水泥沥青砂浆的热行为及变形机理

板式轨道是高速铁路主要的轨道型式。水泥乳化沥青砂浆（CA砂浆）充填层是板式轨道结构的重要组成部分，其性能对轨道结构的平顺性、耐久性和运营维护成本有重大影响。基于申请者的前期研究，CA砂浆的热变形行为与混凝土相差较大，且存在异常变形。这可能是导致CA砂浆垫层开裂、与轨道板离缝的根本原因。本项目拟以材料科学理论为基础，根据CA砂浆垫层服役温度环境、CA砂浆的组成、结构特点，应用理论分析与试验研究、宏观变形测试、微观分析相结合的研究方法，得出CA砂浆的热行为及变形特性，揭示CA砂浆热变形行为机理，建立组分材料、配合比参数与CA砂浆热变形行为之间的关系，提出改善其热变形行为的原理与措施。研究成果可为明确CA砂浆热变形行为在充填层劣化过程中的作用，提高其与轨道板的变形协调性、改善充填层耐久性提供科学依据。

本项目测试了不同温度条件下、不同含湿状态CA砂浆的热变形行为，探明了CA砂浆热变形的基本特点；采用DTMA、TG-DSC分析了CA砂浆的热力学性能及内部水分的热迁移特性，应用压汞法、低温气体吸附法对CA砂浆的孔隙结构进行了表征；基于CA砂浆的热力学性能和孔隙结构特点，应用物理化学相关理论阐述了CA砂浆热变形行为的机理。. (1）CA砂浆的储存模量比损耗模量大约1个数量级，其变形主要以弹性变形为主；其静态弹性模量、储存模量随温度升高而降低，其抵抗变形的能力下降；当温度超过30℃后，由于沥青相呈半固体，CA砂浆开始表现出软化行为。. (2）CA砂浆内部存在大量的气孔、毛细孔；CA砂浆的孔径有两个明显的分布峰，第一个峰对应的孔径约为5μm，为大毛细孔；第二个峰对应的孔径为50 μm，主要为引气剂及铝粉反应所形成。5μm以下的孔占总孔体积的40~50%，孔径在50 nm以下能够产生强烈毛细作用的小毛细孔及凝胶孔的数量约占总孔体积的6%。CA砂浆具有毛细孔数量多、孔隙率大、内比表面积低的结构特点。. (3）在0℃以下时CA砂浆的热膨胀系数远大于水泥砂浆和普通混凝土，且CA砂浆的热膨胀系数呈现随温度升高而降低的趋势。. (4）在温度变化过程中，CA砂浆内部水分的相态变化、迁移对其热变形有显著影响；内部水分由固体（冰）向液态转变时的体积收缩是CA砂浆在0℃左右出现热收缩原因，而水分的迁移导致的干燥收缩应力是CA砂浆在温度高于15℃后出现热收缩现象的原因。在温度循环条件下，随着起内部水分含量的减少，CA砂浆热收缩现象消失，进一步表明内部水分是导致CA砂浆热变形行为异常的原因。. (5) CA砂浆180d龄期的干燥收缩应变与普通混凝土、砂浆相当，大约为600~800×10-6；CA砂浆具有湿胀干缩的性质，无论是持续干燥还是干湿循环，CA砂浆的收缩值与失水率具有线性关系，CA砂浆的组成参数不影响这种线性关系。. (6）CA砂浆低弹性模量且随温度升高而降低的力学性能特点、高孔隙率的结构特点是导致CA砂浆出现热变形异常的内在原因，水泥乳化沥青砂浆的热行为特性是其组成、结构及力学性能所决定的；提出了板式轨道的结构设计和施工中加强排水，避免砂浆充填层处高含水状态是消除或减轻砂浆异常热变形行为的不利影响的有效的途径。