高速铁路无砟轨道中改性 CA 砂浆的低温性能研究

　　摘要：为了提升高速铁路无砟轨道中 CA 砂浆的低温性能，研究了 SBS 单独改性、纳米碳纤维 CNFs 单独改性和 SBS/CNFs 复合改性对 CA 砂浆抗压强度和抗折强度的影响，并分析了不同龄期下砂浆抗压强度和抗折强度的变化规律。结果表明，SBS 掺量不会对 CA 砂浆的 7d 抗压强度产生明显影响，但是 28d 抗压强度、7d 和 28d 抗折强度会随着 SBS 掺量增加而减小;随着 CNFs 掺量从 0 增加至 2.5%，CNFs 改性 CA 砂浆的 7d 和 28d 抗压强度和抗折强度逐渐上升;SBS 和CNFs 复合改性对 CA 砂浆抗压强度和抗折强度都会随着 CNFs 掺量的增加而先增大后减小，在 CNFs 掺量为 1.5% 时取得最大值。SBS 和 CNFs 复合改性对 CA 砂浆强度的影响规律不会因为龄期而发生改变，即 SBS 和 CNFs 复合改性 CA 砂浆抗压强度和抗折强度随着 CNFs 掺量增加而先增大后减小，在 CNFs 掺量为 1.5% 时取得最大值。

　　关键词：无砟轨道;SBS 改性;CNFs 改性;砂浆;低温性能

　　我国铁路建设在近年来得到了飞速发展，这不仅取决于我国经济实力的稳定提升，也归因于装备质量和配套材料基本设施的快速进步，截止 2021 年，我国铁路营运里程已达到 16.8 万公里，其中高速铁路 4.9 万公里。在高速铁路运营过程中，采用混凝土、沥青混合料等整体基础取代散粒碎石道床的无砟轨道结构发挥着重要作用，这主要是因为无砟轨道相较有砟轨道具有平顺性好、稳定性好、使用寿命长和耐久性好等特点 [1-2]。CA 砂浆作为无砟轨道中的重要原料，其填充至无砟轨道结构中的使用性能和耐久性能将在很大程度上决定了无砟轨道的整体使用性能，这是因为 CA 砂浆需要填充轨道板与混凝土底座间的空隙，需要自适应地调整轨道结构高度、需要承受轨道板的垂直荷载等 [3-4]。

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　　因此，用于无砟轨道的 CA 砂浆需要具有良好的抗压强度和抗折强度等力学性能，而实际应用过程中的 CA 砂浆无法满足现代化高速铁路无砟轨道的使用要求 [5]。目前，国内外的研究大多从调整 CA 砂浆的成分配比的角度去提升其强度等性能，而采用改性的方法去提高强度方面的报道较少 [6]。在此基础上，本文拟考察单独 SBS 改性、单独 CNFs 改性和 SBS+CNFs 复合改性对 CA 砂浆抗压强度和抗折强度的影响，并分析了不同龄期下 CA 砂浆的力学性能变化规律，结果可为高速铁路无砟轨道用 CA 砂浆的开发与应用提供技术支撑。

　　1 材料与方法

　　材 料：P.O 42.5 级 水 泥(28d 抗折强度和 28d 抗压强度分别为 6.9MPa 和 46.1MPa)，细骨料为河砂(表观密度 2.65g/cm3)，70 号 B 级基质沥青(软化点 47.9℃)，纳米碳纤维(CNFs、长度 20μm、管径160nm、体积密度 0.044g/cm3)，T6302 线型 SBS 改性剂(拉伸强度 18.6MPa)。将基质沥青加热至 158℃ 完全融化后加入改性剂(CNFs、SBS)，人工搅拌 8min 后升温至 178℃，再在高速搅拌器中搅拌均匀，制成改性沥青，然后经过热熔、添加乳化剂和助剂形成胶体，机械分散后得到改性乳化沥青。水泥乳化沥青砂浆(CA 砂浆)是将预先制备好的乳化沥青、砂子和水等按比例混合后，通过搅拌、浇筑和养护后形成 [7]。按照 GB/T 17671《水泥胶砂强度检验方法》，制备40mm×40mm×160mm 的长方体试块，在 MTS 微机伺服液压控制器上进行抗压强度和抗折强度测试，加载速率为 100N/s，每组试样取 5 组，结果为去掉最大值和最小值后的 3 组试样的平均值。

　　2 结果与分析

　　2.1 抗压强度

　　为 SBS 掺量对 CA 砂浆抗压强度的影响，分别列出了 7d 和 28d 抗压强度。可见，随着 SBS 掺量从 0增加至 4%，SBS 改性 CA 砂浆的 7d 抗压强度基本介于2.52~2.57 MPa，表明 SBS 掺量对 CA 砂浆的 7d 抗压强度影响不大;从 28d 抗压强度上看，随着 SBS 掺量从 0增加至 4%，SBS 改性 CA 砂浆的 28d 抗压强度逐渐减小，在 SBS 掺量为 4% 时为 4.35MPa，相较未掺加 SBS 的砂浆有明显减小，可见，SBS 改性会对 CA 砂浆的 28d 抗压强度带来不利影响。这主要是因为 SBS 改性后，改性CA 砂浆中会形成致密的沥青膜，在一定程度上会抑制水泥与水的接触，从而造成部分水泥未发生水化反应 [8]，相应的抗压强度会有所减小，且 SBS 掺量越大则未发生水化反应的水泥越多，抗压强度会越小。

　　为 CNFs 掺量对 CA 砂浆抗压强度的影响，分别列出了 7d 和 28d 抗压强度。可见，随着 CNFs 掺量从0 增加至 2.5%，CNFs 改性 CA 砂浆的 7d 抗压强度逐渐上升，从未添加 CNFs 时的 2.52MPa 增加至 CNFs 掺量为 2.5% 时的 2.88MPa，表明 CNFs 改性有助于 CA 砂浆7d 抗压强度的提高;从 28d 抗压强度上看，随着 CNFs掺量从 0 增加至 2.5%，CNFs 改性 CA 砂浆的 28d 抗压强度逐渐增大，在 CNFs 掺量为 2.5% 时为 12.88MPa，相较未掺加 CNFs 的砂浆有明显增大，可见，CNFs 改性会明显改善 CA 砂浆的 28d 抗压强度。这主要是因为CNFs 改性 CA 砂浆后，CNFs 自身的小粒径、大表面积结构会吸附较多的水分，从而使得 CA 砂浆中未水化的水泥继续发生水化反应，从而使得 CA 砂浆中水泥的水化反应更加充分，此外，CNFs 自身的小粒径还有利于增加 CA 砂浆的致密性，二者共同作用下提升了 CA 砂浆的 7d 和 28d 抗压强度。为 SBS 和 CNFs 复合改性对 CA 砂浆抗压强度的影响。可见，无论 SBS 掺量是 1%、2%、3% 还是 4%，SBS 和 CNFs 复合改性对 CA 砂浆抗压强度都会随着CNFs 掺量的增加而先增大后减小，在 CNFs 掺量为 1.5%时取得最大值。

　　此外，对比分析还可以发现，在 CNFs掺量相同的条件下，SBS 和 CNFs 复合添加对 CA 砂浆的 28d 抗压强度会随着 SBS 掺量的增加而减小，可见，SBS 掺量的增加也会对 SBS 和 CNFs 复合添加时 CA 砂浆的 28d 抗压强度带来不利影响，这也与其会抑制水泥发生水化反应有关 [9]。为 SBS 和 CNFs 复合改性对不同龄期 CA 砂浆抗压强度的影响，分别列出了龄期为 1d、7d 和 28d 时的抗压强度测试结果。可见，无论龄期是 1d、7d 还是28d，在 SBS 掺量不变的条件下，SBS 和 CNFs 复合改性 CA 砂浆抗压强度随着 CNFs 掺量变化趋势基本相同，即都会随着 CNFs 掺量增加而先增大后减小，在 CNFs掺量为 1.5% 时取得最大值。综合而言，SBS 和 CNFs 复合改性对 CA 砂浆抗压强度的影响规律不会因为龄期而发生改变。

　　2.2 抗折强度

　　为 SBS 掺量对 CA 砂浆抗折强度的影响，分别列出了 7d 和 28d 抗折强度。可见，随着 SBS 掺量从 0增加至 4%，SBS 改性 CA 砂浆的 7d 抗折强度逐渐减小，表明 SBS 掺量对 CA 砂浆的 7d 抗折强度会产生不利影响;从 28d 抗折强度上看，随着 SBS 掺量从 0 增加至 4%，SBS 改性 CA 砂浆的 28d 抗折强度逐渐减小，在 SBS 掺量为 4% 时为 2.71MPa，相较未掺加 SBS 的砂浆有明显减小，可见，SBS 改性会对 CA 砂浆的 28d 抗折强度带来不利影响。这主要是因为 SBS 改性后，改性 CA 砂浆中会形成致密的沥青膜，在一定程度上会抑制水泥与水的接触，从而造成部分水泥未发生水化反应 [10]，相应的抗折强度会有所减小，且 SBS 掺量越大则未发生水化反应的水泥越多，抗折强度会越小。此外，在长时间冷冻处理后，改性砂浆的脆性会持续上升，在受到弯拉作用时的界面更加薄弱，抗折强度会明显减小 [11]。

　　为 CNFs 掺量对 CA 砂浆抗折强度的影响，分别列出了 7d 和 28d 抗折强度。可见，随着 CNFs 掺量从0 增加至 2.5%，CNFs 改性 CA 砂浆的 7d 抗折强度逐渐上升，从未添加 CNFs 时的 1.12MPa 增加至 CNFs 掺量为 2.5% 时的 1.31MPa，表明 CNFs 改性有助于 CA 砂浆7d 抗折强度的提高;从 28d 抗折强度上看，随着 CNFs掺量从 0 增加至 2.5%，CNFs 改性 CA 砂浆的 28d 抗折强度逐渐增大，在 CNFs 掺量为 2.5% 时为 6.23MPa，相较未掺加 CNFs 的砂浆有明显增大，可见，CNFs 改性会明显改善 CA 砂浆的 28d 抗折强度。这主要是因为 CNFs改性 CA 砂浆后，CNFs 自身的小粒径、大表面积结构会吸附较多的水分 [12]，从而使得 CA 砂浆中未水化的水泥继续发生水化反应，从而使得 CA 砂浆中水泥的水化反应更加充分 [13]，此外，CNFs 自身的小粒径还有利于增加 CA 砂浆的致密性 [14]，二者共同作用下提升了 CA 砂浆的 7d 和 28d 抗折强度。可见，无论 SBS 掺量是 1%、2%、3% 还是 4%，SBS 和 CNFs 复合改性对 CA 砂浆抗折强度都会随着CNFs 掺量的增加而先增大后减小，在 CNFs 掺量为 1.5%时取得最大值。

　　此外，对比分析还可以发现，在 CNFs掺量相同的条件下，SBS 和 CNFs 复合添加对 CA 砂浆的 28d 抗折强度会随着 SBS 掺量的增加而减小，可见，SBS 掺量的增加也会对 SBS 和 CNFs 复合添加 CA 砂浆的 28d 抗折强度带来不利影响，这也与其会抑制水泥发生水化反应有关 [15]。分别列出了龄期为 7d 和 28d 时的抗折强度测试结果。可见，无论龄期是 7d 还是 28d，在 SBS掺量不变的条件下，SBS 和 CNFs 复合改性 CA 砂浆抗折强度随着 CNFs 掺量变化趋势基本相同，即都会随着CNFs 掺量增加而先增大后减小，在 CNFs 掺量为 1.5%时取得最大值。综合而言，SBS 和 CNFs 复合改性对 CA砂浆抗折强度的影响规律不会因为龄期而发生改变，这与 SBS 和 CNFs 复合改性对 CA 砂浆抗压强度的影响规律一致。

　　3 结论

　　(1)随着 SBS 掺量从 0 增加至 4%，SBS 改 性CA 砂浆的 7d 抗压强度基本不变，28d 抗压强度逐渐减小;随着 CNFs 掺量从 0 增加至 2.5%，CNFs 改 性 CA砂浆的 7d 和 28d 抗压强度逐渐上升，7d 抗压强度从未添 加 CNFs 时 的 2.52MPa 增加至 CNFs 掺 量 2.5% 时 的2.88MPa，在 CNFs 掺量为 2.5% 时改性砂浆的 28d 抗压强度为 12.88MPa，相较未掺加 CNFs 的砂浆有明显增大。无论 SBS 掺量是 1%、2%、3% 还是 4%，SBS 和 CNFs复合改性对 CA 砂浆抗压强度都会随着 CNFs 掺量的增加而先增大后减小，在 CNFs 掺量为 1.5% 时取得最大值。在 CNFs 掺量相同的条件下，SBS 和 CNFs 复合添加对CA 砂浆的 28d 抗压强度会随着 SBS 掺量的增加而减小。

　　(2)随着 SBS 掺量从 0 增加至 4%，SBS 改性 CA砂浆的 7d 和 28d 抗折强度逐渐减小，可见，SBS 改性会对 CA 砂浆的 7d 和 28d 抗折强度带来不利影响;随着 CNFs 掺量从 0 增加至 2.5%，CNFs 改 性 CA 砂 浆的 7d 和 28d 抗折强度逐渐上升，相较未掺加 CNFs 的砂浆有明显增大;无论 SBS 掺量是 1%、2%、3% 还是4%，SBS 和 CNFs 复合改性对 CA 砂浆抗折强度都会随着 CNFs 掺量的增加而先增大后减小，在 CNFs 掺量为1.5% 时取得最大值。此外，在 CNFs 掺量相同的条件下，SBS 和 CNFs 复合添加对 CA 砂浆的 28d 抗折强度会随着 SBS 掺量的增加而减小。

　　(3)无论龄期是 1d、7d 还是 28d，在 SBS 掺量不变的条件下，SBS 和 CNFs 复合改性 CA 砂浆抗压强度和抗折强度随着 CNFs 掺量变化趋势基本相同，即都会随着 CNFs 掺量增加而先增大后减小，在 CNFs 掺量为1.5% 时取得最大值。

　　参考文献

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　　作者：程 岩

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