水泥沥青乳剂混合物的应力缓和特性.doc

水泥沥青乳剂混合物的应力缓和特性木地稔，上田満，濱田純夫摘要：以冲击吸收材的水泥沥青乳剂混合物（由水泥、沥青乳剂和沙三种成分制成的混合物）为适用目的，掌握其基本的物性对水泥沥青乳剂混合物进行应力缓和试验。其结果是，随着时间的延长，应力缓和受到C/E（水泥和沥青乳剂的质量比）和加载荷载速度的显著影响。关键词：C/E，CA复合体，加载速度，应力缓和，缓和弹性率1. 绪论沥青混合物有沥青所固有的粘弹性特性，即因其应力缓和特性而作为冲击吸收材被有效的应用，但其存在由于感温性在温度上升时（50以上）会呈半液体化的问题。水泥沥青乳剂复合体（以下称为CA复合体）经过数年来的研究，比一般的沥青混合物的感温性低，同时能产生由于C/E的变化导致从弹性体到粘弹性体变化的力学特性的改变。本研究主要通过进行CA复合体的配合比及实验条件（荷载加载速度不同）的变化时的一轴荷载下的应力缓和试验，比较考察这些条件与影响冲击吸收效果的因素和应力缓和特性的关系，并尝试研究将CA复合体作为冲击吸收材时的基本物性。同时，使用能显著表征应力缓和特性的物理常数缓和弹性率与各种实验条件、配合比的关系及其影响。根据CA复合体的应力缓和特性的基本条件，预测将来应对地震的复合材料。2. 实验概要2.1 实验总述对本研究采用的实验方法的全部流程进行简单的描述。首先，找到一轴压缩试验的试件的抗压强度和试件破坏时的变形状态（以下称为破坏应变）。在此破坏应变以下保持一定的速度加荷载以发生应变，之后继续保持稳定的应变。一定的应变速度下加荷载的过程中，保持一定的应力缓和过程。系列实验每次改变一个条件，并将其结果进行比较得出基本的应力缓和特性。以下是各试验方法的详细内容。2.2 使用材料及配合比使用材料为：普通硅酸盐水泥（密度3.15，粉末度3280cm2/g），离子系沥青乳剂（YON乳剂，浓度：57.9%，蒸发残留物针入度（25）：211），丰浦标准砂（密度：2.63）。配合比为图-1的三角坐标格子点上的12个配合比。下面以水泥、沥青乳剂、砂的质量比为6:4:0的CA复合体“配合640”为说明。图-1 三角配合比2.3 CA复合体的拌合及试件的成型 将水泥、沥青乳剂、砂以不同配合比准备之后，首先将沥青乳剂用金属器皿加入搅拌机，在搅拌的同时依次加入水泥和砂。120秒之后停止搅拌机，将附着在搅拌机叶片和搅拌机壁上的混合物刮入浆体中，再搅拌60秒。将上述过程得到的CA复合体导入圆柱型试模中，具有流动性的复合体（C/E为1.0以下）用tenton进行振动，其他的复合体用振捣棒捣实50次。荷载加载面无法修平的（C/E为1.0以下）在硬化后用水泥浆（C/W=100:29）进行加帽。 另外，以上作业必须在恒温20的室内进行。2.4 一轴压缩试验 直径为5cm高度为10cm的圆柱形试件和试模一起放入恒温槽（温度：20，湿度：80%）里静止24小时之后进行脱模。之后试件放入恒温室（温度：20，湿度：60%）养护27天。试验使用万能压缩试验机（最大荷载3tf，能控制应变速度），采用应变速度为1，3，5mm/min的不同加载速度，在应变速度一定的条件下进行压缩破坏的荷载试验，测定其压缩强度和破坏应变。图-2所示为一轴压缩试验所得出的一个应力应变曲线，在峰值时的应力为应变的压缩强度和破坏应变。为了减小以上数据的误差，每个实验条件都采用3个一轴试验结果的平均值。 一轴压缩试验的结果，压缩强度和C/E的关系以应变速度为区分并作出线性回归，如图-3所示。从图中可以看出压缩强度和C/E成正比关系，同时应变速度和压缩强度成正比。图-2 应力应变曲线（一轴压缩试验）图-3 一轴压缩试验结果2.5 应力缓和试验 应力缓和试验采用和一轴压缩试验相同的试件、相同的试验机进行试验。采用的应变速度为根据一轴压缩试验的结果，以一定的应变速度加荷载达到得到初期应变（本实验采用的应变为破坏应变的75%，50%，25%三种）之后保持其应变，并测定其在加荷载开始后的3个小时内随着时间的推移而产生的应力变化。应力的测定使用测力传感器（load cell），应变的测定使用变位仪进行测定。此外，一轴试验和应力缓和试验在室温20下进行。3. 实验结果3.1 应力缓和试验应力缓和试验得到了全部结果，现以代表性的“配合640”的CA复合体的应力缓和试验结果作说明，如图-4，图-5所示。两图的加荷载的应变速度为1mm/min，保持的最终应变（初期应变）为破坏应变的50%。图-4表示加载时间和应变的关系，图-5表示加载时间和应力的关系。根据图-4，应变随时间增加的加剧过程和预期一样。图-5所示的应力变化也比较平滑，保持一定的应变实际的变化也很平滑。在之后实验结果分析中，将未达到应变的最大值的过程称为加载过程，保持恒应变的过程称为应力缓和过程。此外，加载过程的恒应变速度称为应变速度，在应力缓和过程中以50%的破坏应变作为恒应变。根据以上两图的关系得出应力应变曲线如图-6所示。图-4 加载过程（时间和应变关系）图-5 加载过程（时间和应力关系）图-6 应力应变曲线（应力缓和试验）3.2 加荷载过程 根据图-4，图-5所示，CA复合体在加载初期时应变的增量比应力的增量小。随着应变的增加应力也增加，上升曲线变成向上凸起的抛物线。3.3 应力缓和过程图-5所示，应力缓和过程中保持恒应变的瞬间应力开始渐渐减少。根据3小时的应力缓和过程，图-5的后半段的展开图为图-7所示。应力的减少在缓和初期较大，经过时间的推移一部分应力开始收敛。应力的收敛过程根据CA复合体的配合比的不同而不同，上述观点在以下的研究中进行阐述。图-7 应力缓和过程（时间和应力关系）4. 考察根据应力缓和特性的实验条件，配合比等进行考察。换言之，对应力缓和时间、加载过程的应变速度、关于CA复合体的配合比的C/E等以上条件与应力缓和的影响进行研究，并在下面进行说明。4.1 应力减少和持续时间、C/E的关系 试件在恒应变的速度下加载到破坏应变的50%，75%等不同应变时停止加载。加载停止时应变保持的状态应力减少到最高值的80%，75%所需要的时间称为T80和T75。T80和T75与C/E的关系如图-8和图-9所示。两图的试件为不含砂的CA复合体，分别保持破坏强度的50%和75%如曲线所示。纵轴为T80和T75的对数刻度。根据上述两图得出，T80和T75的C/E越大，应力缓和所需要的时间越长。图-8 T80与C/E的关系图-9 T75和C/E的关系4.2 应变速度对应力缓和的影响 图-10，图-11为配合比424的CA复合体的数据，显示不同的应变速度对应的应力缓和特性。两图所示分别保持破坏应变的50%和75%的应变。应力的最高值随着应变速度的增加而增大。应力缓和趋势在应变速度较大的时候较明显。这是因为在加载速度低的时候，在加载过程中就已经开始产生应力缓和作用了。图-10 应变速度的影响-1图-11 应变速度的影响-24.3 C/E对应力缓和的影响 砂占40%的CA复合体在不同C/E的条件下得应力缓和特性如图-12，图-13所示。图-12为保持破坏应变的50%。图-13为保持75%的情况。应力的最高值随着C/E的增大而增大。同时，缓和应力的绝对值也随着C/E的增大而增大。图中也能看出应力的收缩时间也随着C/E值的变小而缩短。C/E值我0.5的CA复合体降到最高应力值的50%所需的时间T50在3小时以内，而C/E值为1.0以上的CA复合体则需要3小时以上。图-12 C/E的影响（破坏应变的50%）图-13 C/E的影响（破坏应变的75%）5. 缓和弹性率一般使用粘弹性体的缓和弹性率作为材料的应力缓和特性的显著表现的物理常数。缓和弹性率以下述公式进行定义。Et=(t)0 (1) Et：缓和弹性率 (t)：缓和应力 0：恒应变 通过采用缓和弹性率可以看出增加材料的应变不会对材料特性产生影响。可以得到应力缓和过程中缓和弹性率和时间的函数，与C/E等的关系。缓和弹性率和持续时间的关系如图-14所示。如图所示为缓和弹性率和时间的对数坐标。缓和弹性率在加荷载初期快速的下降，之后有一定斜度的降低。因此加载时间在1102（sec）以内及以外时有2条包络线来代表。加载时间在1102（sec）以上的时候logE(t)，logt的关系与直线相似，其方程式为：logEt=a-blogt (2) 其中求得a和b的回归值为常数。这个近似的直线回归和所有观测结果的相关系数在0.85以上。（2）式中的斜率b成为代表应力缓和特性代表的参数之一。缓和弹性率和C/E的关系如图-15所示，回归直线的斜率b随着C/E值得增大而减小，C/E值为2.0的CA复合体的b值是C/E值为0.5的1/3。另外，C/E值为2.0的CA复合体在加荷载后的102104（sec）间的平均弹性率为500（MPa），C/E值为0.5的CA复合体有700(MPa)。这些值为加载过程中弹性率的75%，42%。由此可见C/E对最终的应力缓和有较大的影响。由（2）式变为：Et=A010-blogt (3) 由此推断缓和弹性率和蠕变柔量（creep compliance）的倒数的关系。关于加载时间在1102（sec）以内的logE(t)，logt的平面观测数据的倾斜包络线另外说明。图-14 持续时间和缓和弹性率的关系图-15 缓和弹性率和C/E的关系6. 结论在本研究的范围内得到的CA复合体的应力缓和特性总结起来有以下几点。1） 应力的减少在应力缓和初期较大，随着时间的推移逐渐减小。2） 伴随着时间的延长应力的减少比例根据C/E值成反比。3） 3小时内的应力缓和过程中，最终缓和弹性率和时间的函数为 Et=A010-blogt 参考文献1） 秋山憲二，上田満，濱田純夫：水泥沥青乳剂复合体的钢床版铺装适用，年度混凝土工学论文报告集第17卷第1号，pp.1255-1260，19952） 菊田一寿，上田満，濱田純夫：水泥沥青乳剂复合体的短期蠕变特性，年度混凝土工学论文报告集第19卷第1号，pp.764-769，19973） 佐木慎吾，上田満，濱田純夫，村田秀一：水泥沥青乳剂复合体的三轴压缩试验的研究，年度混凝土工学论文报告集第19卷第1号，pp.542-547，1997