高速鐵路無砟軌道中改性 CA 砂漿的低溫性能研究

　　摘要：為了提升高速鐵路無砟軌道中 CA 砂漿的低溫性能，研究了 SBS 單獨(dú)改性、納米碳纖維 CNFs 單獨(dú)改性和 SBS/CNFs 復(fù)合改性對(duì) CA 砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響，并分析了不同齡期下砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，SBS 摻量不會(huì)對(duì) CA 砂漿的 7d 抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生明顯影響，但是 28d 抗壓強(qiáng)度、7d 和 28d 抗折強(qiáng)度會(huì)隨著 SBS 摻量增加而減小;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(qiáng)度和抗折強(qiáng)度逐漸上升;SBS 和CNFs 復(fù)合改性對(duì) CA 砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都會(huì)隨著 CNFs 摻量的增加而先增大后減小，在 CNFs 摻量為 1.5% 時(shí)取得最大值。SBS 和 CNFs 復(fù)合改性對(duì) CA 砂漿強(qiáng)度的影響規(guī)律不會(huì)因?yàn)辇g期而發(fā)生改變，即 SBS 和 CNFs 復(fù)合改性 CA 砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨著 CNFs 摻量增加而先增大后減小，在 CNFs 摻量為 1.5% 時(shí)取得最大值。

　　關(guān)鍵詞：無砟軌道;SBS 改性;CNFs 改性;砂漿;低溫性能

　　我國(guó)鐵路建設(shè)在近年來得到了飛速發(fā)展，這不僅取決于我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的穩(wěn)定提升，也歸因于裝備質(zhì)量和配套材料基本設(shè)施的快速進(jìn)步，截止 2021 年，我國(guó)鐵路營(yíng)運(yùn)里程已達(dá)到 16.8 萬(wàn)公里，其中高速鐵路 4.9 萬(wàn)公里。在高速鐵路運(yùn)營(yíng)過程中，采用混凝土、瀝青混合料等整體基礎(chǔ)取代散粒碎石道床的無砟軌道結(jié)構(gòu)發(fā)揮著重要作用，這主要是因?yàn)闊o砟軌道相較有砟軌道具有平順性好、穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)和耐久性好等特點(diǎn) [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(jié)構(gòu)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?yàn)?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(yīng)地調(diào)整軌道結(jié)構(gòu)高度、需要承受軌道板的垂直荷載等 [3-4]。

　　鐵路論文范例：中國(guó)鐵路隧道勘察技術(shù)的發(fā)展與展望

　　因此，用于無砟軌道的 CA 砂漿需要具有良好的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度等力學(xué)性能，而實(shí)際應(yīng)用過程中的 CA 砂漿無法滿足現(xiàn)代化高速鐵路無砟軌道的使用要求 [5]。目前，國(guó)內(nèi)外的研究大多從調(diào)整 CA 砂漿的成分配比的角度去提升其強(qiáng)度等性能，而采用改性的方法去提高強(qiáng)度方面的報(bào)道較少 [6]。在此基礎(chǔ)上，本文擬考察單獨(dú) SBS 改性、單獨(dú) CNFs 改性和 SBS+CNFs 復(fù)合改性對(duì) CA 砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響，并分析了不同齡期下 CA 砂漿的力學(xué)性能變化規(guī)律，結(jié)果可為高速鐵路無砟軌道用 CA 砂漿的開發(fā)與應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

　　1 材料與方法

　　材 料：P.O 42.5 級(jí) 水 泥(28d 抗折強(qiáng)度和 28d 抗壓強(qiáng)度分別為 6.9MPa 和 46.1MPa)，細(xì)骨料為河砂(表觀密度 2.65g/cm3)，70 號(hào) B 級(jí)基質(zhì)瀝青(軟化點(diǎn) 47.9℃)，納米碳纖維(CNFs、長(zhǎng)度 20μm、管徑160nm、體積密度 0.044g/cm3)，T6302 線型 SBS 改性劑(拉伸強(qiáng)度 18.6MPa)。將基質(zhì)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(jīng)過熱熔、添加乳化劑和助劑形成膠體，機(jī)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(yù)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(yǎng)護(hù)后形成 [7]。按照 GB/T 17671《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》，制備40mm×40mm×160mm 的長(zhǎng)方體試塊，在 MTS 微機(jī)伺服液壓控制器上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試，加載速率為 100N/s，每組試樣取 5 組，結(jié)果為去掉最大值和最小值后的 3 組試樣的平均值。

　　2 結(jié)果與分析

　　2.1 抗壓強(qiáng)度

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

　　為 CNFs 摻量對(duì) CA 砂漿抗壓強(qiáng)度的影響，分別列出了 7d 和 28d 抗壓強(qiáng)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(qiáng)度逐漸上升，從未添加 CNFs 時(shí)的 2.52MPa 增加至 CNFs 摻量為 2.5% 時(shí)的 2.88MPa，表明 CNFs 改性有助于 CA 砂漿7d 抗壓強(qiáng)度的提高;從 28d 抗壓強(qiáng)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(qiáng)度逐漸增大，在 CNFs 摻量為 2.5% 時(shí)為 12.88MPa，相較未摻加 CNFs 的砂漿有明顯增大，可見，CNFs 改性會(huì)明顯改善 CA 砂漿的 28d 抗壓強(qiáng)度。這主要是因?yàn)镃NFs 改性 CA 砂漿后，CNFs 自身的小粒徑、大表面積結(jié)構(gòu)會(huì)吸附較多的水分，從而使得 CA 砂漿中未水化的水泥繼續(xù)發(fā)生水化反應(yīng)，從而使得 CA 砂漿中水泥的水化反應(yīng)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(qiáng)度。為 SBS 和 CNFs 復(fù)合改性對(duì) CA 砂漿抗壓強(qiáng)度的影響�？梢�，無論 SBS 摻量是 1%、2%、3% 還是 4%，SBS 和 CNFs 復(fù)合改性對(duì) CA 砂漿抗壓強(qiáng)度都會(huì)隨著CNFs 摻量的增加而先增大后減小，在 CNFs 摻量為 1.5%時(shí)取得最大值。

　　此外，對(duì)比分析還可以發(fā)現(xiàn)，在 CNFs摻量相同的條件下，SBS 和 CNFs 復(fù)合添加對(duì) CA 砂漿的 28d 抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著 SBS 摻量的增加而減小，可見，SBS 摻量的增加也會(huì)對(duì) SBS 和 CNFs 復(fù)合添加時(shí) CA 砂漿的 28d 抗壓強(qiáng)度帶來不利影響，這也與其會(huì)抑制水泥發(fā)生水化反應(yīng)有關(guān) [9]。為 SBS 和 CNFs 復(fù)合改性對(duì)不同齡期 CA 砂漿抗壓強(qiáng)度的影響，分別列出了齡期為 1d、7d 和 28d 時(shí)的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)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(fù)合改性 CA 砂漿抗壓強(qiáng)度隨著 CNFs 摻量變化趨勢(shì)基本相同，即都會(huì)隨著 CNFs 摻量增加而先增大后減小，在 CNFs摻量為 1.5% 時(shí)取得最大值。綜合而言，SBS 和 CNFs 復(fù)合改性對(duì) CA 砂漿抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律不會(huì)因?yàn)辇g期而發(fā)生改變。

　　2.2 抗折強(qiáng)度

　　為 SBS 摻量對(duì) CA 砂漿抗折強(qiáng)度的影響，分別列出了 7d 和 28d 抗折強(qiáng)度�？梢姡�隨著 SBS 摻量從 0增加至 4%，SBS 改性 CA 砂漿的 7d 抗折強(qiáng)度逐漸減小，表明 SBS 摻量對(duì) CA 砂漿的 7d 抗折強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生不利影響;從 28d 抗折強(qiáng)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(qiáng)度逐漸減小，在 SBS 摻量為 4% 時(shí)為 2.71MPa，相較未摻加 SBS 的砂漿有明顯減小，可見，SBS 改性會(huì)對(duì) CA 砂漿的 28d 抗折強(qiáng)度帶來不利影響。這主要是因?yàn)?SBS 改性后，改性 CA 砂漿中會(huì)形成致密的瀝青膜，在一定程度上會(huì)抑制水泥與水的接觸，從而造成部分水泥未發(fā)生水化反應(yīng) [10]，相應(yīng)的抗折強(qiáng)度會(huì)有所減小，且 SBS 摻量越大則未發(fā)生水化反應(yīng)的水泥越多，抗折強(qiáng)度會(huì)越小。此外，在長(zhǎng)時(shí)間冷凍處理后，改性砂漿的脆性會(huì)持續(xù)上升，在受到彎拉作用時(shí)的界面更加薄弱，抗折強(qiáng)度會(huì)明顯減小 [11]。

　　為 CNFs 摻量對(duì) CA 砂漿抗折強(qiáng)度的影響，分別列出了 7d 和 28d 抗折強(qiáng)度�？梢姡�隨著 CNFs 摻量從0 增加至 2.5%，CNFs 改性 CA 砂漿的 7d 抗折強(qiáng)度逐漸上升，從未添加 CNFs 時(shí)的 1.12MPa 增加至 CNFs 摻量為 2.5% 時(shí)的 1.31MPa，表明 CNFs 改性有助于 CA 砂漿7d 抗折強(qiáng)度的提高;從 28d 抗折強(qiáng)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(qiáng)度逐漸增大，在 CNFs 摻量為 2.5% 時(shí)為 6.23MPa，相較未摻加 CNFs 的砂漿有明顯增大，可見，CNFs 改性會(huì)明顯改善 CA 砂漿的 28d 抗折強(qiáng)度。這主要是因?yàn)?CNFs改性 CA 砂漿后，CNFs 自身的小粒徑、大表面積結(jié)構(gòu)會(huì)吸附較多的水分 [12]，從而使得 CA 砂漿中未水化的水泥繼續(xù)發(fā)生水化反應(yīng)，從而使得 CA 砂漿中水泥的水化反應(yīng)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(qiáng)度�？梢姡瑹o論 SBS 摻量是 1%、2%、3% 還是 4%，SBS 和 CNFs 復(fù)合改性對(duì) CA 砂漿抗折強(qiáng)度都會(huì)隨著CNFs 摻量的增加而先增大后減小，在 CNFs 摻量為 1.5%時(shí)取得最大值。

　　此外，對(duì)比分析還可以發(fā)現(xiàn)，在 CNFs摻量相同的條件下，SBS 和 CNFs 復(fù)合添加對(duì) CA 砂漿的 28d 抗折強(qiáng)度會(huì)隨著 SBS 摻量的增加而減小，可見，SBS 摻量的增加也會(huì)對(duì) SBS 和 CNFs 復(fù)合添加 CA 砂漿的 28d 抗折強(qiáng)度帶來不利影響，這也與其會(huì)抑制水泥發(fā)生水化反應(yīng)有關(guān) [15]。分別列出了齡期為 7d 和 28d 時(shí)的抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果�？梢姡瑹o論齡期是 7d 還是 28d，在 SBS摻量不變的條件下，SBS 和 CNFs 復(fù)合改性 CA 砂漿抗折強(qiáng)度隨著 CNFs 摻量變化趨勢(shì)基本相同，即都會(huì)隨著CNFs 摻量增加而先增大后減小，在 CNFs 摻量為 1.5%時(shí)取得最大值。綜合而言，SBS 和 CNFs 復(fù)合改性對(duì) CA砂漿抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律不會(huì)因?yàn)辇g期而發(fā)生改變，這與 SBS 和 CNFs 復(fù)合改性對(duì) CA 砂漿抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律一致。

　　3 結(jié)論

　　(1)隨著 SBS 摻量從 0 增加至 4%，SBS 改 性CA 砂漿的 7d 抗壓強(qiáng)度基本不變，28d 抗壓強(qiáng)度逐漸減小;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(qiáng)度逐漸上升，7d 抗壓強(qiáng)度從未添 加 CNFs 時(shí) 的 2.52MPa 增加至 CNFs 摻 量 2.5% 時(shí) 的2.88MPa，在 CNFs 摻量為 2.5% 時(shí)改性砂漿的 28d 抗壓強(qiáng)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(fù)合改性對(duì) CA 砂漿抗壓強(qiáng)度都會(huì)隨著 CNFs 摻量的增加而先增大后減小，在 CNFs 摻量為 1.5% 時(shí)取得最大值。在 CNFs 摻量相同的條件下，SBS 和 CNFs 復(fù)合添加對(duì)CA 砂漿的 28d 抗壓強(qiáng)度會(huì)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(qiáng)度逐漸減小，可見，SBS 改性會(huì)對(duì) CA 砂漿的 7d 和 28d 抗折強(qiáng)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(qiáng)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(fù)合改性對(duì) CA 砂漿抗折強(qiáng)度都會(huì)隨著 CNFs 摻量的增加而先增大后減小，在 CNFs 摻量為1.5% 時(shí)取得最大值。此外，在 CNFs 摻量相同的條件下，SBS 和 CNFs 復(fù)合添加對(duì) CA 砂漿的 28d 抗折強(qiáng)度會(huì)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(fù)合改性 CA 砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨著 CNFs 摻量變化趨勢(shì)基本相同，即都會(huì)隨著 CNFs 摻量增加而先增大后減小，在 CNFs 摻量為1.5% 時(shí)取得最大值。

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　　作者：程 巖

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