型 轨道结 构 。我 国 目前采用 的板 式 无 砟 轨 道 主 要 有 2种 结 构 型 式 ， 分 别 是 C R T S I 、 C R TS I I 型板式无砟轨道 。C RT S I 型板式无砟轨道 砂浆充填层采用袋注法施 工， 砂浆充填层 与混凝土轨 道板或底座板层间是接触界面。C RTS I I 型板式无砟 轨道 砂浆 充填 层采 用 封 边 模 腔法 灌 注 施 工 ， 砂 浆 充 填 层与 混凝 土轨 道板 、 混 凝 土 底 座 板 或支 撑 层 问是 黏 结 界 面 。早 期 C R TS I 型板 式无 砟 轨 道 试 验 段 ， 其 砂 浆 充填层也 曾采用封边模腔法灌注施工 ， 砂浆充填层与 混凝 土 轨道板 或底 座板 层 间也是 黏结 界 面l_ 1 ] 。 对早 期 C R TS I 型板 式无 砟轨 道试 验 段 和 近期 的 C R TS I I 型 板式 无砟 轨道 施工 现场 的考 察发 现 2种 病 害 现象 ： 一是 板 式轨道 中砂 浆充 填层 与轨 道板 、 底 座板 或 支撑 层 的层 间界 面 出现 离 缝 现 象 ； 二 是 砂浆 充 填 层 出现垂 直 于混凝 土底 座板 或支 撑层 的竖 向裂 缝 。见 图 1 一 一 ( a )层间离缝 ( b )竖 向开裂 图 1 板式轨道结构中层问离缝和竖 向开裂现象 当板 式无 砟轨 道板 结构 中出现砂 浆充 填与 轨道板 或底 座板 ( 支撑 层 ) 层 问 离缝 和砂 浆 充 填 层 开裂 后 ， 严 重影 响板 式轨 道结 构 的平顺 性和 高速 列车 运行 的安全 性与舒 适 性 ； 轨道 板上 的雨 水 将 侵入 离 缝 后 形 成 的 界 面缝隙中， 并渗入砂浆充填层的毛细孔缝中 ] ， 引起水 泥乳 化沥 青砂 浆 力 学性 能 的显 著 降低 [ 3 ] ； 列 车 通 过 时 的动荷载作用使界面缝隙中的雨水被压入砂浆充填层 中 ， 从 而 导致砂 浆 充填层 过 早劣化 与失 效 ] 。 为提 高板 式无 砟 轨 道结 构 的平 顺 性 、 高 速 列 车 运 行的安全性和砂浆充填层耐久性， 需弄清界面离缝和 砂浆充填层开裂产生 的原因， 以便采取相应 的技术措 施加 以防治 。但 在这 方面 的研究 报 道很少 。 板式 无砟 轨道 结 构 直接 暴 露 在 大气 环 境 中 ， 我 国 大部 分地 区 的常年 温度 变化 介 于一 2 0℃ ～6 O℃ 之 间 。 本 文作者 所属 团 队 的前 期 研究 口 分 析认 为 ， 环 境 温 度 循 环变化 是板 式无 砟轨 道结构 出现图 1所示 劣化 现象 的主要原因之一 ， 为此 ， 本文制备了 4 组不同水泥乳化 沥青砂浆层和相同混凝土层 2层黏结的复合试件 ， 采 用高低温( 一 2 O℃～6 0℃) 循环变化模拟试验， 研究温 度 对板 式轨 道 中砂 浆 充填层 与混 凝土底 座板 层 间界面 黏 结 的影响 。 1 试验 程序 1 ． 1原材料 及 配合 比 ( 1 )C 4 0混 凝土 水泥为 P ． 0 4 2 ． 5广东越秀牌水泥， 其化学组成 见表 1； 细骨料为表面清洁、 级配良好 、 细度模数为2 ． 8 的天 然河砂 ； 粗 骨料 为表 面清 洁 、 级 配 良好 的花 岗岩碎 石 ， 最 大粒 径 2 5 mm ； 水 为 长沙 自来 水 ； 减水 剂 为 萘 系 减水剂， 减水率约 2 o ， 掺量为水泥质量 的0 ． 8 9 ／ 6 。根 据文献 E 5 ] 设 计 的 C 4 0 混 凝 土配合 比见 表 2 ， 坍落 度 为 1 5 0 m m 表 1 P ． O 4 2 ． 5水泥的化学组成及性能 配合 比／ ( k gm ) 抗压强度 ／ MP a w c水水泥砂石 0．49 1／ 6 359 ， 46 l ll9 Z．8／ 154 38．6 4／ ．9 ( 2 )水 泥乳 化沥 青砂浆 干 料 ： 湖 南盛林 建 材 科 技 有 限公 司生 产 的水 泥乳 化沥青砂浆专用干粉料 ， 它 由水泥、 细砂和其他添加剂 等主要组分混合而成 ， 水泥为越 秀牌 P ．I I 5 2 ． 5 R硅 酸盐水泥， 其化学及 矿物组成见 表 3 ， 细砂 为机制硅 砂 ， 最 大粒径 为 1 ． 1 8 mm， 细 度模 数 1 ． 7 ； 乳 化沥 青 为 安 徽 中铁 工 程 材 料 有 限 公 司 生 产 的 阴离 子 型 乳 化 沥 青 ， 主 要性 能指标 见表 4 ； 外加 剂为 溶液 浓度 1 O 的有 机 硅 消泡剂 ， 掺 量 为沥 青 乳 液 的 0 ． 0 5 ； 水 为 长 沙 自 8 0 铁 道 学 报 第 3 5 卷 来水 。水 泥乳化 沥青砂 浆 的配合 比和性 能见表 5 。 表 3 P．1 I 5 2 ． 5 R硅 酸 盐 水 泥 的 组 成 化学组成 S i O2 C a ( ) Al e ( ) 3 F e e O 3 Mg O S Oa 含量／ 2 1 ． 2 0 6 5 ． 6 6 5 ． 4 3 3 ． 8 7 0 ． 8 7 0 ． 9 1 化学组成 Na 2 Oe q f - C a ( ) C 3 S C 2 S C 3 A C 4 At 含量 ／ 0 ． 5 6 0 ． 9 5 6 0 ． 9 1 1 5 ． 6 8 7 ． 8 4 1 1 ． 7 l 表 4阴离子型 乳化 沥青 的主要性能指标 ( 3 )应变 片 与黏结剂 应变 片为 中航 电测仪器 股份 有限公 司订 制 的型号 为 B KM1 2 0 — 1 0 0 AA温 度 自补 偿 电 阻 应 变 片 ， 标 称 电 阻值 为 1 2 0 Q， 标距 1 0 0 mm， 灵 敏度 系数 为 2 ． O 9 。黏 结 剂 型号 Z 一 7 1 1 。外 接 导线 为 双心 多 股 铜 导 线 ， 且所 有导 线长 度保持 一致 。 1 ． 2复合 试件 的制 备 ( 1 )C 4 0混凝 土层浇 注 按 照表 2所示 的混凝 土配 合 比和标准操 作程 序拌 制 C 4 0混 凝土 ， 将和 易性 良好 的新 拌 混凝 土浇 注 到尺 寸为 3 0 0 mm1 0 0 mm1 0 0 mm 的钢模 中 ， 浇注 高 度控 制在 ( 5 0 1 ) mm。 同时 成 型 的立 方 体 试 件 尺 寸 为 1 5 0 mm1 5 0 mm 1 5 0 mm， 以测量 混 凝 土 的抗 压强度 ， 经机 械振捣 密实 后 ， 试 样置 于混凝 土标 准养护 室 中养护 。混 凝 土 拌 合 物 坍 落 度 及 抗 压 强 度 值 见 表 2。 ( 2 )水泥乳 化沥青 砂浆层 浇注 将 带模 养护 7 d的含混 凝土层 的 钢模从 标 准养 护 室 中取 出， 擦 干模 中混凝 土层 自然成 型面 的水 分 ， 清除 成型 面上 的浮灰 。按 照表 5的 4组砂 浆配 合 比拌 制水 泥乳 化沥青 砂浆 ( S L砂 浆 ) ， 按 照 文 献 [ 6 ] 规 定 的方 法 测试 新拌砂 浆 的性 能 ， 然 后将 每 组 新拌 砂 浆 分 别 注满 含混 凝土层 的钢模 上半 部分 ， 以形成 上半部 为砂 浆层 、 下半 部为混 凝 土层 的复 合 层 叠 试 件 。 由此 制 得 A／ C 分别为 0 ． 3 、 0 ． 5 、 0 ． 7和 0 ． 9的水泥乳化沥青砂浆层和 相同混凝 土层构成 的 4组复合试件 ， 其 编号分别为 S L 一 1 、 S I 一 2 、 S L 一 3和 S L 一 4 。将 这些 试 件 继 续 养 护 2 8 d。 A ／ c分别 为 0 ． 3 、 0 ． 5 、 0 ． 7和 0 ． 9的新 拌砂 浆 的 性能 及硬化 砂浆 的力学 性能见 表 5 。 表 5水泥乳化沥青砂浆配合比及性 能 试件编号 A／ C W／ C 配合 比／( k gIn 一 。 ) 干粉料 水 乳化沥青 消泡剂 流动度 表观密度／ 含气量 2 8 d抗压 弹性模量( 圆 ／ s ( k gIn ) ／ 强度／ MP a 柱体 ) ／ MP a 注 ： A／ C是固体沥青与水泥质量 比。 1 ． 3试验 方法 ( 1 )在试件 上粘 贴应 变片并 连接线 路 为测量 复合试 件 中混凝 土层 和砂浆层 随 温度 的变 形规律 ， 按 照 图 2所示 的位 置 ， 分别 在复合 试件 的砂浆 层上部 与 中部 、 砂 浆层 与 混凝 土层 界 面 和混 凝 土层 的 中部的侧面粘贴应变片。先在复合试件 的侧面画横 、 竖中线定粘贴位置 ， 清除其表面油污与浮尘， 在粘贴位 置涂抹一层薄薄的黏结剂， 涂抹面积略大于应变片的 面积 ， 待黏 结剂 发黏 时 ， 迅 速将 B KM1 2 0 — 1 0 0 AA 应变 片 、 接线端 子 片粘 贴 在 相应 位 置 上 ， 与所 画标 线 对 齐 ， 盖上 一块 聚酯 薄膜 ， 用 拇指 沿应变 片朝 一个方 向滚压 ， ① 靠近 s L砂浆层上表面；② s L砂浆层中部； ③ s L 砂浆层与混凝土层粘结界面处；④ 混凝土层中部 图 2 复合试件 中应变片粘贴位置 ( 单位 ： ram ) 挤 出气泡 和多余 黏结剂 ， 以保 证粘贴 层薄且 均匀 ， 静置 6 8 2 O 1 1 3 3 猢 O O 5 8 8 4 6 6 3 2 3 4 5 O O ． ) O O O O O 6 5 2 5 3 2 1 o0 00 8 5 6 6 6 7 O 0 O O 3 5 7 9 O O O O 1 2 3 4 L L L L S S S S 8 2 铁 道 学 报 第 3 5 卷 由图 4可见 ， 温控 制 度 ( 一 ) 使 试 件 内各 层 在 最 高 ( 最 低 ) 温 度下保 持 了一段 时 间 。 2 ． 2试件 中各 层 随温 度 的变形 ( 1 )各层 的热变 形行 为 在 设定 的温 控制度 ( 一 ) 试 验条 件下经 受一个 高低 温循 环后 ， S L 一 1 、 S L 一 2 、 S L 一 3和 S L 一 4等 4组 试 件 中各 层沿厚 度 方 向不 同 位 置 的应 变 随 时 间变 化 规 律 见 图 5 。由图 5曲线 可见 ， 4组 不 同组成 不 同性 能 的砂 浆层 5 0 0 ￡ 2 0 0 一 1 0 0 一 4 0 0 一 7 0 0 — 1 0 0 0 姿 髫一 一I 莹 一 1 —1 时间／ mi n ( a )S L 一 1 试件 时间／ mi n ( b )S I 一 2 试件 宝 一 一 1 一1 —2 时间／ mi n ( c )S L 一 3试件 ＼ 赠 ＼ 时间／ m i n ( d )S L 一 4试件 ②； 一 一 一 一 ③； 一一 ④； — 一环境温度。 图 5 4组试件随温度变化产生的应变与时间 曲线 和相 同混凝 土层 因 温度 变化 产 生 的变 形 规 律 基 本 相 同 ， 均呈 现热 胀冷 缩 变形 。混凝 土 层 的热 胀 冷 缩 变形 值较小 ， 而砂浆层的热胀冷缩变形值较大 ， 砂浆层热胀 冷缩变形值 自上而下递减 ， 界面处砂浆层 的变形值最 小 且 略大于混 凝土层 的变形值 。 由图 4可 知 ， 当 试 验 箱 内 环 境 温 度 由 室 温 以 2℃／ rai n 速 率 升至 6 0℃时 ， 混凝 土 层 和 S L砂 浆层 内 中心 温度 均 以较慢速 率升 高 ， 试 件 内外 存在 温度梯 度 。 因此 ， 虽 然应 变片是 粘贴 在试件 各层 的表 面 ， 但 由于温 度梯度 的影 响 ， 如 图 5 所 示 ， 升 温段测 得 的砂 浆层 和混 凝土层 的膨胀 变形 是逐渐 发展 的 。当箱 内环 境温 度恒 定在 6 0℃时， 试件中各层的内外温度梯度消除后 ， 试 件中各层的膨胀变形达到最大值。同样， 当箱内温度 从 6 0℃降 到一 2 0℃ 的过程 中 ， 测得 的砂浆 中各 层 的收 缩变形 也是 逐 渐 发 展 的 ， 当箱 内环 境 温 度 恒 定 在 一 2 O ℃时 ， 试 件 中各层 的收缩 变形达 到最 大值 。 表 6试件中砂 浆层不 同位置和混凝土层的 应 变 速 率 与 最 大 应 变 值 对 比图 5中各组试 件 的热胀冷 缩变形 曲线 和箱 内 环境 温度 变化 曲线可 以发现 ， 混凝 土 层 的变 形 对 温度 的响应较快， 而砂浆层的变形对温度的响应较慢 ， 并表 现明显的滞后现象， 尤其是降温收缩的滞后现象更加 显著 。例 如 ， 当试 验 时间约 为 2 2 0 mi n ， 混 凝土 层 内温 度降到一 2 o℃时 ， 混凝土层的收缩达到最大值 ， 此后 的 保温 阶段 ， 混凝土 层基本 不再产 生 收缩变形 ； 而 当砂浆 层 内温度 降 到 一 2 O ℃ 时 ， 其 沿 厚 度 方 向的 各 个 位 置 测 得 的收缩变 形并未 达到最 大值 ， 在保 温阶段 ， 其收缩 变 形继续 增 大 ， 直至 在 4 5 0 ～4 8 0 rai n左 右 ， 砂浆 层 中各 个测点的收缩变形才达到最大值 ， 距离混凝土层越远 ， 达到最 大收缩 值 的滞 后 时 间越 长 。如 表 6所 示 ， 混 凝 土层的热胀冷缩变形速率大于砂浆层的变形速率， 砂 浆 层 的 A／ C越大 ， 沥 青 相 越 多 ， 变形 速 率 越 小 。另 一 方面， 由图 5中各组试件的砂浆层和混凝土层 的热胀 冷缩曲线可见 ， 混凝土层的变形值较小 ， 而砂浆层的变 形值较大； A／ C越大 ， 砂浆层的变形值越大， 最大值可 达 混凝 土层变形 值 的 7倍 以 上 ； 砂 浆 层 中测点 位 置 不 同 ， 测得 的热胀 冷缩 变形 曲线也不 同， 砂浆 层上 部收 缩 变形 值 可达 界 面 处 收 缩 变 形 值 的 2倍 以上 。结 果 表 明 ： 混凝 土材料 和水 泥乳 化 沥 青砂 浆 的 热行 为 差 异 很 第 1 1期 温度对水泥乳化 沥青 砂浆层与混凝土层间界面黏结影响 8 3 大 ， 二 者 的差异 随砂 浆层 的沥灰 比增加 而增 大 ； 差异 导 致混凝土层对砂浆层的热变形有较大约束作用， 界面 处存 在较 大 的剪切 应力 。 ( 2 )砂浆层与混凝土层热变形行为差异的原因 混凝 土材 料一 般 被认 为是 准 脆 性 材 料 ， 其 热 行 为 特点 是 ： 温度变 化 产生 的变形 速率 较快 ， 热胀 冷 缩变形 值较 小 ， 其 线 膨 胀 系 数 约 为 ( 9 ．7 6～ l O ．4 4 ) 1 0 ／ ~ Cl_ 7 ] 。混 凝土 的组 成 相 主 要 是砂 石 骨 料 和水 泥 石 ， 二 者 均是 无 机 相 ， 在 一 2 0℃ ～ 6 0℃ 的 温 度 范 围 内 不会发生相变 ， 其热胀冷缩变形主要来 自无机材料中 颗粒 间距 离 的变 化 。虽 然水 泥石 的线 膨 胀 系 数较 大 ， 约为 1 8 ． 5 1 0 ／ ~ C【 ， 但 由于 占 6 O 以 上 的骨 料 的 抑制作用 ， 使得混凝土线膨胀系数较小， 且以晶体相为 主 的骨料 对温 度 响应较 快 。 水 泥乳化 沥青 砂 浆 中含 有 大量 凝 胶 态 的沥青 相 ， 沥青相是多种有机化合物( 通常分为饱和分、 芳香分 、 树脂和沥青质等 4组分) 的混合物， 其 中含有大量分子 量很大的大分子化合物 。所 以， 沥青材料 的热变形行 为不 同于无机 材料 而 类 似 于 有机 高 分 子 材 料 ， 其 特 征 是其热变形受大分子化合物的大分子链运动和物理状 态转 变 的影 响 ] ， 对温度 和 时间有 很 大 的依 赖性 ； 其 线 膨胀 系数 较 大 ， 约 为砂 石 骨 料 的 1 O ～ 1 5倍 ， 典 型 值 约 为 1 7 0 1 0 ／ ~ cl c 。所 以 ， 在一 2 0℃ ～6 O℃ 的温度 范 围内 ， 水 泥乳 化沥 青 砂浆 与 混 凝 土 材料 热 行 为 的差 异 主要 是 由沥青 材 料引起 的。 沥 青材料 ， 一 方 面其 热 变 形 行 为 与 大分 子 链 或 链 段的运动有关 。随着温度升高 ， 沥青相中大分子链段 接着 整个 大 分子链 会 产 生 伸 展 运 动 ， 使 得 大分 子 链 由 初始蜷曲构象变成舒展构象 ， 体积增大而使沥青相产 生较大的膨胀变形。当温度降低时， 沥青 相中的大分 子链 段 接着 整个 大分 子 链 会 产 生 紧缩 运 动 ， 使 得 大 分 子链 由舒展构象变成蜷 曲构象 ， 体积收缩 而使沥青相 产生较大的收缩变形 。温度升降引起的大分子链和链 段 的伸 展或 紧缩 运动 均需 要克 服分 子链 间或 链段 内极 性 基 团间 的相互 作用 所产 生黏 滞 阻力 和相邻 大分 子链 或链段所形成的空间位 阻， 因而大分子链 构象的转变 或 调整 需要 一定 的 时 间 ( 通 常称 为 松 弛 时 间 或延 迟 时 间) ， 所 以 沥青相 的 热胀 冷 缩 变 形 速 率较 小 ， 当 温度 升 降速度较快时 ， 其热变形会 明显滞后于温度 的变化。 另一方 面 ， 沥青 材料 的热 变形 行 为 还 与 其 物 理状 态 的 转 变有 关 。常 温下 沥青 为 黏 弹 态 ， 高 温 下 沥 青 为黏 流 态 ， 负温下沥青为玻璃态 。见表 4 ， 砂浆层所用沥青 的 软 化点 为 4 6℃ ， 因此 ， 由室温 2 5℃ 升至 6 0℃ 后再 降 到 一 2 0℃ 的温度 变化 过 程 中 ， 沥青 经 历 了黏 弹态 一黏 流 态 和黏 弹态一 玻璃 态等 2 个 物理 状态 的转 变 。处 于 黏 流态 时 ， 沥 青 中大分 子 问相 互作 用力 较小 ， 大分 子链 间伸展运动加剧 ， 大分子链 间距离增大 ， 其体 积也较 大 ； 沥青 为玻 璃态 时 ， 只有大分 子链 段或 基 团的局 部运 动发生 ， 且大分子链 问距离较小， 大分子问相互作用力 较 大 ， 其 体积 也较 小 。因此 ， 由室 温升 至 6 0℃时 ， 伴 随 着 沥青 由黏 弹态转 变 为 4 6℃ 以上 的黏 流 态 而产 生 较 大的膨胀变形 ； 当温度由 6 0℃降至一 2 0℃的过程 中， 沥青 相先 由黏 流态 转 变 为 黏 弹态 、 再 由黏 弹态 转 变 为 玻璃 态 ， 这 2个物 理状 态 的转 变不 但 需 要 时 间调 整 大 分子 链 的构象 ， 而且 还 产生较 大 的收缩变 形 。所 以 ， 由 室 温 2 5℃升 至 6 0℃后再 降到一 2 O℃ 的温度 变化 过程 中， 砂浆层中的沥青相将产生较大的热胀冷缩变形 ， 且 由于大分子链间粘滞阻力的影响和物理状态转变的时 间效应 ， 其热胀冷缩变形速率较小且显著地滞后于较 快 的温度 变化 。 试件 中砂浆层 ( 见 图 4 ) 在箱 内温度升降过程 中， 砂浆层内外存在较大的温度梯度。升温时， 砂浆层表 面 温度 基本 与箱 内温度 一致 且较 高 ， 而 中心 温度较 低 ， 因此砂 浆层 内产 生 自外 向里 递增 的压 应 力 。 同理 ， 降 温时， 砂浆层表面温度较低 ， 而 中 it , 温度较高 ， 砂浆层 内产生 自外 向里递 增 的拉应 力 。因砂浆 层 内外温 差形 成 的温 度应力 会 发生 2种效 应 ， 一 是 由于 砂浆 层 弹性 模量较低 ( 见表 5 ) ， 压拉应力作用下产生与温度升降 相反的较大的变形 ； 二是压拉应力作用下， 砂浆层中沥 青 相会 产生应 力 松弛 ， 将削 弱其影 响 ， 但 应力 松弛 需要 一 定的时间。在这 2 种效应作用下， 升降温时， 测得的 砂浆层热变形值与该温度下应发生 的变形值有差异 ， 且 其变 形速 率较 小 ； 箱 内环 境温 度恒定 后 ， 随着砂 浆层 内外温 差逐 渐 消除 ， 测 得 的砂 浆 层热 变 形 值 逐渐 接 近 恒 定 的最大值 。所 以 ， 由室 温 2 5℃ 升至 6 O℃ 后再 降 到一 2 0℃ 的温度 变 化 过 程 中 ， 由于 砂 浆 层 导热 系数 和 弹性模量较小， 砂浆层内外温差所产 生的温度应力对 其 热 变形值 的较 大影 响也 是砂浆 层热 变形 行为不 同 于 混 凝 土材料 的 主要原 因之 一 。 ( 3 )沥灰 比对砂 浆层 的热 变形 行为 的影 响 如上所 述 ， 沥青 相 的 热行 为 特 征 赋予 了试 件 中砂 浆层 不 同于混凝 土 的热变 形行 为 ， 如 热变 形值较 大 ， 热 变形 速率 较小 且滞后 于 温度变 化 。见 图 6 、 图 7 。试 件 中砂 浆层 的上 部和 中部 的最大 膨胀值 和最 大 收缩值 均 随新拌砂浆的沥灰 比增加而增大， 相互间近似直线关 系 。这说 明水 泥乳化 沥青 砂浆 的热 变形值 取决 于沥 青 相的体积分数。 由表 5新拌砂浆配合 比可知， 随着 A／ C不 同， 乳 化沥 青与 干料 的掺 量不 同 ， 而干 料 中砂 子 与水 泥 组 成 是相同的。新拌砂浆硬化后 ， 乳化沥青中的沥青乳粒 8 4 铁 道 学 报 第 3 5卷 蔓 6。。00 f } 日⑦ 一 g一 圣 一 1 2 一 8 娉 一 0 S L 一1 S L一 2 S L 一3 S L一 4 混 擞 土 层 样品号 图 7 试件中各层 的最大收缩应变 凝聚成 沥青 凝胶 相 ， 干 料与水 反应 形成水 泥砂浆 体 ， 因 此 ， 将 硬 化砂 浆 简化 为 2相 复合 材 料—— 沥青 相 与砂 浆相 。根据 复合 材料 性 能 与组 成 问 的复 合 定 律 ， 可得 出砂浆层的热变形值与 2相体积分数的直线关系 ￡ Y— A VA+ MVM 一 ( A— M)VA+ a M (2 ) 式 中 ： ￡ 为 S I 砂 浆 的热变形 值 ， 1 0 ； 、 M 分别 是 沥