冻融循环试验

冻融循环试验（通用8篇）

冻融循环试验 篇1

0 引言

我国多年性寒区面积和季节性寒区面积约占全国国土面积的75%,是世界上寒区面积分布最多的国家之一[1]。随着国家对基础设施投资力度的加大,寒区岩土工程也将越来越多,比如举世闻名的青藏铁路,还有大量的隧道开挖、矿山等工程活动,都不可避免地涉及到受冻融作用的岩体。因此,对循环冻融下节理岩体的损伤破坏机理的研究有着广阔的工程应用背景。

目前,许多学者已经对岩石在冻融循环条件下的物理力学性质及节理岩体进行了大量的研究,并取得了相当的成果。王俐等[2]研究了含水量对红砂岩冻融损伤程度的影响规律,认为水在岩体冻融破坏中起着非常重要的作用。刘成禹等[3]通过对花岗岩经历多次冻融后,认为岩石的单轴抗压强度和弹性模量均有不同程度的下降,泊松比有一定提高,而且岩石中原有裂隙明显变宽并产生新裂隙。徐光苗等[4]通过试验研究认为岩石基本冻融破坏模式为片落模式和裂纹模式。Fukuda M[5]指出岩性、冻融循环次数、冻融最低温度和含水量情况是影响岩石冻融强度的最主要因素。何国梁等[6]通过对冻融的大理岩进行超声纵波无损检测,认为冻融后岩样密度下降,而且随着冻融次数的增加,岩样的劣化趋于缓慢。Tan等[7]通过一系列单轴和三轴试验研究了花岗岩在冻融条件下力学性质变化,认为强度、弹性模量和粘聚力衰减与冻融次数呈指数关系。张志刚等[8]对单节理岩体研究表明节理的存在降低岩体强度,改变其延性。张永安等[9]对红层泥岩进行试验研究了软岩的蠕变特性。李宏哲等[10]通过含节理大理岩三轴试验得出节理试件两类破坏形式:穿切节理面破坏和沿节理面滑移破坏。陈新等[11]用预制裂隙研究了节理组产状和连通率的连续变化对张开断续节理岩体的弹性模量及应力—应变的影响。然而目前对岩石冻融的研究都是针对完整岩样,而对节理岩体的研究又都是在常温状态下,因此导致现有研究成果不能很好地应用于寒区工程实践。为此本文通过预制节理岩体试件,初步研究分析了节理岩体在冻融环境下的强度规律及破坏机理。

1 试验概况

1.1 试验设备

本试验中使用的仪器有:DW-25W198的海尔低温保存箱低温箱,SANS/CMT 5105万能材料试验机,YH-40B的恒温恒湿养护箱,恒温干燥箱,JA2102电子秤及其它辅助设备。

1.2 试样制作与方案设计

由于天然节理岩体试件难以加工且精度较难控制,因此试验所用试件是以水泥、细砂和水为材料按一定比例(水泥∶细砂∶水=4.5∶4.5∶2)配制而成,以模拟真实岩样。试件制作方法:把搅拌好的配合料灌注到内径规格为ϕ50mm×100mm的钢制模具中,并捣至密实,1d之后拆模,自然养护28d即形成完整试件。

将制成的试件通过外观质量进行初选,再根据波速进行细选,剔除离散性较大的试样,然后把选好的试样根据表1制作相应的节理试件,即用锯条把完整试件按照不同要求沿整个或部分断面锯断,并用充填物把试件两部分进行粘合。

注:以上试验每组试件均不少于4个,试件尺寸均为ϕ 50mm×100mm

1.3 试验步骤与方法

(1)冻融前,先将所有的试样放置在105~110℃的干燥箱中烘48h至衡重,然后放入干燥箱内冷却至室温后,称量并记录试件的质量;然后将饱水组试件置于水中48h后,称量并记录试件的质量。按方案制作试样,并记录试样的几何尺寸。

(2)对所有试样进行冻融循环。将试样在-20℃的低温箱中放置12h,然后再在20℃保温箱放置12h,每24h作为一个循环周期,在冻融期间观察试样变化,并进行记录。

(3)对冻融循环结束后的试样进行单轴压缩试验,试验采用轴向应变方式控制,应变率控制为2mm/min,以应变达到0.1为试验结束条件,得出应力—应变曲线。

2 试验结果分析

2.1 节理倾角

不同节理倾角试样冻融后的形态见图1,节理试样在冻融后出现侧向膨胀,试样表面明显有新的裂纹产生,试样原有裂隙扩展变成具有一定宽度的裂纹,有片状或块状剥落现象,且局部有破碎现象,通过剥落后的节理试样,能看到内部也有裂纹存在,此组损伤劣化模式与文献[4]所提的片落模式较为符合,而且可以发现除节理倾角为90°外,裂纹的产生一般都垂直于节理面。

节理倾角为0°的试样,其强度可以从图3全贯通曲线看出。节理倾角为30°、45°、60°试样,冻融后石膏从结构面处有流出现象,60°节理试样上部分已经沿着节理面发生滑移,岩体已经完全没有强度, 30°与45°节理处虽没有明显滑动,但节理处有因错动产生的裂纹,当手触碰时,上下两部分就很轻易地分开了,表明冻融已经使岩体发生破坏;90°节理试样从图中可知节理处的充填物大多都已流失,岩体已无任何强度。

这表明多次冻融循环使试件裂纹扩展,使结构面处充填物与试件体的粘结强度严重降低,试件在一定节理倾角内在自身重力作用下会发生沿着节理面处的剪切破坏;也证实了石膏作为充填物的粘结力比较低,从侧面表明围压存在对节理岩体的强度起着至关重要的作用。

2.2 节理贯通度

不同贯通度试样冻融后的形态见图2,试样外表由于冻融循环产生一些裂纹,其中竖向裂纹较多,一般都会有一条横向裂纹将它们贯通,并且有竖向裂纹穿过节理面。

从试件单轴压缩应力—应变曲线上看(见图3),冻融试样的压缩过程经历压密、弹性、应力硬化及软化阶段,软化阶段末期试样有明显的残余强度持续阶段,此阶段同文献[12]。1/4贯通度试件强度最大,其次是全贯通、3/4贯通和1/2贯通度试件;可以看出随着节理贯通度的增加,试件的峰值强度呈现先明显降低、后又逐渐增大的趋势。从曲线弹性阶段斜率可知弹性模量与贯通度呈现非线性变化,其趋势与峰值强度变化趋势相似。非全贯通节理的试件的应力—应变曲线与全贯通相比明显具有多次峰值,峰值次数随贯通度减小而增加,这主要是因为非贯通节理端部受压过程中发生应力集中,同时充填物与试样弹性模量不同,使结构面发生不均匀应变引起摩擦效应所致;峰值后期曲线较为平缓,表明随贯通度的增加,试样延性呈现增加趋势。

从试件单轴压缩破坏形态上看,全贯通、3/4贯通试样是由劈裂引起的穿切节理面张拉破坏;1/2贯通试样破坏是从节理端处使试样劈裂张拉破坏,1/4贯通试样发生劈裂破坏且伴随着明显的剪切破坏,非贯通破坏从机理上符合断裂力学理论,其破坏形式主要取决于试件发生应力集中后最大主应力的方向。

2.3 节理组数

从试件的表观形态上看,4(a)中有竖向裂纹产生,但未穿过节理面,4(b)、4(c)、4(d)在节理处出现较多短小竖向裂纹,均未穿过节理面,且4(d)中试件有部分片状剥落现象,说明存在的节理越多,试样冻融破坏也就越严重。

从试件单轴压缩应力—应变曲线上看(见图5),无节理试件强度为14.86MPa,含1~3节理的试件强度分别为8.87MPa、6.96MPa和5.41MPa,分别为完整试件强度的59.7%、46.8%和36.4%。可知节理的存在对试件强度的影响非常大,随着节理数增加,试件峰值强度逐渐降低,降低速度随节理数增加而逐渐变小,弹性模量总体也呈现降低趋势;因此,同组的不同节理间是存在相互耦合作用的,作用结果导致岩体总体强度更加弱化,若用简单分步的应用单节理面理论累计预测多节理岩体强度是不可行的,需要做更细致的研究。同时试件峰值强度对应的应变总体也呈增加趋势,这说明随着节理数增加,试件破坏时的变形越来越大。峰值后,随着节理条数增加,曲线下降逐渐变缓,应力软化现象越明显,延性破坏特征愈加明显。

从试件单轴压缩破坏形态上看,无节理是张拉破坏,单节理和两组节理试样都是穿切节理面张拉破坏,三组节理试样上部分发生了张拉破坏,下部分只发生了表层剥落现象,且剥落现象较为严重,破坏部位与压缩前有裂纹部分相对应,表明试样破坏是先从裂纹处开始。

2.4 饱和度

从试件的表观形态上看,6(a)试样外表完整,6(b)试样外表有一条到节理面处的裂纹,6(c)试样外表出现多条裂纹,6(d)外表有明显裂隙。可以看出随着饱和度的增加,冻融作用对试样产生的损伤就越大。

从试件单轴压缩应力—应变曲线上看(见图7),干燥试件强度最大为10.02MPa,其次饱和试件的强度为8.87MPa,再次是饱和度为0.3和0.6的试件强度分别为6.89 MPa和4.81MPa,相对干燥试样,后三种试样强度损失率分别为11.5%、31.3%和52%,这表明了水对冻融岩体强度起着重要作用,冻融节理试件强度随饱和度的升高而逐渐降低,从弹性段斜率可看出,试件弹性模量随饱和度的增加呈下降趋势。干燥试件由于不存在水的胀缩现象,因此冻融环境对试件强度影响较小。对于饱和试件,试件孔隙被水充满,在冻融环境中,水在冰与水之间不断进行形态变换,使试件胀缩产生微裂纹,导致其强度必然小于干燥组。对于未饱和的试件,在冻融中,一方面由于水的胀缩现象,会使试件形态发生变化;另一方面由于孔隙的存在,为水的流动提供了通道,在每次冻融过程中,水会沿着孔隙和产生的裂纹向未破坏地方迁移,加速试件损伤破坏。

从试件单轴压缩破坏形态上看,干燥与饱和试样都发生了穿切节理面张拉破坏,非饱和试样从上部发生张拉破坏,未穿透节理面;破坏形态从整体上随着饱和度的增大,破坏形态越碎。

2.5 节理厚度

从试件的表观形态上看(见图8),不同节理厚度的试样在冻融后都有竖向裂纹出现,8(b)表面剥落较严重,其余都有垂直于节理面的竖向裂纹产生。

从试件单轴压缩应力—应变曲线上看(见图9),节理充填物厚度为2mm、8mm、6mm、4mm的试件强度依次降低,充填物厚度相对试件高度分别是1/50、4/50、3/50、2/50。结果表明冻融节理岩体强度与充填物厚度呈非线性关系;当充填物厚度与试件高度的比值在一定范围内,试件峰值强度随着节理厚度增加而降低,超出这个范围试件峰值强度会随着节理厚度增加而增大。所以在实际工程中,当充填物尺寸相对岩体不可忽略时,在考虑岩体的力学性质时,也应考虑充填物性质,某些情况下或许应当作岩块看待。从弹性段斜率可知,弹性模量随节理充填物厚度的增加呈先下降后升高的趋势,试件在弹性阶段,产生的应变越来越大,这主要是由于充填物的弹性模量比试件的弹性模量低所致。

从试件单轴压缩破坏形态上看,8(a)试样仅上部岩块沿裂纹发生张拉破坏,这是由于结构面处粘结物在冻融后已基本无任何粘结力,8(b)、8(c)和8(d)发生穿切节理面张拉破坏。

2.6 冻融循环次数

从试件的表观形态上看(见图10),随着冻融循环次数的增加,试样的裂纹条数、宽度都在不断增加。冻融作用时间越长,试样损伤就越严重。

从试件单轴压缩应力—应变曲线上看(见图11),冻融次数为0、25、50、75及100的试件强度分别为12.06MPa、8.65MPa、5.93MPa、5.88MPa和4.49MPa;其中50次、75次、100次相对0次强度损失分别为50.83%、51.24%和62.77%。随着冻融次数的增加,试件强度逐渐下降,在冻融初期,其强度损失速率较大,随着循环次数增加,强度损失率越来越小,试件强度逐渐趋于稳定。试样的弹性模量基本上随次数增加而降低,峰值后其曲线下滑速率也逐渐降低,曲线基本由倒“V”字形向倒“U”形转变。

从试件单轴压缩破坏形态上看,冻融50次以上的试样破坏形态较为破碎,整体上试样的破坏都是穿切节理面的张拉破坏。

3 结论

(1)冻融使试样出现侧向膨胀,产生明显的宏观裂隙和内部的微观损伤,且裂纹多垂直于节理面,部分试件表层有剥落现象;同时节理处粘结力严重降低,节理倾角达到一定程度时,岩体会在自重条件下发生滑移破坏。

(2)冻融节理试样受压过程经历压密、弹性、应力硬化及软化四个阶段,压密阶段随冻融程度增加而增加,峰值后试样表现出明显的延性。

(3)冻融节理岩体的峰值强度随节理贯通度、试样饱和度、节理厚度的增加呈现先降低后又升高的趋势;随节理数、冻融次数增加而下降,且强度下降的速率逐渐变小。

(4)不同饱和度试样表明水的存在在冻融中起着关键的作用;当节理厚度的尺寸相对试样尺寸较大时,充填物性质会影响整个岩体的性质,影响作用还需进一步研究。

(5)全贯通试样的破坏以穿切节理面张拉破坏为主,未全贯通试样的破坏是从节理端处开始产生拉裂破坏为主,有时伴随着剪切破坏。

(6)整个过程中,冻融与节理共同作用,相互耦合加速促进岩体损伤破坏。

(7)由于试验采用预制试样,其强度、弹性模量比天然岩石强度偏低,试验结果会有一定的局限性,但能反应岩体一些变化规律,可对后续冻融节理岩体的研究提供借鉴。

摘要：通过预制节理岩体试件,对不同节理倾角、节理贯通度、节理组数、饱和度、节理厚度、循环次数等6种情况进行冻融试验,并进行单轴压缩试验以研究其性质规律。研究表明:试样的表观形态、强度和破坏模式与冻融和节理有密切关系;冻融使节理处粘结强度严重降低,使试样产生损伤,损伤程度与冻融次数呈正相关,与饱和度、节理厚度在一定范围内正相关;节理数、节理倾角对试件强度的影响与非冻融试样有着相似的变化规律;非贯通冻融节理试样的破坏机理比较符合断裂力学理论;在整个过程中,冻融与节理相互作用共同促使试样损伤破坏。

关键词：循环冻融,节理岩体,单轴压缩,损伤

冻融循环试验 篇2

季节性冻融期土壤入渗试验综述

～山西省水文水资源勘测局太谷均衡实验站和太原理工大学合作进行了<不同地表条件下季节性冻融土壤入渗特性的试验研究>.详细地介绍了此项目研究的意义、研究的`现状、研究的内容、野外试验方案及研究结果,并对研究结果进行了述评.

作 者：杜琦 DU Qi  作者单位：山西省水文水资源勘测局太谷均衡实验站,山西,太谷,030800 刊 名：地下水 英文刊名：GROUND WATER 年，卷(期)： 31(2) 分类号：P641.73 关键词：季节性冻土   入渗特性   地表条件  

冻融循环试验 篇3

砖的抗冻性是指其抵抗多次冻融循环而不被破坏的能力。蒸压粉煤灰砖的抗冻性能是衡量其耐久性的重要指标[1]。当砖在吸水饱和后, 一旦环境温度降至0℃以下, 砖内部的水分就会结冰, 体积膨胀, 从而导致内部产生很大的膨胀应力, 砖表面在应力的作用下, 会出现裂纹、剥落等现象。当温度上升, 达到冰点以上时, 这种应力又会消失, 如此反复循环, 使材料内部遭到破坏, 最终导致强度下降和质量的损失[2]。

目前, 行业内部普遍认为粉煤灰砖的冻融破坏机理与混凝土冻融破坏机理差别不大, 在研究过程中基本沿用混凝土冻融破坏的基础理论。到目前为止, 关于混凝土冻融破坏的主要理论有6种[3], 其中最具代表性的是静水压和渗透压理论。静水压理论更适用于龄期短、水化程度低、强度小的混凝土;渗透压理论更适用于水灰比小、强度高及含盐量大的环境下混凝土的破坏[4]。

对不同原料配合比、不同龄期的全废渣蒸压粉煤灰砖的冻融循环试验研究, 结合现有理论分析, 有利于从根本上找出影响砖抗冻性的主要因素并加以控制, 最终实现提高砖的抗冻性的目的。

1 试验

1.1 原材料

在传统蒸压粉煤灰砖原料配合比的基础上, 以工业废渣为主要原材料, 即主要原料为粉煤灰, 用电石渣替代生石灰作为激发剂, 用炉渣作为骨料, 用柠檬酸渣替代石膏, 然后参照实际生产经验, 按照一定原料配合比及生产工艺生产出4种蒸压粉煤灰砖 (其中A型砖为对比砖) , 然后对成品砖进行冻融循环试验研究, 其原料配合比如表1所示。蒸压养护条件为0.8 MPa、180℃, 养护时间均为12 h, 养护制度为2 h-8 h-2 h。参照以上条件, 由生产厂家按标砖的规格240 mm×115 mm×53 mm, 砖的强度等级MU15。

kg

1.2 试验步骤

冻融循环试验主要仪器设备有全自动冻融机、电子称、电热鼓风干燥箱。冻融机为HD-ZDR-3型全自动冻融机, 箱内温度最低可调至 (-40±2) ℃, 电子称可精确到0.1 g, 电热鼓风干燥箱最高温度为200℃, 参照GB/T 2542—2003《砌墙砖试验方法》进行:

(1) 用毛刷清理试样表面, 将试样放入鼓风干燥箱中在 (105±5) ℃下干燥至恒重, 在干燥过程中前后2次称量质量相差不超过0.2%, 前后2次称量时间间隔不超过2 h, 称其质量G0, 并检查外观, 将缺棱掉角和裂纹作标记。

(2) 将试样浸入10~20℃的水中, 24 h后取出, 用湿布拭去表面水分, 以大于20 mm的间距大面侧向立放于预先降温至-15℃以下的冻融机中。

(3) 当冻融机内温度再降至-15℃时开始计时, 在-20~-15℃下冰冻5 h, 然后注入10~20℃的水融化至少3 h, 如此完成1次冻融循环试验。

(4) 将分别进行15次、30次、50次冻融循环后的试样放入鼓风干燥箱中干燥至质量不再变化, 称其质量为G1。再将干燥后的试样放在10~20℃的水中浸泡24 h后取出进行抗压强度试验, 测试其冻融后的抗压强度。

分别进行4种砖的30次冻融循环试验, 对比它们的质量损失和强度损失, 并进行B配比砖在不同龄期条件下的15、30、50次冻融循环试验。

2 试验结果与分析

试验中发现经过15次冻融循环后的砖, 其外观基本没有发生什么变化, 但有部分试件与冷冻箱箱底接触的那个面有开裂、掉渣的现象, 其原因是水融结束后, 部分残留在箱底的水结冰, 产生应力反复作用于试件所致。在经历了30次冻融循环试验后, 出现表面裂纹的试件增多, 有缺棱掉角的现象。50次冻融循环后, 个别试件破坏特别严重, 以致不能继续完成后续的抗压强度试验。图1为冻融机及冻融循环试验示意, 图2、图3分别为15、30、50次冻融循环后砖的外观形貌。

表2为4种砖在30次冻融循环前后10块试件的平均质量、抗压强度及其损失。

从表2可以看出, 4种砖中质量和强度损失最大的都是C配比砖, 分别为0.94%和8.83%;其次是D配比砖, 分别为0.80%和8.34%, A配比砖的质量和强度损失率分别为0.69%和7.93%;质量损失和强度损失率最小的是B配比砖, 分别为0.42%和6.40%。B配比砖与A配比砖比较, 增加骨料的掺量, 不仅提高了砖的密实度, 降低了砖的吸水率, 而且在提高了砖的强度的同时, 也提高了砖的抗冻性和耐久性。同理, 与A配比砖相比, C配比砖和D配比砖中增加电石渣和粉煤灰的掺量, 均对蒸压粉煤灰的强度有所减弱, 同时, 冻融循环后质量损失和强度损失率都有所增加。但不同的是, 在抗冻试验中C配比砖的质量损失和强度损失率都比D配比砖的大, 说明对于蒸压粉煤灰砖中掺量过多的电石渣和粉煤灰, 电石渣对蒸压粉煤灰砖的抗冻性的影响更为不利。

砖的吸水率越大, 其冻融后强度损失和质量损失就越大[5]。试验发现, 冻融30次、50次后的砖, 其吸水率和吸水速度明显增大, 表现为:在鼓风干燥箱中烘至绝干状态后, 同是泡水24 h, 未冻融前的砖在水中浸泡24 h后仍未能浸透整块砖, 而冻融后的砖在水中浸泡24 h后, 水能够完全浸透整块砖 (从进行砖的抗压强度试验时, 把砖断成两部分时发现的) 。原因是冻融循环中砖的内部结构遭到了反复冻胀应力的破坏, 形成了许多细小的孔隙, 密实度降低, 以致水能很快浸入砖体。

表3和表4分别为28 d和60 d龄期B配比砖在经历15、30、50次冻融循环前后的质量和强度及其损失率。以下把龄期为28 d的砖称为新砖, 龄期为60 d的砖称为旧砖。

从表3和表4可以看出, 在经历了50次冻融循环后, 新砖的质量损失和强度损失率分别为1.14%和15.06%, 旧砖的质量损失和强度损失率分别为0.75%和12.84%。2种龄期的砖在50次冻融循环后的质量损失率均≤2.0%, 强度损失率≤20%, 且抗压强度平均值≥12.0 MPa, 符合JC 239—2001《粉煤灰砖》对粉煤灰砖抗冻性的要求。

从表3和表4还可以看出, 新砖在经过15次冻融循环后, 质量不降反而增加了0.26%, 强度增加了4.60%, 旧砖则是质量损失了0.26%, 但强度却增加了1.36%。出现这一反常现象是因为旧砖在堆放场地久经日晒雨淋, 各原料的水化反应已经差不多完全进行, 当进行冻融循环试验时, 经过高温干燥, 冻融时能够再进行水化反应生成新物质的已经不多, 当生成率小于损失率时质量就会有所损失, 但是强度却在冻融循环结束后加热干燥的过程中有所提高。相比之下, 新砖就有比较大的发展空间, 新砖中存在还未充分水化反应的硅钙材料, 因而在湿热和水热环境反复作用下质量和强度的增长量大于损失量, 故最终新砖质量和强度都有所增长。

砖在冻融试验过程中, 冷冻使砖的强度损失, 而在水融过程中砖在水中浸泡融化, 特别是砖在干燥箱中加热后泡水和泡水后加热, 经历的湿热和水热环境可促进其强度增长。如果强度增长率大于损失率, 则冻融后的强度就高于冻融前的强度, 体现不出冻融对强度造成的损失[2]。

15次冻融循环之后, 新砖质量和强度都有所增长, 旧砖强度有所增长而质量则有所损失。

砖冻融循环达到15次后, 随着次数的增加, 砖在浸水过程中水化反应速率减缓甚至停止, 冻融的破坏作用加剧, 则强度损失率高于甚至显著高于增长率, 从而体现出砖经冻融后强度损失率的增加[2]。砖经30次冻融循环后, 质量损失率和强度损失率显著增加, 新砖分别为0.70%和9.20%, 旧砖分别为0.47%和6.01%;经50次冻融循环后, 质量损失率和强度损失率新砖分别为1.14%和15.06%, 旧砖分别为0.75%和12.84%。随冻融循环次数的增加, 蒸压粉煤灰砖的质量损失率和强度损失率增大。

30次冻融循环后, 新砖的质量损失率和强度损失率都比旧砖的大。在前15次冻融循环后虽然新砖的质量和强度增长都比旧砖的大, 但是由于水化反应生成物缺少必要的养护时间, 稳定性还不是很好, 加之在连续冻融循环条件下, 水化产物会遭到破坏, 因而新砖在抗冻性能上要比旧砖更为不稳定, 新砖更容易遭到破坏, 旧砖的耐久性比新砖要好。

3 结语

(1) 制备的4种不同原料配合比下的蒸压粉煤灰砖的抗冻性均符合JC 239—2001的要求。砖在经历15次冻融循环后表面基本完好, 试件平均质量和强度有所增长;在经历30次冻融循环之后, 砖的质量损失率和强度损失率明显增大, 冻融循环次数越多, 损失率就越大。

(2) 粉煤灰、电石渣、炉渣的掺量不仅影响砖的密实度、强度, 还影响砖的抗冻性等。适当增加骨料掺量, 可以提高砖的抗冻性能;电石渣和粉煤灰掺量过大对砖抗冻性不利, 电石渣比粉煤灰对砖的抗冻性更为不利;出釜龄期短的砖和龄期长的砖相比, 后者比前者抗冻性好。

(3) 合适的骨料级配和骨料掺量, 可以提高蒸压粉煤灰砖的密实度, 减小成品砖的含水率和吸水率, 从而增强砖的抗冻性能。

(4) 4种不同原料配合比下的蒸压粉煤灰砖中, B配比砖的抗冻性能最好, 说明其原料配合比较合适, 故实际生产中建议采用B配比砖的原料配合比, 即m (粉煤灰) ∶m (电石渣) ∶m (炉渣) ∶m (柠檬酸渣) =47.8∶15.9∶35.0∶1.3, 制备强度等级为MU15的蒸压粉煤灰砖。

摘要：蒸压粉煤灰砖的抗冻性能是衡量其耐久性的重要指标。通过对不同原料配合比、不同龄期的全废渣蒸压粉煤灰砖的冻融循环试验研究, 结合现有理论分析, 结果表明:全废渣蒸压粉煤灰砖在经历15次冻融循环后表面基本完好, 试件平均质量和强度有所增长, 在经历30次冻融循环之后, 砖的质量损失率和强度损失率会明显增大;适当增加骨料掺量, 可以提高砖的抗冻性能;电石渣和粉煤灰掺量过大对砖抗冻性不利, 电石渣比粉煤灰对砖的抗冻性更为不利;出釜龄期短的砖与龄期长的砖相比, 后者比前者的抗冻性好。

关键词：全废渣蒸压粉煤灰砖,冻融循环,强度,质量

参考文献

[1]赵成文, 英慧.蒸压粉煤灰砖冻融循环试验研究[J].砖瓦, 2010 (11) :15-16.

[2]李庆繁.蒸压粉煤灰砖冻融后的抗压强度比冻融前高的原因探讨及建议[J].砖瓦, 2009 (3) :53-56.

[3]李金玉, 曹建国, 徐文雨, 等.混凝土冻融破坏机理的研究[J].水利学报, 1999 (1) :42-50.

[4]黄士元.近代混凝土技术[M].西安:陕西科学技术出版社, 1998.

冻融循环试验 篇4

土工合成材料膨润土垫( GCLs) 在垃圾填埋场底部和封盖系统防渗、人工湖河道防渗、地下结构防水等工程中应用广泛,具有防渗性能强、胀缩性大、抗冻融性较好、耐久性良好等优点,但却存在水化之后抗剪强度明显减小的缺陷[1~3]。目前,最简单的防渗垫层主要由土工膜( GM) 与压实黏土构成,或者由土工膜( GM) 与土工织物膨润土垫( GCLs) 构成,而西北地区黏土料源相对匮乏,考虑到砾质土料源在自然界分布广泛、储量丰富,且土料具有压实性能好、填筑密度大、抗剪强度高、沉陷变形小、承载力高等工程特性,结合GCLs出色的防渗性能,低廉的价格以及安装方便等优点,笔者提出了采用宽级配砾质土料代替黏土,与GCLs/GM共同构成垃圾填埋场复合材料防渗系统的设计思路[4]。

西北地区主要城市及周边地区的垃圾填埋场大多位于山谷丘陵地带,地下水位随季节变幅较大,填埋场封场复合防渗系统会经常处于冻融交替循环作用的环境之中。在冻融循环条件下,土体力学性状的研究已有大量文献报道[5~9]。齐吉琳在试验研究中发现,冻融过程中土样出现了粘聚力降低、内摩擦角增大的现象,并分析了其参数变化机理[10]。国外学者研究表明,冻融循环作用对GCLs产品的渗透系数影响并不显著[11,12],但冻融循环作用对GCLs抗剪强度以及宽级配砾质土与GCLs接触面的影响还未见相关研究报道。

为探讨宽级配砾质土是否可代替黏土作为GCL保护层,本文采用直剪仪测定了经室内不同冻融循环作用的复合防渗系统的防渗垫GCL与保护层( 宽级配砾石土/黏土) 之间的抗剪强度,分析了两者接触面抗剪强度与冻融循环次数的关系及其变化规律,以期作为西北地区垃圾填埋场复合防渗系统的设计参考。

1 试验内容与方法

1. 1 试验材料

GCL产品选用山东建通工程科技有限公司生产的膨润土防水毯,取GCL按一定质量含水率[13]( 25%、50% ) 准备试样进行试验。试样参数如表1 所示。

试验所用土料取自银川市西北约35km镇北堡土样。配置不同级配的宽级配砾质土样5 组,选择其中满足渗透要求( 渗透系数k <10- 5cm / s) 的级配5 砾质土样,含水率取13. 4%,其级配组成如表2 所示。

黏土采用粒径d≤0. 075mm土样,通过液限仪测定土样液限,采用搓条法测定土样塑限,土样物理参数如表3 所示。

1. 2 试验仪器

冻融循环试验采用室内无水分补给试验,试验装置采用FYL-YS-128 冷冻箱和101XB-2 型电热鼓风干燥机相结合。直剪试验采用应变控制式剪切仪。

1. 3 试验方法

受冻融循环影响,天然或固结土的土工特性会发生变化,开裂和 “融沉”是固结土遭受冻融破坏的普遍结果。本次试验采用室内模拟试验,模拟自然界冬季降温过程及来年春天升温过程。降温采用温度保持- 20℃不变,升温采用恒温箱控制温度为20℃ 自然升温,以避免温度变化对后期抗剪强度的影响。为使试样的边界条件与自然条件相似,在试样周围包以保温材料,以防止试样与周围环境的热交换。试样按照所需土量和含水率进行配制,采用轻型击实仪分层击实,压实度达到0. 98。采用环刀取样,环刀尺寸为61. 8mm × 20 mm。并用密封袋密封,防止水分流失。每个冻融循环周期为24h,为了模拟土样季节性冻融交替,使试验过程符合实际情况且便于作对比试验研究,本次试验拟设定冻融循环次数分别为3 次、7 次、12 次。

研究表明,大多数冻融破坏发生在土的融化阶段,尤其是在冻结地基土发生融解时,情况最为严重,故本次剪切试验选择土样融化阶段进行测试。剪切试验采用快剪法,抗剪强度指标实验操作方法参考 《土工实验规程》[14]( SL 237-021-1999) 直接剪切实验进行。采用4 个水平的界面正应力为100k Pa、200k Pa、300k Pa和400k Pa。 按一定剪切速度,使试样在3 ~ 5min破坏,应力无峰值时,按变形控制为15% 时作为最大的偏应力; 同时位移变形量进行到6mm,即应变达20% 时停止试验。

2 试验结果与分析

冻融过程是土体从不稳定态向动态稳定的发展过程,反复冻融循环会改变土体性状,使得土体向新的动态稳定平衡状态发展[15]。在试验过程中,随着冻融循环次数的增加,试样含水量减小,逐渐趋于稳定。针对单因素冻融循环次数,在不补水的情况下,试样采用密封袋密封后,随着温度变化,仍会存在少许水分的流失,对宽级配砾质土、黏土及GCL进行含水量测定,结果如表4、表5 所示。

从表4 及表5 可看出,两种土样的含水率变幅均较小,经历冻融循环后GCL的质量也有下降趋势,这是由于在冻融过程中,由冻结到融化,温度变化引起GCL水分蒸发,致使GCL含水率降低。但含水率变幅均较小,可在本试验中暂不考虑含水量变化对强度的影响[16]。若土样含水率较大时,在剪切过程中易出现泌水现象,使得土体自身强度降低,接触面含水量增大,则应考虑含水量变化对强度的影响[17]。

为了便于分析土样与GCL界面之间的摩擦抗剪特性,采用直剪仪试验结果拟合 σ - τ曲线形式表述,引入抗剪强度指标黏聚力c、内摩擦角 φ 来研究其摩擦界面强度变化,由下式计算:

式中: τ为接触面抗剪强度( k Pa) ; σ 为滑动面上的法向应力( k Pa) ; c为黏聚力( k Pa) ; φ 为内摩擦角( °) 。

由不同界面正应力作用下的抗剪强度绘制试样σ - τ关系曲线如下图1 所示。

图1 ( a) 显示了不同冻融循环次数对质量含水率为25% 的GCL与宽级配砾质土的接触面抗剪强度的影响。从剪应力—正应力关系曲线中可以发现,抗剪强度随着界面正应力的增大而增大,随着冻融循环次数的增加而降低,推断原因为: ①在冻融初期,试样水分流失较多,土样处于不稳定态,随着冻融循环次数的增加,试样中水分受冻融影响在土体内部重新排列组合,导致土样结构发生了变化,强度降低; ②经历多次冻融循环后,GCL质量含水率下降,接触面含水量增加,接触面嵌合力降低,导致强度降低。随着冻融次数逐渐增多,试样达到较稳定状态,强度趋于稳定,冻融循环12 次与冻融循环7 次强度曲线基本重合。

图1 ( b) 显示了不同冻融循环次数对GCL质量含水率为50% 时与宽级配砾质土的接触面抗剪强度的影响。从图中可以看出,随着冻融循环次数的增加,其接触面抗剪强度降低。当正应力为400k Pa时,经历7 次冻融循环后的强度较3 次冻融循环降低了6. 48k Pa。与图1 ( a) 对比可发现,经历相同的冻融循环3 次,当正应力为400k Pa时,质量含水率为50% 的GCL与砾质土接触面的抗剪强度为208. 98k Pa,质量含水率为25% 的GCL与砾质土接触面抗剪强度为220. 32k Pa, 强度增加了11. 34k Pa。数据显示得出,GCL质量含水率对接触面的抗剪强度影响大于冻融循环作用的影响。经过多次冻融后,强度逐渐趋于稳定。

图1 ( c) 、图1 ( d) 为黏土与不同质量含水率的GCL接触面的抗剪强度曲线。比较图1 ( a) 和图1 ( c) 可知,经历3 次冻融循环,当正应力为100k Pa时,黏土+ 25% 含水率的GCL的抗剪强度为 τ= 53. 46k Pa,宽级配砾质土+ 25% 含水率的GCL的抗剪强度为 τ= 63. 18k Pa。由于宽级配砾质土颗粒级配不均,表面摩擦力大,提高了接触面颗粒与GCL的咬合力,增加了接触面强度。由试验结果仍可看出,砾质土与GCL接触面的抗剪强度大于黏土与GCL接触面抗剪强度。

土的黏聚力c和内摩擦角 φ 是决定土体抗剪强度的2 个指标,内摩擦角反映颗粒间的相互移动和咬合作用,而黏聚力则由颗粒间的距离和颗粒间胶结物质的胶结力共同决定。研究冻融循环对黏聚力和内摩擦角的影响,即是了解冻融循环对土体抗剪强度的影响。最终拟合得到宽级配砾质土/黏土与不同含水率的GCL接触面的抗剪强度指标,如表6 所示。

土与结构接触界面的黏聚力主要由土中水对结构表面颗粒间的吸附力提供。由表6 可知,随着冻融循环次数的增加,黏聚力逐渐下降,推断原因为: 随着冻融循环次数的增加,土样中均匀分布的水分由于冻结会析出在土样表面,经融化水分由土样表层向土样中部融化,经历多次冻融循环后,土层表面的水分含量明显高于初始未冻融状态,且土样与GCL接触面的水分含量高于初始情况,在界面正应力的加载作用下,会将GCL中的部分水分挤出,导致接触面水分含量增高,颗粒与GCL之间的胶结力降低,因此黏聚力降低,即冻融循环对黏聚力的影响较大,与试样表面水分的增加和降低有关; 由表6 还可知,反复冻融后,内摩擦角也有降低趋势,但降幅较小,且宽级配砾质土与GCL接触面的内摩擦角明显大于黏土与GCL接触面的内摩擦角。这是因为宽级配砾质土中大粒径颗粒的存在,如角砾、圆砾,其与GCL的嵌合力明显大于黏粒。宽级配砾质土与GCL接触面内摩擦角在27°左右波动,黏土与GCL接触面内摩擦角较稳定在22°左右。随着冻融循环次数的继续增加,内摩擦角值趋于稳定。绘制宽级配砾质土/黏土与质量含水率分别为25% 、50% 的GCL接触面的抗剪强度指标与冻融循环次数的关系,如图2 所示。图2 ( a) 中宽级配砾质土与质量含水率为25%的GCL接触面的黏聚力在经历12次冻融后明显下降,推断原因为: ①选用的GCL在制备过程中水化程度较高,随着冻融循环次数的增加,接触面水分含量增加,胶结程度降低; ②剪切过程中,由于安装时试样有部分破损,导致压实度降低,在竖向加压时剪切发生在了GCL内部,强度降低。

忽略冻融循环引起试样含水量小范围变化对其抗剪强度的影响,黏聚力受冻融循环的影响大于内摩擦角,内摩擦角随着冻融循环的变化比较缓慢,与其接触面粗糙程度有关,在1° ~ 2°范围内变化;黏聚力受土样黏粒含量的影响,黏土与GCL接触面的黏聚力略大于宽级配砾质土,而内摩擦角则相反,黏土与GCL接触面明显小于宽级配砾质土。

3 结论

冻融循环对土样的物理及力学性质的影响,决定着建筑物长期的稳定与安全。通过试验研究宽级配砾质土、黏土分别与不同质量含水率的GCL防渗垫保护层的接触面抗剪强度的变化,分析其界面的摩擦特性。绘制剪应力—正应力关系曲线,获得土样黏聚力和内摩擦角,对试验结果加以分析,得到以下结论。

( 1) 忽略试样含水量变化的影响,在试验剪切过程中未出现明显峰值点,呈现应变硬化型; 宽级配砾质土与GCL接触面的抗剪强度随冻融循环次数的增加而减小。

( 2) 相同冻融温度条件下,GCL质量含水率对接触面抗剪强度作用影响大于冻融循环作用。宽级配砾质土与GCL接触面的抗剪强度随GCL质量含水率的增大而减小。

( 3) 随着冻融循环次数的增加,宽级配砾质土/ 黏土与GCL接触面的黏聚力逐渐下降,内摩擦角有降低趋势,但降幅较小。

冻融循环作用下岩石的损伤研究 篇5

本文将采自中巴公路的三种岩性(花岗岩、砂岩、千枚岩)分为干燥和饱水两大类来进行试验。用来模拟自然条件下不同情况条件下研究冻融循环作用对岩石的物理化学性质的影响。实验总共分为三种情况,工况1置于常温下饱水解冻,工况2置于40℃水温下饱水解冻,工况3置于电风扇下解冻,本次试验共进行100次冻融循环试验。

1 试验制备、所需仪器以及试验步骤

1.1 试样制备

试样的制备是委托成都理工大学国家重点实验室用水钻法钻取标准岩样,岩样的标准都是Φ50×100 mm。

1.2 试验所需仪器

本次试验中主要的仪器有冰箱、电子称、游标卡尺、烘箱、超声波检测仪、X粉晶衍射仪。

(1)岩石的冻融循环试验使用的是海尔医用低温保存冰箱,型号是DW—40W255,温度可以达到-40℃,输入功率410 W。

(2)测量横波波速的仪器武汉岩土力学研究所研究生产的超声波检测仪,型号为FDP204—SW的无损检测仪,量测精确度是±0.01 m/s。

试验中所采用的电子称是上海卓精电子科技有限公司生产的BSM5200.2,精度是±0.01 g,量程是5 200 g。

烘箱的温度控制仪的温度控制范围在0~120℃。

1.3 试验的步骤

将切割好的三种岩样,分别测量岩样直径、高度、质量,利用超声波检测仪测量纵波波速,选择纵波波速相近的岩样。共选取27个岩样,。每种岩样分别分为3组,(工况1、工况2、工况3),记录下岩样的初始质量、纵波波速。干密度、天然含水率(表1)等物理性质,然后放入烘箱(温度为105℃)中48 h直至恒重,测量岩样干燥质量,记录岩样初始含水率。随后将试件在真空状态下强制饱水,每次的加水量分别是岩样的1/4,1/2,3/4,最后全部淹没过岩样,每次间隔加水的时间是2 h,目的是尽可能排除试件中的空气使其充分饱和。浸泡48 h后测量饱水的质量。最后将分类好的岩样进行冻融循环试验,试验的最低温度是-20℃,冰冻的时间是6 h,解冻的时间也是6 h(12 h一个冻融循环周期循环)。每10次循环,用超声波检测仪测量解冻后岩样的纵波波速,分别测量岩样的干燥质量,饱水质量,计算吸水率。

2 实验结果及其分析

2.1 波速变化分析

超声波在不同的介质中会有不同的传播速度,众所周知,声波在空气中的传播速度是340 m/s,而在水中则是1 300 m/s左右,超声波的无损检测可以很大程度上说明试样内部裂隙的发育程度、岩石的致密程度以及岩石内部的损伤程度。记录下每10次循环解冻波速(图1~图3)。

影响波速的主要因素有:裂隙的数目,裂隙的宽度,裂隙的充填物及充填程度,岩体的吸水率,岩体的各项异性,裂隙的展布方向等。所以裂隙的数目,宽度,充填程度是影响波速的主要因素。岩石裂隙发育程度的指标很多,一般采用空隙度、吸水率、饱水率、饱水系数等。空隙又分为开启空隙和封闭空隙。所以本次试验用波速很大程度上能够代表空隙度的大小。

从图1~图3可以看见,花岗岩、千枚岩、砂岩、在前面的几次冻融循环试验中波速都有一个上升的趋势,可以认为水进入岩石的裂隙中,从而排除岩石中的空气,波速增大。花岗岩在2~20次冻融循环过程中波速明显下降。工况3花岗岩在以后的冻融循环过程中趋于稳定、工况1花岗岩在20~60次冻融循环过程中趋于稳定,在60次循环后波速有所上升、工况2花岗岩在循环过程中整体呈现下降趋势。可以认为温度在花岗岩的冻融循环过程中有非常大的影响。工况1千枚岩在40次冻融循环以前,波速上升,此后,波速不断降低、工况2千枚岩波速20~40次循环过程中波速上升,第40~70次波速下降,最后波速略有回升逐渐趋于水平、工况3千枚岩呈现稳步下降的趋势。工况1、2砂岩波速先上升而后急速下降,且工况2下降幅度大于工况1,工况3砂岩波速缓慢下降。可以认为温度是岩石在冻融循环过程中的一个重要因素,相同条件的情况下温度差越大,岩石作为热的不良导体,裂隙越发育。在冻融循环过程中不仅由于在冻胀力的作用下裂隙会进一步张开,而且还伴随着微裂隙的闭合,裂隙的张开和闭合在不同时间段,不同情况下占据着不同的优势,这就是为什么岩石有的时候波速上升,有的时候波速下降。此外,波速的下降还有一个原因是水对岩石颗粒之间的连接力有一个软化作用,尤其是在砂岩中表现的尤为明显。从岩样的波速拟合曲线来看,在冻融循环的整个过程中,岩样的波速都是呈现整体下降的趋势。这意味着在冻融循环实验时,岩样内部的裂隙整体呈现出发育的趋势。

2.2 质量变化分析

从图4~图6可以看出三种岩类随着冻融循环次数的增加质量变化情况,三种岩性的质量都是随着冻融循环次数的增多渐渐减少,花岗岩的最大质量变化率是0.23%,质量减少0.9 g,千枚岩最大质量变化率是0.26%,质量减少1.37 g,砂岩的最大质量变化率是1.2%,质量减少5.26 g。砂岩,花岗岩,千枚岩的质量都有所降低,但是砂岩减少的最大。可以认为一方面随着冻融循环次数的增减,越来越多的水进入岩石裂隙中,冻胀力不断的增大,一方面是由于水对岩石颗粒间的软化作用。当冻胀力大于颗粒间的连接力时,颗粒不断的从岩石中脱落,质量就不断的减少。试验所用的花岗岩、千枚岩都是比较致密的岩石,岩石中的裂隙比较少,所以产生的冻胀力比较小,砂岩属于软质岩石,裂隙较千枚岩以及花岗岩发育,所以质量减少的最多。

2.3 吸水率变化分析

岩石的吸水性在很大的程度上可以反映岩石孔隙体积的多少,尤其是含黏土矿物比较少的岩石,因此试验也测量了岩石经过冻融循环之后需的吸水率的多少从而判别岩石在冻融循环作用下孔隙的发展情况。

岩石的吸水率变化包含以下几个因素:

(1)微裂隙的闭合与水的迁移,在冻融循环过程中,由于水变成冰会产生约9%的体积变化,宏观裂隙中的水的冻结就会使得周边的微裂隙闭合,而微裂隙中的水分就会排出或者向着宏观裂隙迁移,而根据相关强度理论,只有当拉应力超过材料的抗拉强度时,裂纹就会扩展。当岩石经过冻融循环时,所产生的冻胀力就相当于拉应力。

(2)少许部分的水进入矿物中,或者使得矿物发生相应的物理或者是化学变化。从图7~图9可以看出除去工况三砂岩外,其他的岩样在冻融循环的作用下几乎都是先呈现下降的趋势,而后呈现出上升的趋势,原因就是在冻融初期,冻胀力的大小小于岩石的抗拉强度,当水进入岩体裂隙中时,在裂隙水发生冻胀作用的效果之下,不仅发生有随着冻胀力的增大裂隙逐渐发育甚至贯通,而且还存在着随着冻胀力的作用,周边的微裂隙都呈现处被挤密压实的情况,所以当冻胀力的大小超过抗拉强度时,裂隙就随之发展,当时当冻胀力小于抗拉强度时,由于挤密作用,吸水率就是呈现出减少的现象,所以在冻融初期吸水率先减少,但是随着冻融循环次数的进一步增加,岩石损伤越来越大,当超过岩石的抗拉强度时,裂隙进一步发展,所以吸水率不断上升。但是工况三砂岩呈现出一个相反的趋势,原因可能是,在整个冻融循环期间,既有微裂隙的闭合,也有裂隙的张开,在冻融循环初期,裂隙的张开程度大于裂隙的闭合程度,随着冻融循环次数的增加,裂隙的扩展越来越慢,但是微小裂隙的闭合程度在不断的增加,当闭合增加速度大于扩张的速度是,表现为含水率的下降。

3 X粉晶衍射试验

3.1 试验步骤

首先在选取花岗岩,千枚岩,砂岩试件各三个,然后在试件上分别取三小块类似的敲碎的小石块,然后放到碾磨机上进行碾磨处理,将碾磨好的粉末放置在玻璃片上,放入X射线衍射仪器上,同时开动电脑,记录下试验的衍射图形。

3.2 图形解析

X射线粉晶衍射试验中,组成物质的各种相有其特别的晶体结构,所以有各自的衍射花样特征(衍射线的位置和强度),对于多相物质就是简单的各相物质图形的叠加,因此可以从其图形确定所含有的矿物,衍射强度又分为绝对强度和相对强度,绝对强度是表示能够吸收的能量的大小,没有什么实用意义,相对强度是同一图形强度的比值,如果是两个不同的图形,就不能相互比较。将物相的衍射花样特征(位置和强度)用d(晶面间距)和I(衍射相对强度)数据组表现制成相应的物相衍射数据卡片(PDF卡片)通过试样的d和I与PDF卡片进行对比,就可以知道所含有的物质和矿物。

可以看出在不同状态(工况1天然状态下,2干燥冻融循环,3饱水冻融循环)下试验后所得到的图形的差异。花岗岩所含有的矿物主要成分是石英,长石,黏土(伊利石),从花岗岩的衍射矿物图在箭头左处对黏土矿物晶面的衍射强度有较明显的影响,工况3在箭头1处的衍射强度值发生变化,较工况1、2都有所减缓。证实了在冻融循环作用下,会对物质的矿物晶格或者是晶面产生破坏。在箭头右处,工况1、2之间只有一个波峰,而工况3有两个波峰,经过与PDF卡片之后的对比发现存在钾长石向着斜长石方向的转变,从而证明了前面水进入矿物当中的猜测,水的进入促进了矿物之间的转变,发生了相关的物理化学变化。千枚岩的主要矿物成分是伊利石、绿泥石、石英、少许长石。砂岩的主要成分是石英、长石、以及少量的黏土矿物(绿泥石)而在千枚岩和砂岩中,只是强度有所变化,并没有发现物质转变。影响强度的因素有多重性因子(等晶面的不同)、吸收因子(样品对X光的吸收)、温度因子、样品表面的氧化物、硫化物等都会导致强度的改变。

4 结论

本文在模拟不同工况下对性质相近的不同的三种岩石进行了物理模拟实验分别从波速、质量、吸水率的变化分析冻融循环作用对岩石的损伤,可得到以下结论

(1)随着冻融循环次数的增加,波速都是呈现出先上升后下降的趋势,上升的原因是水进代替了原来的空气,下降是因为,随着冻融循环次数的增加岩石内部不可避免的会产生损伤。

(2)随着冻融循环次数的增加,岩石的质量呈现不断减小的趋势,尤其是在砂岩中表现的最为明显,由于水进入岩石孔隙当中,水弱化了颗粒间的连接力,所以就有颗粒不断的剥落,从而质量不断的减少。

(3)随着循环次数的增加,波速整体呈现出先下降后上升的趋势,在冻融循环时,不仅有着裂隙的扩张,也有着裂隙的闭合,当扩张速度大于闭合速度时,表现为吸水率增加,反之,则减少。

(4)在冻融循环过程的作用下,不仅仅受到物理风化的作用,不同岩石还受到不同程度的化学风化的作用。

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冻融循环试验 篇6

混凝土材料性质的变化必然会对混凝土结构构件产生一系列的影响,本文按照现行的《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)中的快冻法对普通混凝土梁式试件进行快速冻融循环试验,得到了混凝土梁式构件在冻融循环后承载能力退化的相关规律。

1 试验过程

1.1 试件尺寸及主要参数

试验试件设计为钢筋混凝土适筋梁。梁截面尺寸为100 mm×100 mm,梁长500 mm,其中计算跨度400 mm,深入支座部分两端各50 mm。混凝土强度等级采用C30,梁截面的底部纵向受力主筋采用2Φ8=101 mm2,架立筋及箍筋采用2Φ6=57 mm2,保护层厚度为c=15mm,受拉区钢筋的最小配筋率为ρ=1.25%≥ρmin,截面布置及配筋如图1。

1.2 冻融过程

冻融循环试验为快冻法,采用天津市惠达实验仪器厂生产的TDRF-I型混凝土快速冻融试验装置。试验按照如下步骤进行:

1)试验前4 d,把冻融试件从养护地点取出,进行外观检查,随后放在(20±2)℃水中浸泡,冻融试件浸泡4 d后进行冻融试验。

2)浸泡完毕后,取出试件,用湿布擦除表面水分、称重、按编号置入橡胶试件桶,放入冷冻箱开始冻融试验。

3)每次冻融循环在(2～4) h内完成,其中用于融化的时间不小于整个冻融时间的1/4。在冻结和融化终了时,试件中心温度分别控制在(-18±2)℃和(5±2)℃。每块试件从3℃降至-16℃所用的时间不少于冻结时间的1/2。每块试件从-16℃升至3℃所用的时间也不少于整个融化时间的1/2,试件内外的温差不超过28℃。冻和融之间的转换时间为10 min。冷冻箱(室)内温度均以其中心处温度为准。

4)每隔25次冻融循环即对冻融试件进行外观检查、称重,如试件的平均失重率超过5%,即可停止其冻融循环试验。混凝土试件冻融后的失重率按式(1)计算:

式中,ΔWn为N次冻融循环后试件的失重率,以3个试件的平均值计算(%);G0为冻融循环试验前的试件重量(kg);Gn为N次冻融循环后的试件重量(kg)。

2 试验结果分析

2.1 质量损失与承载力分析

试验质量损失率与冻融循环次数的关系如图2。混凝土梁经过50次冻融循环后,质量变化不明显。随着冻融循环次数的增加,试块表面开始剥落,并越来越严重,开始出现少量的边角掉落,质量开始不断减少,质量损失速率也逐步增加。

梁的抗弯性能试验采用四分点加载方案,使梁跨中1/3部分为纯弯段。静载试验结果见表1。可以看出,冻融循环作用下梁的屈服荷载和极限荷载都随着冻融循环次数的增加而降低。其中冻融循环90次的梁的屈服荷载比未冻融的降低了10.1%,冻融循环180次的梁的屈服荷载比未冻融的降低了14.3%。冻融循环90次和180次的梁极限荷载比未冻融的梁的极限荷载分别降低了7.3%和12.4%。冻融后梁的承载能力下降的主要原因是冻融循环作用对钢筋混凝土梁的受压区混凝土造成损伤,降低了混凝土的抗压强度,同时冻融循环作用也破坏了受拉区混凝土和钢筋的胶着力和握裹力,影响了钢筋与混凝土的粘结作用。

2.2 跨中截面混凝土应变分析

梁跨中截面混凝土应变近似的呈线性变化,因此基本符合平截面假定(图3)。由于冻融循环的劣化作用使梁薄弱部位产生微小裂缝,在加载过程中有所发展,导致一部分梁混凝土应变有所滑移。跨中截面最大混凝土压应变变化曲线见图4。

可以看出相同荷载作用下,梁跨中截面混凝土最大压应变随着冻融循环次数的增加而增加。主要是由于冻融循环作用降低了混凝土的轴心抗压强度和弹性模量,使相同受力状态下混凝土的应变大大增加。另一方面,冻融循环作用也降低了受拉区混凝土的抗拉强度和钢筋与混凝土之间的粘结力,导致中和轴上移,加大了受压混凝土的应变值。

2.3 荷载挠度曲线分析

不同冻融循环次数梁的荷载-挠度曲线如图5所示。在荷载较小的初始阶段,挠度与荷载基本保持线性关系,也就是说明梁处于弹性工作状态。当荷载大于60 kN时,梁的整体状态进入非线性阶段。随着荷载逐渐增加,曲线的曲率也逐渐增大,表现出塑性特性。随着冻融循环次数增加,荷载挠度曲线接近于水平线,表明在荷载增加不多的情况下,挠度仍有较大的发展,当挠度达到1/50倍计算跨度时,即宣告试件破坏。

不同荷载对应的挠度随冻融次数变化见图6。可以看出,随着冻融循环次数的增加,相同荷载条件下梁的挠度呈上升趋势,这主要是由于冻融循环作用下梁的受压区混凝土抗压强度和受拉区混凝土的抗拉强度逐渐下降,致使梁开裂较早,中和轴不断上移,使梁挠度大幅增加。在荷载为60 kN时,冻融循环90次和180次的梁的挠度分别比未冻融时增加了1.9倍和3.3倍。而梁的刚度与挠度呈反比,即随着冻融循环次数的增加梁的刚度会下降。

3 冻融后抗弯承载力计算模型

受弯构件截面到达极限状态时混凝土受压区的应力应变关系为曲线分布。哈尔滨工业大学王宏伟在已有的试验资料基础上拟合出冻融环境下式(2)的混凝土的应力-应变关系曲线[8]。

考虑冻融环境下混凝土本构关系中峰值应力、峰值应变、极限压应变随冻融循环次数变化的关系,将实际受压区曲线应力图与等效矩形应力图进行对比分析,得出了考虑冻融循环作用的等效应力图的特征系数αN、βN的计算公式,在此基础上建立了冻融环境下的梁的抗弯承载力模型,见式(6)、(7)。

利用上述公式进行本试验的抗弯承载力计算,并将试验值与计算值进行对比,见表2。可见试验值与计算值基本吻合。说明式文献[8]的计算方法具有可靠的精度。

4 结论

对快速冻融循环的钢筋混凝土试件梁进行了抗弯性能试验,并对试验结果进行了分析,得到了以下结论:

1)混凝土梁经过50次冻融循环后,质量变化不明显。随着冻融循环次数的增加,质量损失速率逐渐增加。冻融循环作用下梁的屈服荷载和极限荷载都随着冻融循环次数的增加而降低。

2)通过对试验梁荷载挠度曲线的分析,随着冻融次数的增大,相同荷载下梁的挠度明显增大,梁的刚度逐渐减小。

3)通过对已有冻融循环作用下混凝土梁抗弯承载力计算模型的分析,选择了冻融循环作用下钢筋混凝土梁抗弯承载力计算公式,计算值与实测值基本吻合。

参考文献

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[2]牛荻涛,肖前慧.混凝土冻融损伤特性分析及寿命预测[J].西安建筑科技大学学报,2010,42(3):319-322

[3]邹超英,赵娟,梁锋,等.冻融作用后混凝土力学性能的衰减规律[J].建筑结构学报,2008,29(1):117-123

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[7]程红强,张雷顺,李平先.冻融对混凝土强度的影响[J].河南科学,2003,21(2):214-216

冻融循环试验 篇7

严寒地区的混凝土工程,尤其是处于冻融环境下的混凝土结构,由于混凝土冻融破坏造成结构内部不同程度的损伤,较大程度上影响了混凝土结构的使用寿命及安全。 许多混凝土结构因冻融破坏而提前失效,未能达到预期的设计使用年限,从而造成了无法估量的经济损失。 因此,对混凝土结构物抗冻融性能的分析和研究具有较大的经济意义和现实意义。

目前,国内外研究人员对混凝土冻融循环后试件的抗冻性能以及结构的寿命预测相关研究比较集中[1,2,3,4,5],但对纤维混凝土冻融损伤的规律和模型研究尚少。 因此,本文通过两种纤维混凝土进行了快速冻融循环试验,同时结合损伤理论,分析了纤维混凝土冻融损伤破坏的机理,建立了相应的纤维混凝土冻融损伤模型,研究成果可对冻融循环作用下混凝土的损伤程度进行预测和评估。

1 试验方案

1.1 原材料及配合比

本试验纤维混凝土的设计强度等级为C30。

水泥:P·O 32.5级普通硅酸盐水泥。

细骨料:级配良好的中砂,细度模数为3.0,含泥量小于2%。

粗骨料:天然碎石,粒径5~20mm。

外加剂:FDN-2型高效减水剂。

钢纤维:武汉某公司生产的多锚点钢纤维。

聚丙烯纤维:美国产杜拉纤维。

本试验所用二种纤维的主要性能参数见表1;C30 纤维混凝土配合比见表2。

1.2 试件的制备

本试验采用强制式搅拌机,纤维混凝土的拌制工艺流程为:依次加入砂、石、水泥,干拌约30s,再加入钢纤维或聚丙烯纤维干拌30s, 然后倒90%的水湿拌30s, 最后加入减水剂和剩余的10%的水再次湿拌1~2min。

kg/m3

将搅拌好的混合料装入钢模,然后把模具放在振动台上振捣1min左右, 直到试件的表面有浮浆时停止振捣。 将试件养护24h左右后拆掉模板,拆模之后放入养护室进行养护,养护温度(20±2)℃,相对湿度95%以上。

1.3 冻融试验

根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的快冻法,在TDRF-1AF型混凝土快速冻融试验机上进行试验, 试件采用100mm×100mm×400mm的棱柱体,根据不同比例的纤维掺量分成三组,每组3 个试件。 进行快速冻融试验之前应把试件放入水中浸泡,冻融试验时试件均应处在饱和水状态,同时,其中心温度应控制在(-19±2)℃和(6±2)℃,每次冻融循环的时间为2~4h。 试件在冻融循环前测定其质量和动弹性模量的初始值。 每冻融循环25 次再测各试件的质量以及动弹性模量,同时观察并记录对应冻融次数试件的损伤情况。

2 试验现象及结果分析

将三组试件按照相应的标准要求进行200 次冻融循环试验,试验测得的各组质量损失率和动弹性模量数据见表3。

在冻融循环作用下,混凝土本身的一些特性就会发生改变。 试验中观察到试件相继出现表面剥落以及开裂等现象。

从表3 可以看出,在冻融循环初期,试件的质量损失率很低,甚至出现混凝土质量损失率为负值的现象。 这是由于刚开始冻融循环时,混凝土试件内部有一些微裂缝, 随着冻融循环作用的不断破坏,这些初期形成的微裂缝便会逐渐扩展,同时,试件在水中不断吸水并且达到饱和状态,其增加的质量超过了试件因冻融循环作用剥落的表层混凝土的质量。

从总体来看,随着冻融次数的增加,试件的质量损失率都随之增加。 随着循环次数的增加,试件的冻融损伤不断累积,可以利用动弹性模量定义损伤度D来描述混凝土试件内部的损伤劣化程度,见式(1)。

式中:Ed′ 、Ed分别表示冻融循环后试件的动弹性模量和未冻融试件的动弹性模量。

利用试验测得的动弹性模量值描绘出混凝土冻融损伤度和冻融循环次数的关系曲线,如图1 所示。 从图1 可以看出,随着冻融循环的次数增加,各组混凝土试件的损伤程度变化趋势都是不断变大,但普通混凝土的冻融损伤度为最大,两组掺入纤维的试验组,其冻融损伤程度均小于普通素混凝土试验组。

由图1 还可以看到,第三组PF(聚丙烯纤维体积掺量为0.1%)的曲线一直位于其余两组曲线的下方,说明在相同冻融循环次数下,该组混凝土的冻融损伤度最小。 也就是说,在本次试验中,掺加聚丙烯纤维的混凝土抗冻融性能最优。

3 纤维混凝土冻融损伤机理分析

纤维混凝土的冻融损伤可以看成是一种低周期的疲劳损伤[6], 国内外目前比较有代表性的冻融损伤破坏机理有:静水压理论、渗透理论、水的离析成层理论、充水系数理论、孔结构理论以及临界饱水值理论等六大理论[7]。

混凝土的冻融损伤破坏实际上是处于饱和水状态的混凝土在正负温度循环作用下的物理过程。此过程中,混凝土内部产生的复杂应力导致结构最终的破坏。 温度下降时混凝土体积微元加载,当温度下降至最低时应力最大;温度上升时混凝土体积微元进行卸载,温度上升至最高时应力最小。 实际上在混凝土试验前, 已存在大量的初始微裂缝,冻融循环过程就是对混凝土结构反复地加载、 卸载,使这些初始微裂缝不断扩展,一些裂缝扩展到相互连通成为不稳定的裂缝;同时,结构内部的体积微元解体,最终导致混凝土破坏。 当掺入钢纤维或聚丙烯纤维后,虽然纤维掺量不高,但纤维处于乱向分布状态,纤维与浆体相互黏结在一起,能起到较好的约束作用,使得混凝土结构变得密实,有效抑制了初始微裂缝的扩展和新裂缝的形成。

聚丙烯纤维在混凝土中能起到引气剂作用[8],增加了混凝土的含气量, 减少了不利的大孔数量,改善了混凝土的孔隙结构,从而减小了冻融时的冻胀压力,提高了混凝土的抗冻融性。

4 基于动弹性模量衰减的纤维混凝土冻融损伤模型研究

根据文献[9-11]的研究,对表3 的试验数据进行拟合,建立了二次多项式型的纤维混凝土冻融损伤模型:E=a N2+b N+c(N为冻融循环次数)和指数型的纤维混凝土冻融损伤模型:E=aeb N(N为冻融循环次数)。

4.1 二次多项式型

式(2)、式(3)、式(4)依次为普通素混凝土、聚丙烯纤维混凝土以及钢纤维混凝土的二次多项式型混凝土冻融损伤模型,采用二次多项式对三组试验得出的数据结果进行拟合, 得到决定系数分别为:0.986、0.986、0.991。

4.2 指数型

式(5)、式(6)、式(7)依次为指数型普通素混凝土、聚丙烯纤维混凝土以及钢纤维混凝土的冻融损伤模型, 利用指数函数拟合得到各决定系数分别为:0.959、0.965、0.960。

图2、 图3 和图4 分别为二次多项式模型和指数函数模型的实际值和拟合值的对比图。 对比分析两种模型得出的决定系数可以明显看出:以二次多项式建立的混凝土冻融衰减模型的拟合精度高于指数函数建立的混凝土冻融损伤模型。 并且二次多项式建立的冻融损伤模型的精度均在0.985 以上,可以较好地预测不同种类纤维混凝土的冻融损伤程度。

5 结论

(1) 各试验组试件在冻融循环作用下, 混凝土试件的损伤不断地累积。 从总体上来看,随着冻融循环的次数增加,各组混凝土试件的质量损失率均不断增大,相对动弹性模量不断减小,冻融损伤度不断增大。

(2) 根据损伤度的定义判断混凝土抗冻融性,在相同的冻融循环次数下,掺加了钢纤维的混凝土抗冻融性优于普通混凝土,而掺入聚丙烯纤维的混凝土抗冻性优于钢纤维混凝土。

(3) 根据试验结果分析进行拟合, 以二次多项式建立的冻融损伤模型的精度明显高于指数函数建立的冻融损伤模型,且决定系数均高于0.985,即以二次多项式建立的冻融损伤模型能较好地反映纤维混凝土的损伤规律。

参考文献

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[8]刘卫东,苏文悌,王依民.冻融循环作用下纤维混凝土的损伤模型研究[J].建筑结构学报,2008,29(1):124-128.

[9]罗昕,卫军.冻融条件下混凝土损伤演变与强度相关性研究[J].华中科技大学学报:自然科学版,2006,34(1):98-100.

[10]刘崇熙,汪在芹.坝工混凝土耐久寿命的衰变规律[J].长江科学院院报,2000,17(2):18-22.

冻融循环试验 篇8

通过对大理岩和砂岩分为干燥以及饱和两组试样进行循环冻融实验模拟岩石风化作用, 共经过50次的冻融循环, 没循环10次测量岩石的试样, 同时利用NM4B非金属超声测量分析仪对试样进行超声波无损检测。根据质量的变化以及纵波波速的变化归纳出了岩石在受到循环冻融后物理性质的变化。

1 循环冻融实验概况

循环冻融实验的岩石试样直径在50mm, 高度为100m m, 有大理岩试样10个, 砂岩试样20个。实验中所用的仪器包括冷冻机、电热鼓风干燥箱、电子天平以及超声检验仪器。

2 试验步骤与方法

通过大理岩和砂岩分为两组, 每组砂岩数量为10个, 大理岩为5个。一组称为干燥组, 一组为饱水组, 将岩石试样放入105℃-110℃的烘箱中, 持续烘烤24h, 而后将岩样取出, 放入干燥器内冷却至室内温度, 而后进行第一次测量。首先测量岩样质量, 而后进行超声波的无损检测。饱水组的岩石样本在常温中浸泡48h, 使其吸水饱和, 而后取出测量岩样质量并超声波检测。其次对所有岩样在-20℃的低温箱中放置18h, 而后再取出放在50℃电热鼓风干燥箱中6h作为一个循环总共应进行50次循环, 每进行10次循环则测量岩石质量, 并经过超声波无损检测。

在20次循环冻融后取出4块岩样做单轴抗压强度试验, 在40次循环冻融实验后取出8块岩样进行单轴抗压强度实验。

3 循环冻融试验结果分析

3.1 岩样的基本物理性质

未试验前的大理岩以及砂岩试样的基本物理性质如表1所示:

3.2 岩样质量指标

试验后, 通过将冻融前后的质量进行比较, 从而明确了冻融前后的质量变化状况。经过循环冻融试验后, 饱水大理岩以及饱水砂岩质量都呈现了下降的趋势, 但饱水大理岩下降率相对较低, 保持在0.08%以下, 饱水砂岩的下降率为0.1-1.0%, 干燥大理岩的质量保持上升, 但上升率都小于0.03%, 干燥砂岩的质量则并不稳定, 呈现升降交替的变化趋势。但其升降率除了S D-3, S D-10外, 变化率都小于0.02%。所有的岩样在冻融后并未破碎, 只有SW-1有碎块剥落, 而根据砂岩试样的饱水率大幅度高于大理岩, 可推断出, 砂岩的质量损失并不是固体物质的损失, 而是在循环冻融试验过程中导致岩石试样内部水分蒸发而形成的剥落。干燥大理岩和部分砂岩质量的上升则可认为在循环冻融过程中吸收了空气中的少量水分而导致质量上升。S D-3, S D-10的质量变化则在很大程度上由于岩样碎屑的剥落。

3 超声纵波测试

超声波在空气中以300m/s的速度传输, 而在水中则以1300-1400m/s, 虽然超声波在不同岩石中具有不同的传输速率, 但其在岩石中的传输速率将远远大于在水中的传输速率。其原因在于岩石的密度远远大于水的密度。通过对超声检测仪得出的岩石试样纵波波形图, 从而分析大理岩以及砂岩在经过循环冻融测试后的物理特性。

根据检测可知, 泡水后的大理岩纵波波速普遍增大, 而泡水后的砂岩纵波波速则普遍减小。在水中的波速大于空气中的传播速度。大理岩的传播速度上升可认为大理岩泡水后, 水分子填充了岩石的部分孔隙, 从而使岩石试样的密度增加。即使水物质对岩石试样具有软化作用, 但大理岩颗粒之间的联结较强, 水的软化作用对大理岩的影响极小。砂岩试样的纵波波速下降则是由于泡水后, 水的软化作用下岩石试样颗粒之间的联结减弱, 使岩石试样的致密程度下降, 随着行波阻力以及时间的增加而波速减小。

通过对岩石试样在经过10次循环冻融后纵波波速于冻融前纵波波速对比, 个别岩石样本在冻融后波速上升是由于吸收了空气中的水分。由此应剔除波速上升的数据。从岩石试样冻融10次循环试验后可看出, 大部分的岩石样的纵波波速都有一定程度的下降, 饱水大理岩以及饱水砂岩的波速均得到了下降, 但饱水大理岩的下降服务较为平均, 下降幅度较小, 而砂岩岩样的波速下降则呈现出不同的特点。

岩石试样的致密程度下降可归因于, 首先, 岩石样本中的水分丧失而导致部分岩石孔隙被空气填充, 其次, 岩石试样内部的微裂缝以及孔隙在泡水后扩展, 导致岩石试样的密度减小。而干燥岩的开口孔隙中的水分已基本被烘干, 水分丧失并不是岩样致密度下降的主要原因。主要原因应是在循环冻融过程中温度变化而导致岩石试样内部的温度差异, 产生的温差导致岩石样本内部微裂隙以及孔隙扩展。

通过将干燥岩石试样与饱水岩石试样的比较, 可以了解到, 对于大理岩来说, 饱水岩样的纵波波速下降率高于干燥岩样。由此可知, 在循环冻融试验中, 水分对岩石内部的破坏作用十分明显。冻融试验中由于温度的交替变化, 岩石也随之膨胀收缩。裂隙扩展是岩石样本纵波波速下降的主要原因。循环冻融试验中, 水形态的变化也是导致岩样膨胀收缩。岩石样本中水分的存在导致在低温状况下水分子凝结为冰晶, 对岩样产生了影响和作用。由此可知, 水在冻融试验中是十分重要的因素, 同时也是较为活跃的因素。对于砂岩来说, 情况则相反, 饱水岩样的波速下降率小于干燥岩样。少数岩样甚至出现纵波波速上升现象, 这是由于泡水前后, 砂岩波速下降, 饱水砂岩在泡水后产生一定程度的劣化, 由此循环冻融条件对饱水砂岩的破坏程度相对与干燥砂岩要低。

摘要：新鲜岩石于风化岩石在力学性质上有着较大的区别, 岩石的风化程度较深时, 其力学性质将明显下降。温度变化是引起岩石风化的重要原因, 通过对岩石的循环冻融实验, 分析了岩石的物理特性, 归纳出了岩石的物理特性受循环冻融实验的影响特点。

关键词：循环冻融,岩石,物理特性,实践

参考文献

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