冻融作用范文（精选9篇）
冻融作用 第1篇
冻土广泛分布于我国中高纬度带和高海拔地区,其中多年冻土主要集中在青藏高原以及大小兴安岭,季节性冻土则遍布纬度高于24°的地区[1]。上述很多地区冬季长时间处于负温状态,导致各类地基土由地表向下部深处渐渐冻结,引起土中水分发生迁移以及土体冻胀。等到了春季气温回升之时,表层冻结土体开始融化,由于上部土体的融化较慢,而冻结滞水的融化又无法及时蒸发或向下透过冰层,所以造成了上部土体含水率的剧增,继而引发道路典型的翻浆冒泥等一系列病害。
目前,国内已有许多学者开展有关土中水分迁移的研究,也取得了一些成果。高玉佳等[2]通过对野外不同深度土层地温和水分变化的研究,发现温度对水分迁移具有重要影响。张婷等[3]以江苏南部典型表层土为研究对象,研究了不同含水率、压实度和冻结时间对人工冻土的影响。许健等[4]指出温度对水分迁移影响较小,而温度梯度是诱发水分迁移的重要因素。石群等[5]在对罗布泊天然盐渍土开张多次冻融循环试验基础上,探究了水盐变化规律。针对冻土水分迁移的研究集中在东北三省、青藏高原、中国西北干旱地区以及部分沿海区域,但很少有涉及内蒙古东部地区盐渍土的研究。内蒙东部夏季高温多雨,冬季寒冷干燥,是典型的温带大陆性季风气候区。而季节性的冻融使该地区大片土地盐渍化。近年来,随着经济发展的需要,多条高等级公路在这里新建,因此对当地季节性冻土的研究变得很有必要。本文通过改变含水率以及温度梯度对呼伦贝尔市典型盐渍土进行了室内重塑土的水分迁移试验研究。
1 试验内容与方法
1.1 试验用土
实验用土取自内蒙古呼伦贝尔市一条在建公路某处地基表层,为盐渍土,主要盐类成分为碳酸盐和氯化盐,颜色为灰褐色。根据JTG E40—2007公路土工试验规程,对其进行室内试验得到该盐渍土为粉质黏土,最大干密度为1.86 g/cm3,最佳含水率为17.04%,塑限为11.68%,液限为28.14%。
1.2 试验方案
根据已有的大量研究,同种土冻融过程中的水分迁移主要由含水率的大小和温度梯度这两个外因引起,所以本文着重通过对上面两因素的单一变化来进行试验探究。
首先,将试验用的土样放入烘箱内尽可能达到充分烘干,然后取小部分烘干过的土测试残留的含水率,并将剩余烘干后的土样碾碎成细颗粒,用2 mm的筛孔进行筛分,加入一定的水配置为几份不同质量含水率的土样,盖上保鲜膜静置48 h,使配置好的土样含水率均匀。焖料结束后,将土样倒入高为38 cm,内径为10 cm的模具中,拂平土样的表面,通过静压力压实成高为20 cm的土柱,土柱直径和模具内径相同。紧接着,用脱土器把土柱从模具中脱出,然后把土柱轻轻放入内壁涂有凡士林的有机玻璃管内。该有机玻璃管内径为10 cm,外径为11 cm,高24 cm,管壁厚0.5 cm,置于一块底板上,使土柱放入玻璃管时与底板接触。此外,玻璃管侧面和底板外面由一定厚度的保温、隔水性能良好的材料包裹,保证试验时土柱只能由上往下单向冻结。土柱放入管内之后,将整个装置放入冻融试验箱内,冻融试验箱具有控制正负温的功能,保证试样在恒定温度下试验。之后,调节试验箱内温度,使试样在某一负温下进行72 h的单向冻结。待冻结时间一到,马上将试验箱温度调到某一正值,对土柱进行融化,融化过程持续4 h。融化结束之后,马上打开试验箱,将土柱从玻璃管内取出,沿高度方向将土柱平均分成10层,其中最上面的记为第1层,最底下的记为第10层。取每层中心土样放入铝盒中,用烘干法测试冻融结束后土柱竖直方向上含水率的变化。试验共对5个试件进行了不同因素条件下的研究,试件试验参数见表1。
2 试验结果分析
2.1 初始含水量对水分迁移的影响
图1~图3分别为试件1、试件2、试件3在冻融结束后剖面上水分含量分布图。可以看出,各个土样在冻融后都出现上部水分增大,而下部水分减少的现象,各条曲线具有相似的规律。其中,在试件顶端出现一个含水量较大值,分析原因,可能是因为试验刚开始时土样顶端温度较高,接近于室温,而要降到土冻结点需要较长时间,使得下层土的水分大量迁移到顶层。另外,每个试件冻融之后都存在一个含水量极大的区域,该区域都集中在土柱第6层附近,而且该数值较各个试件初始含水量的增加值随着初始含水量的增大而增大。1号试件该最大值比初始含水量增加了3.69%,2号试件增加了4.51%,3号试件增加了5.55%。考虑到试验融化时间较短,该水分极大层是处在试验最终的冻结锋面附近。随着土柱初始含水量的增大,土体冻结时就需要释放出更多的热量,这无疑会减缓冻结的速率,但与此同时,含水量的增加使得土体导热系数增大,土柱冻结速率会加快,两者此消彼长,相互制约,使得3个试件冻结锋面几乎在同一位置。最后,从曲线总体来看,初始含水量越高的试件水分迁移发生得越剧烈,迁移范围越广,比如1号试件第10层含水量减少了4.68%,2号试件该层减少了5.32%,而3号试件则减少了5.92%。
2.2 温度梯度对水分迁移的影响
在试验土柱暖端温度恒定的情况下,冷端温度的降低使土的温度梯度和冻结速率增大,从冻融结束后的试件中能够明显看到许多裂纹,这些裂纹是由水分迁移聚集后冻结形成的分凝冰留下的,而随着冷端温度的降低,裂缝在试件中出现的范围更广,数量更多。图4,图5分别为试件4、试件5冻融之后含水率的分布,从图1,图4,图5中可以看出,在相同初始含水量,相同干密度的情况下,随着冷端温度越低,土柱冻结过程中水分迁移量减少,顶端含水量较大层的含水量增加值减少,而含水率极大值出现的位置则更加靠近暖端,但该数值的增加值几乎相同,比如4号试件增加值为3.51%,5号试件为3.54%,两者和1号试件的3.69%比较接近。上述现象产生的原因可能是由于冷端温度的降低使得土体冻结速率增大,使得顶端土体更快冻结,于是下层土中的水不能充分地向冷端迁移,同样的情况也都发生在接下来的几层土中,最终造成土柱整体水分迁移量减少,冻结锋面明显下移,故冷端温度的降低会对土体水分迁移造成阻碍。
3 结语
通过对不同初始含水率、不同试验温度的土样进行水分迁移试验,探究分析了其中的规律。试验结果表明:相同干密度,不同含水量的土样,在控制相同冻融温度的条件下,初始含水量高的土,其水分迁移现象越明显,迁移量越大,冻结锋面处的含水量增加值越大;相同干密度,相同含水率的土样,在控制不同冷端温度的条件下,水分迁移的量随着冷端温度的降低而减小,但冻结速率变大,冻结锋面向暖端偏移。
参考文献
[1]徐学祖.土体冻胀和盐胀机理[M].北京:科学出版社,1995.
[2]高玉佳,王清,陈慧娥,等.温度对季节性冻土水分迁移的影响研究[J].工程地质学报,2010,18(5):698-702.
[3]张婷,杨平.土体单向冻结对土中水分迁移的影响[J].南京林业大学学报(自然科学版),2013,37(1):117-121.
[4]许健,牛富俊,牛永红,等.冻结过程路基土体水分迁移特征分析[J].重庆大学学报,2013,36(4):150-158.
冻融试验方法 第2篇
本文在阅读大量文献资料的基础上，对冻融试验的仪器和试验条件的合理选择上进行了总结和分析。
【关键词】综述;冻融循环;试验;方法
1 前言
冻土是广泛分布于地球表面的一种低温地质体。
受气温年周期波动的影响，干寒区地表的土层会产生反复的冻结和融化。
冻胀和热融不仅会导致一系列危害国计民生的地质灾害：冻害、盐害和沙害，而且会给各类工程带来严重的危害[1]。
冻融试验研究土体在冻融过程中水分、溶质迁移，分凝冰的形成，温度分布等规律，以及在冻融前后土体密度、孔隙率、渗透性、界限含水量等物理指标和强度、模量等力学参数的变化。
为了获取土体的这些变化规律，必须对土样进行合理的室内外试验。
不同的实验室有不同的试验体系，各个国家甚至行业又有各自的规范，如何在合理经济的前提下使其试验结果可比，更切合实际是我们亟待解决的问题，也是冻土工程界面临的重要课题。
冻融作用 第3篇
1 冻融对混凝土疲劳寿命的影响
为了定性地了解冻融循环作用对混凝土疲劳寿命的影响,文中采用文献[4]的试验数据(见表1),分析了冻融循环作用对混凝土疲劳寿命的影响。
从表1可以看出,随着冻融循环作用次数的增加,混凝土的抗压、抗折强度均明显下降,其中抗折强度比抗压强度衰减严重。这是因为混凝土受冻后,不仅原有的内部微裂纹开展,而且萌生新的微裂纹,而裂纹对拉应力和压应力作用的敏感度是不同的。混凝土单向受拉时,除平行于拉应力方向的裂纹外,其他方向的裂纹都受到不同程度的张开作用,使材料承载面下降,且在裂纹的尖端处有高度的应力集中。因此,在较小的外力作用下,材料内部即可产生较大的应力。可见微裂纹的存在对混凝土抗拉强度的影响是非常大的。而混凝土单向受压时,除平行于压应力方向的裂纹外,其他方向的裂纹均不受到张开的作用,材料的承载面损失很小。因此,冻融作用对混凝土抗压强度的影响比抗折强度小。
从上述分析可以看出,混凝土的抗折强度对其内部微裂纹的变化很敏感,即混凝土抗折强度的变化能很好地反映其内部微裂纹的变化。因此,文中以经受n次冻融循环后混凝土残留抗折强度与初始抗折强度之比来评价冻融作用对混凝土的损伤程度。
对表1的数据进行回归分析,可以得到混凝土残留抗折强度fn1与冻融循环作用次数n1之间的关系为:
其中,f0为混凝土的初始抗折强度(经受冻融循环作用前混凝土的强度);fn1为混凝土经受n1次冻融循环后的抗折强度;则n1次冻融循环对混凝土的损伤Ddn1为:
假设用与表1相同配比的混凝土浇筑的路面在没有冻融循环作用的情况下使用Ne年后发生疲劳断裂,根据Miner线性定律,且不考虑交通量的增长,则使用n2(n2<Ne)年后车辆荷载和温度应力的疲劳作用对混凝土的损伤度为:
虽然冻融循环作用与应力疲劳作用对混凝土的损伤机理不同,但作用结果有相似之处——混凝土内部会产生微裂纹损伤、累积和扩展,混凝土强度下降,并最终导致混凝土断裂破坏。因此,可假定当Ddn1=Dfn2时,则认为冻融循环n1次与荷载、温度应力作用n2年对混凝土的疲劳损耗是等效的,且可以线性叠加,即遵循等效和线性叠加原则。
因此,当混凝土路面在使用了n4年期间所遭受的冻融循环次数为n3,则混凝土路面在冻融与车辆荷载、温度应力综合作用下的损伤为:
现假如要在A,B两个地区修筑水泥混凝土路面,设计使用年限均为20年。A地区要求混凝土的抗冻标号达F100(平均每年遭受5次冻融循环),B地区没有抗冻要求,即不存在冻融问题,除此之外其他条件完全相同。如表1所示性能混凝土能满足B地区要求,且路面刚好能使用20年。按现行的水泥混凝土路面结构设计方法和抗冻性评价方法,表1所示性能的混凝土也能满足A地区要求。但在考虑冻融对混凝土的损伤作用情况下,A地区的混凝土路面能使用20年吗?
由于累积损伤D应满足下述要求:
因此,可以按照D=1计算出A地区的路面实际使用年限。
解方程(6)求得n=10.8年。这说明A地区设计使用期为20年的混凝土路面实际上只能使用10.8年,寿命缩短了46%。上述例子表明,冻融对混凝土路面的使用寿命影响非常大。
2 机理分析
从微观角度看:李金玉,曹建国等[6]用电子扫描电镜、X射线衍射和压汞技术分析了冻融循环过程中混凝土微结构的变化。结果表明,混凝土的冻融破坏,实际上是水化产物结构由密实到松散的过程,在这一过程中,伴随着微裂缝的出现发展和扩大;对引气混凝土来说,原来封闭独立的气泡也随着冻融过程而出现了裂缝并发展,从而使气泡逐步失去了应力缓冲作用和渗透缓冲作用。Jacobsen[7]的SEM分析结果也表明,经过冻融循环作用以后,混凝土基体中的裂缝数量大为增加,宽度增大,骨料与水泥浆的界面区和过渡区是比较薄弱的部位,1 μm～10 μm的裂缝在此区域连通,形成典型的“Y”型裂缝。密实度降低和微裂缝的发展,必然会加速混凝土在动荷载作用下微裂纹的扩展速度,从而缩短混凝土的疲劳寿命。
从应力比对混凝土疲劳寿命影响的角度看:混凝土在动荷载作用下的疲劳寿命与应力比成对数关系,说明应力比对混凝土的疲劳寿命影响非常大。由上述分析可知,混凝土的抗折强度随着冻融循环次数的增加而急剧下降,与不经受冻融作用的混凝土路面相比,在相同的车辆荷载作用下,经受冻融作用的混凝土路面随着冻融循环次数的增加,混凝土弯拉应力比不断增大,使得混凝土路面的使用寿命大大缩短。从疲劳消耗的角度来看,如果用混凝土的抗折强度衡量其抗疲劳消耗能力,则混凝土路面会因为冻融循环作用使其抗疲劳消耗能力降低,导致寿命缩短。
3 结语
文中在研究了冻融循环作用下混凝土强度衰减规律,并假定冻融循环与应力疲劳作用对混凝土的损伤遵循等效和线性叠加原则的基础上,从理论上间接地分析了冻融循环作用对混凝土路面使用寿命的影响及其作用机理。结果表明,冻融循环作用对混凝土路面使用寿命的影响非常明显。虽然理论分析与试验结果可能存在差异,对于不同强度等级的混凝土以及混凝土是否引气,冻融作用对混凝土疲劳寿命的影响在量上也存在差异。但在冻融的循环作用下,混凝土内部会产生微裂纹损伤、累积和扩展。这些内部损伤不但会加速混凝土在动荷载作用下微裂纹的扩展速度,而且会降低混凝土的强度,使得混凝土在动荷载作用下的应力比增大。
因此,冻融循环作用会使混凝土的疲劳寿命或路面的使用寿命缩短。而我国水泥混凝土路面结构设计是以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为设计的极限状态。对于寒冷地区的混凝土路面,没有考虑冻融循环作用对其使用寿命的影响。因此,建议开展冻融对混凝土疲劳寿命影响方面的试验和理论研究,为完善我国寒冷地区的水泥混凝土路面结构设计方法奠定基础。
摘要：在研究了冻融循环作用下混凝土强度衰减规律的基础上,分析了冻融循环作用对混凝土路面使用寿命的影响及其影响机理,得出了冻融循环作用对混凝土路面使用寿命影响明显的结论,从而为完善我国寒冷地区水泥混凝土路面结构设计奠定基础。
关键词：冻融循环,水泥混凝土,路面,使用寿命
参考文献
[1]施士升.冻融循环对混凝土力学性能的影响[J].土木工程学报,1997,30(4):35-42.
[2]覃丽坤,宋玉普.冻融循环对海水中混凝土抗压性能的影晌[J].混凝土,2004(1):16-18.
[3]蔡昊,覃维祖.冻融循环作用下混凝土力学性能的损失[J].工程力学,1996(sup):29-33.
[4]程红强,张雷顺,李先平.冻融对混凝土强度影响[J].河南科学,2003,21(2):215-216.
[5]张敦江.沥青混凝土路面常见病害的原因及防治[J].山西建筑,2006,32(3):91-93.
[6]李金玉,曹建国.混凝土冻融破坏机理的研究[J].水利学报,1999(1):41-49.
冻融作用 第4篇
季节冻土区冻融期黄土滑坡基本特征与机理
在我国北方大部分地区滑坡灾害的发生有两个高峰期,即雨季和冻融期,而目前对冻融期滑坡的研究尚处在起步阶段,导致对冻融期滑坡的防治效果远不及雨季滑坡.本文以甘肃黄土滑坡为研究对象,探索季节冻土区冻融期黄土滑坡的.基本特征和形成机制.结果表明,季节性冻融作用是季节冻融期黄土滑坡滑坡发生的主要因素,其不但在斜坡表层产生强烈作用,而且可引起斜坡深处地下水富集、土体软化范围扩大和静、动水压力增大等冻结滞水效应,促使斜坡整体性大规模变形破坏,导致滑坡发生.
作 者：王念秦 姚勇 WANG Nian-qin YAO Yong 作者单位：西安科技大学地质与环境工程系,西安,710054刊 名：防灾减灾工程学报 ISTIC英文刊名：JOURNAL OF DISASTER PREVENTION AND MITIGATION ENGINEERING年，卷(期)：28(2)分类号：P642.22关键词：黄土滑坡 冻融期形成机制 季节性冻融作用
冻融作用 第5篇
在我国东北、西北和华北地区的冬季, 冻融破坏是一些混凝土建筑的主要病害。对于水闸、港口码头等大中型水工混凝土建筑物, 冻融破坏的地区范围更为广泛。例如有些水电站工程建成不到十年就由于混凝土冻融破坏作用出现严重裂缝及其它破坏形式。所以, 对混凝土在冻融条件下的强度、力学性能等性质的研究, 在现代混凝土建筑工程中尤为重要。在实际工程应用中, 人们最关心的是混凝土的力学性能, 因为混凝土强度的损失直接关系到建筑物使用性能及安全。系统的研究冻融循环作用对混凝土的各方面性能的影响, 有重要的实际意义。本文通过室内冻融循环试验, 研究了冻融作用对普通混凝土与引气混凝土力学性能、强度的影响, 并把两种混凝土在不同冻融循环次数下的力学性能进行了对比研究。试验采用快速冻融法, 试件在冻融试验过程中始终处于饱水状态。
2 试验方案
2.1 材料与混凝土配比
本试验采用立马P.S.32.5复合硅酸盐水泥;砂:中砂, 细度模数M=2.8, 级配良好;石:碎石, d=5~25 mm, 连续级配;水:自来水;外加剂为高效引气剂。配制C30混凝土, 配合比如表1所示, 试件共分3组, 每组4个100×100×300的棱柱体试件, 在标准条件下养护28d, 要求强度达到设计强度。
2.2 试验内容与方法
通过室内冻融循环试验, 研究冻融循环作用对普通混凝土及不同掺量引气混凝土力学性能、强度的影响, 并把两种混凝土在不同冻融循环次数下的力学性能进行对比研究。试验采用快速冻融法, 即混凝土中心的冻融温度为-16℃±2℃~8℃±2℃, 一个冻融循环时间3小时左右。试件在冻融试验过程中处于全浸泡水状态 (饱水状态) , 冻融循环次数分别为0, 25, 50, 75, 100, 125次。试验结果采用混凝土相对动弹性模量和重量损失来衡量, 并测量冻融混凝土的抗压、抗折、劈拉强度。试验按照《水工混凝土试验规程》操作进行。
3 试验现象与结果分析
3.1 试验现象
普通混凝土在冻融循环次数较少时, 外观变化不明显, 试件表面基本完好, 重量损失很小, 破坏较轻。随着冻融次数的增加, 混凝土表面开始剥落, 内部有微小裂缝出现。至循环到一定次数时, 混凝土剥落较严重, 表面呈麻面状, 骨料几乎全部暴露, 不能被水泥浆体包裹, 多数混凝土都已开裂, 一些混凝土表面呈纵向开裂, 裂缝很明显, 并且部分混凝土已冻碎, 水泥水化产物丧失凝结力, 粗细骨料分离。
而引气混凝土随着冻融的发生, 表面也出现剥落现象, 但水泥浆体初始剥落时间延长, 同时还降低混凝土表面水泥浆早期裂缝的宽度, 骨料之间连接还比较紧密, 且随着引气剂掺量的增加效果越明显。
3.2 结果分析
试验结果如图1~5所示, 从中可以看出:随着冻融次数的增加, 普通混凝土的强度特性均呈下降趋势, 其中反映最明显的是抗拉强度和抗折强度, 并且随着冻融次数的进一步增加, 混凝土的抗拉强度和抗折强度迅速下降, 而抗压强度下降趋势较缓, 冻融次数达到50次时, 强度下降20%, 抗拉、抗折强度分别下降13%、46%, 相对动弹性模量损失18%;冻融次数达到125次时, 强度下降60%, 抗拉、抗折强度分别下降5 2%、8 4%, 相对动弹性模量损失5 1%。
引气混凝土随着冻融循环次数的增加强度下降趋势比较缓慢。同时抗拉强度和抗折强度的下降程度与普通混凝土相比也
混凝土的冻融破坏过程, 实际上是水化产物结构由密实体到松散体的过程。破坏机理主要是因为在某一冻结温度下水分发生迁移, 从而引起各种压力, 当压力超过混凝土强度时, 混凝土表面出现微裂纹, 而且微裂缝不仅存在于水化产物结构中, 也会使引气混凝土中的气泡壁产生开裂和破坏。随着微裂缝的出现和发展, 使混凝土内部孔隙及微裂缝逐渐增大、扩展, 并互相连通, 从而使混凝土强度逐渐降低。较缓慢。掺入0.05%引气剂的混凝土, 当冻融循环次数达到50次时, 强度下降16%, 抗拉、抗折强度分别下降10%、43%, 相对动弹性模量损失14%;冻融次数达到125次时, 强度下降40%, 抗拉、抗折强度分别下降48%、79%, 相对动弹性模量损失47%。掺入0.1%引气剂的混凝土, 当冻融循环次数达到50次时, 强度下降17%, 抗拉、抗折强度分别下降8%、39%, 相对动弹性模量损失11%;冻融次数达到125次时, 强度下降35%, 抗拉、抗折强度分别下降45%、73%, 相对动弹性模量损失43%。
4 结语
(1) 混凝土单轴抗压强度及弹性模量随冻融循环次数的增加, 呈线性减少的趋势。相同配比两种混凝土进行冻融循环的混凝土力学性能, 受冻融循环影响程度不同。
(2) 无论从力学性能还是从微观结构看, 普通混凝土与引气混凝土进行冻融循环后的破坏程度相比, 引气混凝土的抗冻性明显比普通混凝土要好。
(3) 由于混凝土在冻融破坏过程中, 水化产物的成分基本保持不变, 因此, 混凝土的冻融破坏过程可以基本上认为是一个物理变化过程。
(4) 冻结温度越低和冻结速率越快, 混凝土的冻融破坏力越强, 冻结温度达-10℃左右时, 是一个临界值, 达到或低于这一临界值时要保证混凝土的抗冻性。根据本文研究, 建议在寒冷地区承受冻融循环作用的混凝土结构, 宜多采用引气混凝土。
(注:图1-5中A表示普通混凝土, B表示加入0.05%引气剂的混凝土, C表示加入0.1%引气剂的混凝土)
参考文献
[1]李金玉, 曹建国, 徐文雨等.混凝土冻融破坏机的理研究[J].水利学报.1999, (1) :41-49.
[2]姜双伦, 姬立德, 吴会强.混凝土的冻融破坏与外加剂[J].混凝土.2001, (2) :54-55.
[3]关志成.丰满溢流坝面混凝土冻融破坏机理分析[J].东北水利水电.1989, (1) :8-13.
[4]T C Powe.Freeging Elects in Concret.北京:中国建筑工业出版社.1982.
冻融作用 第6篇
冻融破坏是我国西部地区最常见的病害之一,在西部盐沼泽区不仅存在盐类强腐蚀环境,而且地处高原寒区兼具明显的冻融循环,混凝土结构物在冻融循环的同时遭到易溶盐的侵蚀会加剧破坏,大大减少混凝土的使用寿命,因此,盐蚀-冻融循环作用下的混凝土耐久性研究很有必要。
国内外学者对水泥混凝土抗冻融腐蚀性进行了大量研究,取得了一些研究成果[1,2]。 Yan W J等[3,4,5]人系统研究了冻融循环对混凝土性能劣化的影响规律,并初步提出混凝土经过冻融循环后的损伤机理。 金祖权等[6,7,8,9]研究了单纯硫酸盐或氯盐化学侵蚀对混凝土材料力学性能的影响,并对弹性模量等力学指标的变化规律和盐侵混凝土劣化的微观机理进行了分析。 然而,国内对混凝土损伤破坏研究大都是单一因素研究, 对在冻融循环作用下盐类型、复合盐溶液浓度等因素对混凝土的破坏形式、破坏过程以及破坏机理进行系统研究较少。
德香公路沿线地区地表蒸发量大,毛细水作用强烈,地下水位变化显著,盐分表聚现象严重,常于地表形成斑状潮湿盐霜和盐壳。 对其水质、土质进行取样分析,得知沿线土质主要是氯盐渍土、硫酸盐渍土、氯盐-硫酸盐-镁盐复合盐渍土。 本文采用Na2SO4、Mg SO4、Na Cl和这三种盐的复合盐溶液, 分别从外观形貌、质量损失和相对动弹性模量三方面研究冻融循环作用下,盐类型及复合盐浓度对基准混凝土、粉煤灰混凝土、掺加水泥基自愈合材料混凝土耐久性的影响。
1 试验
1.1 原材料
水泥采用抗硫酸盐水泥,粉煤灰为常用的Ⅱ级灰(FA),水泥基自愈合材料采用武汉理工大学研发的化学转化型材料(CCSM)[10],细骨料选用中砂, 粗骨料为5~20mm连续级配碎石, 技术指标均满足规范要求。 聚羧酸高效减水剂购自江苏某公司,Na2SO4、Mg SO4、Na Cl均购自天津某公司。
1.2 试验用盐侵蚀溶液配制
由青海省公路科研勘测设计院试验检测室对德香高速公路沿线基坑0.5m深度的土质进行化学检测分析, 得知此处土质中含有Na+、SO42-、Mg2+和Cl-,根据检测报告中盐渍土种类以及各离子浓度配制了盐浓度为5.60%的复合盐溶液(B组),以此为基准盐溶液, 根据沿线易溶盐含量多变的情况,又配制2 倍、3 倍基准盐溶液浓度, 溶液浓度分别为10.60%(C组)和15.09%(D组)。 为了对比复盐中每种单盐对混凝土的影响程度以及破坏形式并与复盐溶液作对比, 配制了三种单盐溶液分别为氯化钠、 硫酸镁和硫酸钠溶液, 浓度分别为4.58%(E组)、4.58%(F组)和4.04%(G组)。 此外,设置了一组水溶液(A组)用作对比试验。 具体配比见表1。
1.3 混凝土配合比
水泥混凝土配合比设计如表2 所示,试件采用边长为100mm×100mm×400mm的长方体试件。
1.4 试验方法
首先按照标准方法成型试件,标准养护24d后取出,然后在不同盐溶液中浸泡4d后取出,用毛巾擦干,测定初始质量及动弹性模量,并放入快速冻融循环机进行抗冻性试验。 参考GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准 》,冻融循环试验采用快冻法[11]。 在进行快冻试验时,试件须完全浸于盐溶液中, 冻融循环温度为-18℃~5℃,每10 次或20 次循环测量一次质量损失及动弹模量,并更换盐溶液。
2 结果及分析
2.1 冻融作用下盐分对混凝土外观的影响
2.1.1 盐类型的影响
图1 为混凝土试件在不同类型盐溶液中冻融循环后外观形貌, 其中a、b、c、d分别对应Na SO4、Na Cl、Mg SO4以及复合盐溶液B中冻融的试件。 经Na SO4溶液冻融的试件, 试验前期发现试件表面出现一些小蚀坑,但并未剥落;随着冻融循环次数的增加,表面蚀坑逐渐增多且变大,试件内部出现微小裂缝伴随轻微剥落,同时试件膨胀,试验停止时,个别试件甚至出现断裂。 在Na Cl溶液中冻融的试件,破坏始于试件表面,表面砂浆逐渐起砂变酥很快剥落,并逐渐向内部发展,在剥蚀层里面可以观察到Na Cl晶体,最终使粗骨料裸露,试件最终失去原有的棱角,内部未经腐蚀的试件虽骨料裸露但形状仍保持完好。 在Mg SO4溶液中冻融的试件,试验前期发现表面出现一些麻点,且试件边角有少量剥落,中期表面出现微小裂缝,且表面出现片状白色薄膜,部分骨料松散,试验结束时发现部分内部胶结料已失去胶结能力。 在复合盐B溶液中,可看出其破坏形式兼具上述几种盐类的腐蚀特点,即在腐蚀前期表面细骨料起砂剥落,中期混凝土表面出现连贯裂缝,后期混凝土直接断裂,且内部胶结料松散基本无胶结能力,严重的试件甚至直接散架导致无法取出。
kg/m3
2.1.2 复盐浓度的影响
图2 为基准混凝土试件在A、B、C、D复合盐溶液中冻融后的外观形貌。可看出,A组溶液中试件表面仅细骨料起砂,边角有所剥落;B溶液中试件损伤最为严重,中期试件表面细骨料完全剥落,且出现很多微小裂缝,后期试件从中间断裂且上部试块完全溃散失去胶结能力,最终试件不能完整取出;C溶液中的试件与B相比,损伤较小,后期中部裂缝贯穿,部分骨料失去胶结能力,导致混凝土从中间断裂;D中的试件经300 次冻融循环后外观基本无明显变化,甚至试件表面标号也完好无损。 因此,可得出混凝土在一定浓度的复盐溶液中进行冻融循环能使其完全溃散断裂,但随着盐浓度的增加,其对混凝土的冻融破坏具有先促进后抑制的作用。
2.2 冻融作用下盐分对混凝土质量损失的影响
2.2.1 盐类型的影响
图3 为四组混凝土试件在A、E、F、G溶液中质量损失随冻融次数的变化情况。 可以看出,四组试件平均质量损失率规律均为E>F>G≈A,即在Na Cl溶液中混凝土质量损失最为严重, 其中F2 组混凝土在50 次循环后质量损失率高达7.46%;在Mg SO4溶液中,K组、F1 组、F2 组和Z组混凝土的最终质量损失率分别为2.68%、2.76%、2.88%和2.29%;在Na2SO4溶液中,四组混凝土最终质量损失率与其在水中相差不大, 最终都处于0.5%~1.0%之间。 即单盐对混凝土质量损失的影响大小顺序为Na Cl>MgSO4>Na2SO4≈水。
在Na Cl溶液中, 氯盐增加了混凝土表面的饱水程度,同时混凝土中Ca(OH)2在Na Cl溶液中溶解度大造成钙流失, 使得细骨料从表面逐渐剥离,表现为质量损失最为严重;在Na2SO4溶液中,由于Na2SO4冻融产生较大结晶压力以及化学膨胀导致混凝土损伤[12,13];在Mg SO4溶液中,由于Mg2+置换出水化硅酸钙中的Ca2+, 形成无胶结能力的水化硅酸镁,造成混凝土的溃散。
2.2.2 复合盐溶液浓度的影响
图4 为四组混凝土试件在四种不同浓度复盐溶液中质量损失率随冻融次数的变化情况。 由图4可知, 试件在不同浓度盐溶液中质量损失速率不同,B溶液中试件质量损失最快, 其次为C、A与D溶液中的试件,150 次循环后,A溶液中试件质量损失率逐渐超过D组。
图5 为四组混凝土试件在不同浓度复盐溶液中循环最大次数后的质量损失率柱状图, 可以看出,B组>C组>A组>D组, 即随着盐溶液浓度的增加,复合盐对混凝土冻融破坏呈现先促进后抑制的规律。 试验过程中也发现D组溶液基本一直处于冰水混合物状态, 表明高浓度盐显著降低了水的冰点,故冻融作用较小,对试件的破损程度较轻。 同时从增幅可以看出,粉煤灰的掺加对抗冻性基本无改善,且掺量越大其质量损失率越大,掺加水泥基自愈合材料的混凝土试件在四组溶液中, 除B之外,质量损失率均低于基准混凝土,因而具有良好的抗盐冻性。
2.3 冻融作用下盐分对混凝土动弹性模量变化的影响
2.3.1 盐类型的影响
图6 为基准混凝土在A、E、F和G溶液中盐蚀-冻融循环试验结果。 由图6 可知,在A溶液中混凝土试件动弹模量前期波动较小, 随后逐渐衰减,下降速度逐渐减慢。 在E、F和G三种单盐溶液中,混凝土试件相对动弹性模量都先增加后降低,这是由于在混凝土冻融前期盐溶液经过毛细作用进入孔隙中,孔隙中的溶液及空气随着冻融循环而收缩,从而产生吸力,外部盐溶液进一步进入孔隙中,从而使得混凝土质量增加,并且盐分溶解度的降低使得孔隙进一步被析出的晶体填充,造成前期混凝土更加密实,相对动弹性模量超过100%。
图7 为四组混凝土在A、E、F和G溶液中最大冻融循环次数的比对,可看出三种单盐对混凝土冻融耐久性影响程度为Na Cl>Mg SO4>Na2SO4≈水。
在盐蚀-冻融循环耦合作用下, 不同盐类对混凝土破坏机理不同。 氯盐对混凝土有利和不利两个方面:一方面,降低冰点和溶液的饱和蒸汽压,提高了冰的可塑性,有利于抗冻融循环;另一方面,混凝土饱水程度增大,在冻和融的过程中,内外正负压差较大,对混凝土破坏严重。 同时,由于Ca(OH)2在氯盐中的溶解度比水中更大, 使Ca (OH)2大量流失,进一步引起混凝土中Ca(OH)2的析出和C-S-H的分解,造成混凝土内部孔隙率增大,甚至引起混凝土破坏。 Na SO4溶液中Na SO4的溶解度随温度变化很敏感,存在明显结晶破坏,当结晶压力超过混凝土的抗拉强度时混凝土会发生开裂破坏。 此外,混凝土中的SO42-会与Ca (OH)2反应生成石膏与钙矾石, 两者体积膨胀并在混凝土内部产生膨胀应力,使混凝土产生裂缝,最终裂缝连通发生破坏[14]。在Mg SO4溶液中,除了结晶破坏以及SO42-的化学反应膨胀性破坏之外,Mg2+与水泥水化产物反应还生成Mg(OH)2、M-S-H和无定形的水化二氧化硅。 由于Mg (OH)2溶解度很低, 造成体系的OH-含量降低,导致严重脱钙反应,引起C-S-H凝胶分解。
2.3.2 复合盐溶液浓度的影响
混凝土试件在A、B、C和D四组不同浓度的复合盐溶液中,相对动弹模量变化如图8 所示。 由图8可知,各组混凝土的抗盐冻性与溶液浓度并不成反比关系。 以K组混凝土为例,在A组溶液中,混凝土在0~200 次循环过程中较为平缓, 随后急速下降,在B组溶液中,10 次循环后急速下降,而在C组溶液中,前70 次循环较为平缓,随后出现拐点,急速下降,D组溶液中,混凝土在300 次循环过程中相对动弹模量基本不变,最终仍在100%左右。
图9 为在不同浓度复盐溶液中,四组混凝土的最大冻融循环次数。 以基准混凝土K组为例,在A、B和C组溶液中, 混凝土的最大冻融循环次数分别为270 次、140 次和210 次, 而K、F1、F2 和Z四组混凝土在D组溶液中,混凝土经过300 次冻融循环后,其相对动弹性模量基本没有变化。 不同浓度下混凝土抗盐冻性次序为D组>A组>C组>B组溶液。
复合盐对混凝土的冻融破坏作用同时存在促进作用和抑制作用。 一方面,复盐的存在降低了冰点,且盐浓度越大,冰点降低越多,冻融循环对混凝土的损伤越轻。 在冻融试验过程中发现,当A、B和C溶液已经结冰时,D组溶液还处于冰水混合物状态[15],同时盐的存在增加了冰的可压缩性,在结冰情况下,C和D结冰明显比A组所结冰有更强的可塑形。 另一方面,混凝土的饱水程度因盐的存在而提高,冻胀力可随冻水的增加而增大,盐溶液进入混凝土的孔隙中,当水在大孔中凝结时,未冻溶液中盐的浓度增大,根据渗透压理论,其与周围液相中盐的浓度差和冰水饱和蒸汽压差共同形成了渗透压。 同时,温度降低时盐类溶解度降低,使得大量盐类结晶,渗透压与盐类结晶压共同作用于混凝土使其产生破坏。
3 结论
(1)冻融循环作用下, 盐溶液对混凝土的破坏同时存在促进和抑制作用, 在低浓度盐溶液中,盐分加剧混凝土的冻融损伤,高浓度盐溶液中,溶液冰点较低缓解了混凝土冻融损伤。
(2)不同盐分对混凝土盐冻破坏形式不同,Na Cl溶液中主要是由表及内细骨料逐层剥落,最终粗骨料裸露;Na SO4溶液中表现为膨胀性破坏,严重者直接冻断,质量损失较小,与水冻区别不大;Mg SO4溶液中表现为表面连贯性裂缝以及内部胶结料的松散;在复合盐溶液中,混凝土腐蚀更为严重,前期表面剥落,后期表现为混凝土内部溃散失去胶结能力而造成混凝土断裂。
土的膨胀、收缩和冻融特性研究 第7篇
关键词：膨胀,收缩,冻融
1 引言:
非粘性土土和粘性土不同, 粘性土可以吸收水分发生膨胀, 也可以失去水而发生收缩, 这也是粘性土的一个特性。如果粘性土的膨胀以及收缩现象十分严重的话, 就会导致建筑物因为低级强度的下降和地面的不均匀沉降 (上升) 出现不良的现象, 引起了土坡的崩裂和坍塌, 路面结构发生开裂, 挡土结构发生破坏等一系列的工程危害。本文主要以粘性土的膨胀、收缩以及冻融而进行特性研究。
2.1 膨胀性和收缩性:
在外界环境干燥时, 有较高含水率的粘性土可以因水分的蒸发而引起了水溶液中电解质的浓度的增加, 结果是结合水的膜变薄, 土颗粒间的引力作用增加, 土颗粒相互靠拢, 粘性土的体积缩小, 同时伴随着因失水而产生的龟裂、裂缝、崩解, 甚至发生完全沙漠化。反之, 在具备供水的条件下 (比如地表水, 降水、地下水) 时, 含水率比较低的粘性土会吸水分发生膨胀。吸水膨胀可能是因为粘粒之间的接触结合水薄膜增厚, 也可能是因为水分子被吸进了粘颗粒的矿物晶胞层 (比如蒙脱石) 之间, 是晶胞层分开所致。
膨胀或者收缩一般是从粘性土的表面开始。浸水膨胀时, 土的外层的膨胀量较大, 导致土颗粒之间的联结的强度降低了, 严重的时候会出现不均匀的膨胀, 开裂甚至发生解体, 称这种现象叫做崩解 (湿化) 。这样由外向里面发展, 直至完全崩解 (湿化) 。天然的土中胶结物遇水溶解, 会加速土的崩解作用。
2.2 膨胀性和收缩性指标
描述土体的膨胀性的指标是膨胀率和膨胀力。膨胀率指的是土体的膨胀量和原有的体积的百分比。实验测定的方法有两种:
1将过筛之后的干土浸入水里, 使其充分吸收膨胀得到自由膨胀率eFS, 如果eFS>40%, 并且wL>0%, 则该土可能属于膨胀土。w
2利用环刀取得原装土样, 之后再没有荷载的条件下浸水膨胀得到膨胀率eP。膨胀力是土体吸收水分膨胀时候内部产生最大的胀力, 可以通过限制土膨胀所需要的外荷载来测定的。有些粘性土的膨胀力大于了100k Pa。
表征土体收缩性的指标是体积收缩率与线收缩率其定义分别是收缩和减少的体积与高度和原来的体积和高度的百分比。
3.1 土的冻融
当气温下降到零度以下的时候, 地面土开始了冻结。此时, 受冻的部分土体中的孔隙水将要出现结冰现象。随着从液态向固态变化, 水的体积将要增加大约9% (工程上, g冰»9k N/m3) , 所以冻结后的土体积有不同程度膨胀, 称之为冻胀。当气温上升的时候, 由于冻土解冻会造成土层的软化, 强度下降。冻胀和融化所产生的变形和沉降一般是不均匀的, 经常对建筑物, 路基造成严重的破坏。寒冷的地区的铁路和桥梁冻害的调查统计表明, 不少的桥梁, 路基和建筑遭受了冻融的损害, 冻胀的高度常常大于52mm, 最大为150mm, 严重的时候桥梁墩身被破坏。
3.2 冻胀的原因和冻胀力
当土层为非黏性的碎石等粗的颗粒土的时候, 土中的孔隙是开放的并且彼此相互联系的, 孔隙水主要是自由水, 毛细水作用较弱。这类的地基的土冻结要是自由水电冻结, 冻结的区域水分并不会增加, 即使在饱和的状态下, 这类土层冻结之后结构也不会产生很明显的变化, 地下水面出首先冻成冰面甚至能够将冰面以下的水分挤走。这种土的膨胀系数很小, 冻结之后产生的体积变化基本可以忽略不计, 融化的时候也是这样, 所以工程上将这类的土划分为冻结安全的土类, 或者称为冻结不敏感土类。
当冻结发生在了湿润粉, 黏性土等细黏颗粒土中的时候, 情况则相反。在一定的冻结时间, 冻结温度与土质的情况下, 冰冻贯入到一定的深度内, 就不会继续发展了, 这个深度就称为冻结深度。在这个范围内孔隙水和一部分的弱结合水首先变成冰, 并且向上冻胀鼓起。这时, 在冻结的深度处于冻结和非冻结土层的温差的驱动下, 相邻的区域内没有冻结的液体与气态水能够克服重力从温度比较高的区域向冰冻的区域运动, 再加上毛细水的作用, 能够让深处地下水能够源源不断地向冰晶土运动补给, 逐渐形成了地下冰凌或者冰土的夹层并且不断膨胀, 增大。由于土层的孔隙的大小和形状, 毛细通道, 深部水源分布的离散型, 致使地下冰凌或者冻土夹层的厚度不均匀, 地面出现了不均匀的隆起, 严重的时候会给地面建筑物带来很大的危害。
当气温转暖的时候土体冻结的部分将发生融化。在吸收了热量之后地基土首先从地面开始解冻, 之后向地下逐渐扩展, 在冻土冻结的深度范围里, 因为地基仍然处于冻结的状态, 地表附近的冰凌融化之后的大部分水不能流向地下。如果是黏性土类的地基, 因渗透排水的不畅出现吸水和积水等现象, 地基将会变得很潮湿, 软化, 有可能会出现流塑状的翻浆冒泥的现象。伴随着软化的过程的出现, 地基土承载力将会大大出现下降, 并且远远低于冻结过程产生前的数值。
3.3 冻胀的分类
工程上把单位的冻结深度的冻胀量的定义为冻胀率h (%) 。实践当中经常用冻胀率对地基的土冻胀性分类:I级不冻胀土 (h<1%) 、II级弱冻胀土 (h=1%~.35%) 、III级冻胀土 (h=.3%5~6%) 、IV级强冻胀土 (h=%6~12%) 和V级特强冻胀土 (h>12%) 。
4 结论和讨论
影响胀缩性因素, 除了有了黏性土粒径的组成, 矿物成分, 可交换离子的成分以及浓度, 溶液p H值等外, 土的天然含水率也有很大的作用。天然含水率小, 膨胀性大;反之, 收缩性越大。扰动土的胀缩性比原状土大, 主要是因为抵抗胀缩性联结强度变小了。
冻胀的主要影响因素是:
(1) 粒径的组成和矿物的成分:据以上晶体的形成和扩大可以知道, 土体的产生显著冻胀现象首先要有一定的亲水性矿物质和细小黏颗土, 它能够吸附比较多的水分;其次是要有大量的结合水、孔隙水和毛细水进行迁移和聚集的条件。
(2) 水源:包括了本身水源和外来水源。天然含水率大, 冻胀隆起和和融化沉陷也会比较大。
(3) 温度:温度越低, 冻结时间也会越长, 冻结的深度也会越大。
参考文献
[1]赵善锐旁压试验及其工程应用.成都:西南交通大学出版社, 1989,
[2]洪毓康土质学与土力学 (第二版) .北京:人民交通出版社, 1987,
冻融损伤混凝土的渗透性能研究 第8篇
1 试验方案
1.1 原材料及混凝土配合比
试验采用PO42.5水泥,细骨料的细度模数为2.7,粗骨料为连续级配的花岗岩碎石,外加剂分别采用聚羧酸高效减水剂,SJ-3型引气剂和凝胶型有机硅防水剂,拌和用水为自来水。试验用混凝土配合比见表1。
kg/m3
注:混凝土中减水剂和引气剂的掺量为水泥质量的百分比,硅烷外涂量400 g/m2。
1.2 试验方法
为研究冻融对混凝土渗透性的影响,本文采用先冻融再用氯盐浸泡的试验机制[2,3]。试验采用100 mm100 mm100 mm立方体试件,分别完成10,50和100次冻融循环后,用切割机将试件切成50mm100mm100 mm的两块,在75℃的温度下烘至恒重后置于室内冷却,再用石蜡将除两个相对面(100 mm100 mm)外的四个侧面密封,放入平底容器(图1),在容器底部放置三角形支撑垫块。试验时,将冻融损伤面朝下,向容器中注入3%氯化钠溶液,直到液面高出混凝土底面(4±1)mm。在达到试验所规定的时间(3,10和100d)后取出,将其放人电热鼓风干燥箱,在50℃的温度下烘干72h后,由侵蚀面向内逐层取粉,测定氯离子含量[4]。
2 分析与讨论
2.1 冻融循环次数的影响
本试验测定了经历不同冻融循环次数(N),水灰比为0.6的3组混凝土试件在3%氯化钠溶液中浸泡10d后,其中的氯离子含量,并绘制了分布曲线(图2)。
2.2 试验龄期的影响
龄期是反映环境因素对混凝土性能影响程度的重要指标之一。本试验以50次冻融循环后,三种混凝土试件在氯盐溶液中浸泡3,10和100 d为例,探讨了龄期对冻融损伤混凝土内氯离子含量及分布的影响规律(图3)。
由图2和图3的试验结果可看出,三种混凝土在经历相同冻融次数后,三种混凝土中的氯离子含量及分布基本符合Fick扩散定律的特征,且防水混凝土中的氯离子含量较低,表现出较好的抗氯盐渗透性。由于本试验用混凝土的水灰比为0.6,硬化混凝土孔隙结构中的自由水较多,普通混凝土表面2～4mm深度内的孔隙较多,表层水分与外界环境对流明显,使得此范围内氯离子含量低于混凝土内部[5]。而外涂硅烷在混凝土表面形成的斥水层能够有效地抵抗外界水分侵入,同时并不阻碍内部水分向外扩散,因此表现出良好的抗渗透性。
(a)普通混凝土;(b)引气混凝土;(c)外涂硅烷防水混凝土
(a)普通混凝土;(b)引气混凝土;(c)外涂硅烷防水混凝土
2.3 氯离子扩散系数
本试验分别以混凝土经受10,50,100次冻融次数后,在3%氯化钠溶液中浸泡100d,测定其中的氯离子含量,根据Fick扩散定律,进行数据拟合分析,得到了冻融损伤混凝土中氯离子扩散系数(表2)。
对比表2中的数据可看出,三种混凝土中氯离子扩散系数随着冻融损伤程度的增加而增大,从长期性能看,防水混凝土表现出较好的抗渗透性。分析其原因,外涂硅烷能在混凝土表面形成致密的憎水层,在有效阻止环境水侵入的同时,并未阻碍硬化混凝土内部水分向外迁移,因此能降低冻融破坏时孔隙水的压力,不仅有助于改善混凝土的抗冻性,也提高了抵抗氯离子侵入的能力。
3 结束语
以水灰比为0.6的普通混凝土、引气混凝土和外涂硅烷防水混凝土为研究对象,进行了先冻融后氯盐侵蚀试验,分析了冻融损伤程度对混凝土中氯盐侵蚀的影响规律,并得到以下结论:
(1)相同条件下,与普通混凝土相比,引气混凝土和外涂硅烷防水混凝土均表现出较好的抗氯盐侵蚀性,但混凝土表面防水涂层的有效性与其施工水平密切相关;
(2)混凝土的氯离子扩散系数随冻融损伤程度的增大而增加,但不是简单的线性增加,而是当冻融损伤达到一定程度后(约冻融50次),氯离子扩散系数才有明显的变化;
(3)冻融过程中,混凝土内孔隙水的流动受到影响,因此冻融主要影响通过毛细吸收方式侵入混凝土的氯离子。
参考文献
[1]冯乃谦,蔡军旺.山东沿海钢筋混凝土桥梁氯盐侵蚀的调研与分析[J].北京工业大学学报,2006,32(2):187-192.
[2]管廷.冻融损伤对混凝土抗氯离子侵蚀性能及钢筋锈蚀的影响[D].青岛:青岛理工大学,2013.
[3]曾强,李克非.冻融情况下降温速率对水泥基材料变形和损伤的影响[J].清华大学学报(自然科学版).2008,48(9):1390-1394.
[4]朱桂红.对氯离子侵蚀的混凝土进行表面防水处理的可行性研究[D].青岛:青岛理工大学,2007.
[5]郭永平,赵铁军,田砾.裂缝、表面防水处理对混凝土耐久性的影响[J].混凝土,2007(8):17-22.
[6]沈春华.水泥基材料水分传输的研究[D].武汉:武汉理工大学,2007.
[7]Wittmann,F.H.Protective coatings with water repellent agents[C].Proceedings of 2nd International Conference on Water Repellent Treatment of Building Materials.Zurich:Aedificatio Publishers,1998:107-108.
新型墙体材料冻融循环下的损伤研究 第9篇
本文结合新型墙体材料冻融损伤失效过程的试验研究,采用简单的数学模型,描述新型墙体材料的单一因素冻融损伤失效过程,获得了新型墙体材料的冻融损伤数学模型,在理论上提出冻融损伤速度和冻融损伤加速度的概念,并探讨了新型墙体材料的冻融损伤数学模型在耐久性寿命预测中的应用问题。
1 抗冻性试验
墙体材料选用北方普遍采用的混凝土小型空心砌块、混凝土多孔砖、废渣混凝土多孔砖、混凝土实心砖、黏土烧结普通砖、煤矸石烧结砖、蒸压粉煤灰砖。抗冻性试验参照GB/T41111997《混凝土小型空心砌块试验方法》进行。每组冻融试件取样品10块,其中5块浸入10~20℃的水池中,水面高出试件20 mm以上,试件间距不小于20 mm,另取5块试件作对比。冻融试件在水中浸泡4 d后取出,用湿布拭干内外表面,立即称量饱和面干状态下的质量,精确至0.05 kg,将5块冻融试件放入预先降至-15℃的冷库中,间距大于20 mm,当温度再次降至-15℃时开始计时,冷冻4 h后取出,再置于水温为10~20℃的水中融化2 h,这样就完成1个冻融循环。根据±0.00以下建筑工程的特殊环境状况,将冻融循环次数规定为25次、50次、75次,达到规定循环次数后,将试件从水中取出,拭干表面后,称量冻后饱和面干状态质量,精确至0.05kg,静置24 h后,与对比试样一起抹面,进行抗压强度试验。计算质量损失率、强度损失率,精确至0.1%;计算冻后抗压强度精确至0.1 MPa。用质量损失率、强度损失率和冻后抗压强度指标进行评价。
2 冻融循环试验结果分析
新型墙体材料在冻融循环条件下质量损失率、强度损失率与循环次数的关系分别见图1和图2。
从图1可以看出,随着冻融次数的增加,普通混凝土砌块、混凝土实心砖、煤矸石烧结砖、混凝土多孔砖的质量损失率与普通烧结砖的质量损失率变化相近,而废渣混凝土多孔砖和蒸压粉煤灰砖的质量损失率比普通烧结砖的质量损失率要大。
从图2可以看出,随着冻融次数的增加,普通混凝土砌块、混凝土实心砖、煤矸石烧结砖、混凝土多孔砖、蒸压粉煤灰砖的强度损失率与普通烧结砖的强度损失率相近,而废渣混凝土多孔砖的强度损失率比普通烧结砖的强度损失率要大。并且,废渣混凝土多孔砖、混凝土多孔砖、普通混凝土砌块和混凝土实心砖的曲线呈下抛型,即随着循环次数的增加,强度损失率变化越趋于缓和;煤矸石烧结砖、蒸压粉煤灰砖和烧结普通砖的曲线呈上抛型,即随着循环次数的增加,强度损失率变化越大。
3 冻融循环损伤数学模型
为了分析新型墙体材料的冻融损伤效应,根据损伤力学的原理,采用Brown等建议的损伤因子[4,5,6]:
式中:Dσ以强度损失为变量的新型墙体材料损伤变量;
Dm以质量损失为变量的新型墙体材料损伤变量;
σr新型墙体材料的强度损失率;
mr新型墙体材料的质量损失率。
上述分析说明,新型墙体材料的强度损失率或质量损失率的变化过程实际上反映了其冻融损伤失效过程。因此,完全可以通过测定新型墙体材料在耐久性因素作用下强度损失率或质量损失率与冻融循环或腐蚀时间之间的变化,系统地研究新型墙体材料的冻融损伤失效过程的规律性。
回归分析模型可以用一元二次多项式描述新型墙体材料的质量损失率mr或强度损失率σr与冻融循环次数N之间的抛物线关系:
由于新型墙体材料的冻融损伤抛物线有的是开口向下的,有的是开口向上,即a(c)<0或>0。当系数a(c)=0时,也就是
7种墙体材料的冻融损伤数学模型中的冻融损伤参数见表1。
其中,Sig F是显著性概率,从表1可以得出,Sig F<0.05,表明回归极显著。
4 不同新型墙体材料的冻融损伤速度与加速度规律
结合式(1)和式(2),对式(3)~式(6)进行联立并求导,分别得到新型墙体材料在冻融过程中的损伤速度和损伤加速度如下:
(1)质量和强度的损伤速度分别为:
当N=0时,质量和强度的损伤初速度分别为:
(2)质量和强度的损伤加速度分别为:
由此可见,在式(7)~式(8)中,各个参数有明确的物理意义,系数b和d分别反映了质量和强度损伤初速度,系数2a和2c分别反映了质量和强度损伤加速度。对照普通物理学的物体抛物线运动规律,有利于我们在理论上进一步明确新型墙体材料的冻融损伤失效过程。在冻融开始时新型墙体材料分别以初速度-b和-d产生质量和强度损伤,在随后的冻融过程中质量和强度损伤则分别以加速度-2a和-2c发展。
由上述可见,任一冻融循环次数时的质量和强度损伤速度分别为-(2a N+b)和-(2c N+d)。当损伤参数a=0和c=0时,新型墙体材料的冻融损伤是一种匀速损伤;当a<0和c<0时,新型墙体材料的冻融损伤是一种加速损伤。
5 新型墙体材料冻融损伤数学模型在寿命预测中的应用
通过本文的实验数据,探索新型墙体材料的冻融损伤数学模型的预测误差,验证所建立的回归分析模型关系式(3)和(4)的正确性,见表2。
由表2可知,新型墙体材料中除了普通混凝土砌块的25次循环质量损失的相对误差较大外,其它预测结果基本准确。
通过建立的新型墙体材料的冻融损伤数学模型,可以根据冻融循环次数计算出质量损失或强度损失,在规定的损失值下,能确定新型墙体材料的使用寿命。
以混凝土实心砖为例,图3为混凝土实心砖冻融循环损伤模拟,假设在规定的强度损失率达到20%,墙体材料即无法继续使用,则通过图3可以确定混凝土实心砖的使用寿命。
6 结语
(1)随着冻融循环次数的增加,普通混凝土砌块、混凝土实心砖、煤矸石烧结砖、混凝土多孔砖的质量损失率与普通烧结砖的质量损失率变化相近,而废渣混凝土多孔砖和蒸压粉煤灰砖的质量损失率与普通烧结砖的相差较大。同时,普通混凝土砌块、混凝土实心砖、煤矸石烧结砖、混凝土多孔砖、蒸压粉煤灰砖的强度损失率与普通烧结砖的强度损失率变化相近,而废渣混凝土多孔砖的强度损失率与普通烧结砖的相差较大。
(2)结合新型墙体材料冻融损伤失效过程,建立了新型墙体材料的冻融损伤计算模型,其对新型墙体材料的寿命预测与实验值较接近。通过模型可预测新型墙体材料的冻融循环寿命,为新型墙体材料的冻融损伤计算提供依据。
参考文献
[1]王君若,赵立群,刘国亮,等.建设工程±0.0以下使用混凝土砖(砌块)的研究[J].建筑砌块与砌块建筑,2007(3):9-12.
[2]于献青.建设工程零零线以下及市政工程非黏土材料的应用研究[J].墙材革新与建筑节能,2007(9):24-27.
[3]郑怡,刘明,刘艳艳,等.矿渣混凝土砖砌体的可靠性分析[J].新型建筑材料,2008(6):18-19.
[4]罗骐先,Bungeg J H.用纵波超声换能器测量混凝土表面波速和动弹性模量[J].水利水运科学研究,1996(3):264-270.
[5]余寿文,冯西桥.损伤力学[M].北京:清华大学出版社,1997.
