纳米SiO2对CA砂浆材料性能的影响及作用机理研究

摘要

目前，我国高速铁路总里程已超过2万公里，其中约30％采用CRTSⅡ型板式无砟轨道。CA砂浆层是CRTSⅡ型板式无砟轨道的弹性垫层，位于轨道板与混凝土底座之间，起到支撑轨道板、缓冲列车荷载及调节轨道精度的作用，其性能好坏直接影响高速铁路运营期间的安全性及舒适性。CA砂浆是由水泥、细骨料、乳化沥青、水及多种添加剂组成，通过水泥的水化反应和乳化沥青的破乳胶结而形成的一种有机-无机复合材料，该材料同时具备水泥刚性和沥青黏弹性的特点。本文以改善CA砂浆性能为目的，采用内掺法掺入适量纳米SiO2，研究纳米SiO2对CA砂浆性能的影响。本文主要研究工作如下:
　　(1)对CA砂浆进行流动度、扩展度及针入度试验。试验结果表明掺入纳米SiO2会降低CA砂浆的工作性能，减少初、终凝时间;随着纳米SiO2掺量的增加，CA砂浆的工作性能越差。
　　(2)对CA砂浆进行不同龄期下的单轴压缩试验。试验结果表明，普通CA砂浆和纳米CA砂浆在龄期为3d时，峰值应力过后应力应变曲线衰减略缓，表现出典型脆性材料特性，并伴随一定的韧性。随着龄期的增加，应力峰值后的衰减速率逐渐增加，韧性减弱，脆性明显。掺入纳米SiO2能够提高CA砂浆的早期强度和弹性模量，对于后期的强度和弹性模量影响不大。普通CA砂浆和纳米CA砂浆的强度和弹性模量随龄期的增长规律均可采用自然对数函数来进行拟合。
　　(3)对CA砂浆进行不同加载速率下的单轴压缩试验。试验结果表明，普通CA砂浆和纳米CA砂浆的峰值应力和弹性模量随加载速率的增加而增大，其变化趋势可采用指数函数来进行拟合。普通CA砂浆力学性能对加载速率的敏感性明显高于纳米CA砂浆。相比于弹性模量，峰值应力对加载速率更敏感。掺入3％纳米SiO2的CA砂浆其力学性能对加载速度的敏感性最低。
　　(4)对CA砂浆进行不同温度下的单轴压缩试验。试验结果表明，普通CA砂浆和纳米CA砂浆的峰值应力和弹性模量随着试验温度的增加而减小，其变化趋势可采用一次函数来进行线性拟合。无论是普通CA砂浆还是纳米CA砂浆其峰值应力的温度敏感性明显高于弹性模量的温度敏感性。掺入1％纳米SiO2的CA砂浆其力学性能的温度敏感性最低。
　　(5)对CA砂浆进行不同温度下的疲劳抗压和疲劳抗拉试验，试验结果发现普通CA砂浆和纳米CA砂浆其抗压疲劳和抗弯疲劳的S-lgNf曲线呈现良好的线性关系。在相同温度和应力水平下，抗弯疲劳寿命低于抗压疲劳寿命，纳米CA砂浆的疲劳寿命明显高于普通CA砂浆，掺入1％纳米SiO2的CA砂浆疲劳寿命最高。无论是普通CA砂浆还是纳米CA砂浆，其疲劳寿命在试验温度为-2O℃、15℃及40℃时依次减小。
　　综上可知，掺入纳米SiO2会降低CA砂浆的工作性能，但可以通过添加适量减水剂来弥补工作性能的不足。掺入适量纳米SiO2能够提高CA砂浆的早期强度和疲劳性能，降低其力学性能对加载速率及温度的敏感性。掺入1％纳米SiO2对CA砂浆的性能改善效果最佳。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 高速铁路

1．1．2 无砟轨道

1．2 CA砂浆

1．2．1 CRTSⅡ型CA砂浆的性能指标

1．2．2 CA砂浆的损伤形式及原因

1．3 国内外CA砂浆的研究现状

1．3．1 国外CA砂浆的研究现状

1．3．2 国内CA砂浆的研究现状

1．3．3 CA砂浆存在的问题

1．4 纳米材料的性能以及在CA砂浆中的应用前景

1．4．1 纳米材料简介

1．4．3 纳米SiO2对沥青材料性能的影响

1．4．4 纳米SiO2在CA砂浆中的应用前景

1．5 研究目的及内容

2 原材料与试验方法

2．1 概述

2．2 原材料

2．3 试验仪器

2．4 试验方法

2．4．1 纳米CA砂浆的拌合方法

2．4．2 流动度、扩展度试验

2．4．3 凝结过程测定试验

2．4．4 力学性能试验

2．4．5 恒温疲劳试验

2．5 小结

3 纳米CA砂浆工作性能研究

3．1 概述

3．2 试验过程

3．3 试验结果及分析

3．3．1 工作性能

3．3．2 凝结过程分析

3．4 小结

4 纳米CA砂浆力学性能的龄期效应

4．2 试验过程

4．3 试验结果分析

4．3．1 应力应变曲线

4．3．2 峰值应力

4．3．3 弹性模量

4．3．4 结果分析

4．4 小结

5 纳米CA砂浆力学性能的加载速率敏感性

5．1 概述

5．2 试验过程

5．3 试验结果分析

5．3．1 应力应变曲线

5．3．2 峰值应力

5．3．3 弹性模量

5．3．4 加载速率敏感性分析

5．3．5 结果分析

5．4 小结

6 纳米CA砂浆力学性能的温度敏感性

6．1 概述

6．2 试验过程

6．3 试验结果分析

6．3．1 应力应变曲线

6．3．2 峰值应力

6．3．3 弹性模量

6．3．4 温度敏感性分析

6．3．5 结果分析

6．4 小结

7 纳米CA砂浆疲劳性能研究

7．1 概述

7．2 试验过程

7．3 试验结果分析

7．3．1 抗压疲劳

7．3．2 抗弯疲劳

7．3．3 结果分析

7．4 小结

8 结论与展望

8．1 全文结论

8．2 研究展望

参考文献

作者简介及在校期间所取得的科研成果