冻融环境

冻融环境（精选9篇）

冻融环境 篇1

采用BFRP加固后的结构在使用的过程中, 不仅承受着外部荷载的作用, 还要经受温度、湿度、冻融循环、化学介质或其他恶劣使用环境等的考验[1,2], 这些因素都会影响加固效果和耐久性。加固材料的耐久性对于加固的长期效果至关重要。本文采用快速试验的方法, 研究冻融环境下, 玄武岩纤维片材抗拉强度、弹性模量、伸长率等主要的力学性能指标随冻融循环次数的变化, 为BFRP材料在工程中应用提供参数。

1 试验材料与试件制备

1.1 试验材料

试验采用的玄武岩纤维是国产玄武岩纤维, 玄武岩纤维布的基本力学性能指标见表1 所示。

1.2 试验环境

冻融循环试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》[3] (GBT50082-2009) 中抗冻性能试验的快冻法进行, 每次循环时间是3h, 控制中心温度分别在:-17±2℃和8±2℃。

1.3 试样设计与制作

本次试验的试件共分为三组, 每组5 个试件, 具体分组见表2 所示。玄武岩片材拉伸试件的设计制作按照《结构加固修复用碳纤维片材》 (JG/T16-2004) , 该试验方法中试件的形状和尺寸如下图1 所示。

说明:B表示玄武岩纤维片材 (BFRP) ;D表示冻融, 后面数字表示冻融循环次数。

2 试验方法与测试内容

2.1 试验方法

试验是在力学试验室WDW-100 型微机控制电子万能试验机上进行的。试验采用连续加载, 加载方式如图2所示。按照《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》 (CECS146:2003) [4] 的方法, 在电子万能试验机上进行拉伸试验, 加载速率为1 ~ 6mm/min。

2.2 测试内容

本文测定玄武岩纤维的抗拉强度、弹性模量、伸长率、最大破坏荷载, 记录破坏形式。

3 试验结果分析

试验的主要结果有BFRP抗拉强度、延伸率、弹性模量。通过试验观察片材的断裂处所在的位置, 决定该组数据是否有效。若断裂面处于工作段内, 则数据有效;若断裂面处于工作段外, 则数据无效。试验得到的抗拉强度、弹性模量以及最大延伸率见表3。

说明:表中括号数值表示五个数据中最大值或最小值与平均值的差值。

在试验的过程中, 经过冻融循环的试件与对比试件相比, 受拉时并没有表现脆性增强的迹象, 这说明冻融循环对BFRP片材的破坏形态没有明显影响。由表3 可知冻融循环对BFRP弹性模量基本无影响。

由玄武岩纤维布的相对抗拉强度随冻融循环次数变化的曲线图3 可以看到, 冻融50 次后玄武岩纤维的极限抗拉强度有所下降, 冻融100 次后, 玄武岩纤维的极限抗拉强度进一步降低, 降低幅度为9.5%。

从相对延伸率随冻融循环次数的变化曲线 (图4) 可以得出, 相对延伸率曲线的变化趋势与玄武岩纤维抗拉强度随冻融循环次数曲线的变化趋势相同, 随冻融循环次数的增加, 延伸率降低, 冻融100 次后, 玄武岩纤维布相对延伸率下降幅度17.2%。

4 结语

BFRP经过冻融循环, 其极限抗拉强度和延伸率都有一定程度的下降, 弹性模量基本上没有影响。

本文研究了冻融环境这一单一条件对玄武岩纤维力学性能影响。BFRP实际使用是在复杂多变的具有多种因素共同作用的自然环境中工作的。同时, 通过快速试验研究的结果能否代替BFRP在真实自然环境作用下的耐久性还有待进一步研究。

摘要：加固材料的耐久性对于加固混凝土结构的长期效果至关重要。本文采用玄武岩纤维布和环氧树脂做成的BFRB条状试样, 采用快速试验的方法, 研究冻融环境下, 玄武岩纤维片材抗拉强度、弹性模量、伸长率等主要的力学性能指标随冻融循环次数的变化, 为BFRP材料在工程中应用提供数据支持。

关键词：玄武岩纤维,抗拉强度,弹性模量

参考文献

[1]石钱华.国外连续玄武岩纤维的发展及其应用[J].玻璃纤维, 2004 (4) :27-31

[2]杨勇新, 杨盟, 赵颜, 廉杰.玄武岩纤维布的耐久性试验研究[J].工业建筑, 2007, 37 (6) :11-13

[3]《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》 (GBT50082-2009) [S].北京:中国建筑工业出版社, 2009.

[4]中国工程建设标准化协会.碳纤维片材加固混凝土结构技术规程 (CECS 146:2003) [S].北京:中国计划出版社, 2003

冻融环境 篇2

为研究冻结-冻融过程中水分运移机理,在天山北麓平原通过人为控制潜水不同埋深条件下的模拟试验和田间土壤水分运移观测试验,分析了土壤水势分布和土壤含水量分布特征,发现冻结过程不同潜水埋深条件下的土壤水分运移机理、土壤水与潜水之间的相互转化关系有明显差异.在冻结过程中,潜水浅埋条件下,冻结层下界面与潜水面之间土壤水分运移状态呈上渗型,土壤水向冻结层下界面处运移、积累,同时引起潜水蒸发损耗使潜水位下降,表现出地下水向土壤水转化的基本特征.潜水深埋区,土壤水分运移状态呈上渗-入渗型,同样土壤水向冻结层下界面处运移、积累,同时潜水得到一定的入渗补给并使潜水位上升,表现为土壤水向地下水转化的特征.冻融过程中对于不同潜水埋深,由原来各自的`土壤水分运移状态均逐渐转变为入渗型,形成潜水入渗补给,表现为土壤水向地下水转化的特征.冻融期是土壤水资源、地下水资源形成的重要时期,对于干旱少雨的西北地区而言,冻融水的形成、运移和入渗补给地下水具有重要的生态环境意义.

作 者：荆继红 韩双平王新忠 白铭 JING Jihong HAN Shuangping WANG Xinzhong BAI Ming 作者单位：荆继红,韩双平,JING Jihong,HAN Shuangping(中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北石家庄,050061)

王新忠,白铭,WANG Xinzhong,BAI Ming(新疆第二水文地质工程地质大队,新疆昌吉,831100)

冻融环境 篇3

随着钢筋混凝土在大坝、桥梁、公路、高层建筑、工业及民用建筑等方面均获得日益广泛的应用, 城乡土木工程建设的大量增加与天然石材资源短缺的矛盾也日益凸显出来。再生混凝土是指将废弃混凝土块经过破碎、清洗与分级后, 按一定的比例与级配混合形成再生混凝土骨料, 部分或全部代替砂石等天然骨料配制而成新的混凝土, 是一种可持续发展的绿色混凝土。

目前, 人们往往更加重视再生混凝土的力学性能, 而忽视其耐久性能, 这必然导致结构性能提前退化, 使用寿命缩短。如何系统地评定再生混凝土结构耐久性是一项非常复杂的工作, 其影响因素具有模糊性和随机性。本文运用模糊综合评判方法对冻融环境下在役再生混凝土结构耐久性进行模糊综合评判, 以期得到较为合理的耐久性评估模型。

1 寒冷地区影响钢筋混凝土结构耐久性的因素

冻融循环是寒冷地区影响再生混凝土结构耐久性的主要因素, 但也存在混凝土碳化问题;在实际工程中为解决城市道路结冰引起的交通问题, 目前多采用撒盐除冰的方法, 由除冰盐引发的混凝土耐久性破坏更大。这实质就是冻融循环与氯离子侵蚀、混凝土碳化共同作用的结果, 它们的共同作用还可引起保护层剥落、钢筋锈蚀等破坏。

2 模糊综合评判法的基本思想

综合评判是对多种因素所影响的事物或现象作出总的评价, 属于决策论范畴。由于决策问题一般带有模糊性与经验性, 所以采用模糊集方法进行处理比较符合实际[4]。

3 评估模型的建立

从再生混凝土结构劣化过程来看, 寒冷地区结构的破坏主要涉及3类影响因素, 即再生混凝土耐久性指标, 再生混凝土劣化指标及结构 (构件) 安全性指标。而每个影响因素下又包括若干个子因素, 它们之间互相联系、互相作用, 而且还具有随机性。为了反映各评价因素和子因素对结构耐久性的影响, 本文采用层次分析法建立评估的递阶层结构模型 (见图1) 。

4 隶属函数的确定

图2~图8隶属函数中μ1 (x) 表示对混凝土耐久性无影响, μ2 (x) 表示对混凝土耐久性有轻微影响, μ3 (x) 表示对再生混凝土耐久性影响严重, μ4 (x) 表示对混凝土耐久性影响非常严重。

4.1 再生混凝土强度损失

用回弹仪测试再生混凝土强度操作简单、适用, 以其回弹值与再生混凝土原强度的比值表示再生混凝土强度损失, 即1-N/fc作为影响因素, 将其模糊化并建立如图2所示的隶属函数。

4.2 再生混凝土冻融损伤

大量试验和研究表明, 再生混凝土受冻融损伤可用下式表述:

由弹性理论知, 以超声波构筑损伤变量:

其中, Ed和Ed'分别为冻融前后再生混凝土的动弹模量;vd和vd'分别为超声波在冻融损伤前后再生混凝土中的传播速度[7,8]。将D模糊化并建立如图3所示的隶属函数。

4.3 再生混凝土碳化深度

进行碳化深度检测时, 用3%的酚酞酒精溶液喷洒在新鲜的混凝土表面进行碳化试验, 进而测量碳化深度T。将保护层厚度B与碳化深度T的差值 (B-T) 作为影响因素, 将其模糊化并建立如图4所示的隶属函数。

4.4 再生混凝土氯离子含量

当再生混凝土中氯离子含量 (与水泥含量的比值) 小于0.1%时, 不会诱发钢筋锈蚀;当再生混凝土中氯离子含量 (与水泥含量的比值) 大于1.0%时, 钢筋锈蚀活化。将其模糊化并建立如图5所示的隶属函数。

4.5 再生混凝土保护层厚度

再生混凝土保护层对混凝土结构的耐久性具有重要的作用, 本文将实测保护层厚度与设计保护层厚度的比值he/hd作为评判指标。其隶属函数如图6所示。

4.6 钢筋锈蚀情况

根据美国标准ANSI/ASMC 876—80混凝土中钢筋的半电池电位的试验标准[2], 钢筋锈蚀情况与电位水平的关系见表1。依据电位水平建立隶属函数如图7所示。

4.7 裂缝

依据规范要求[9], 考虑耐久性时允许的最大裂缝宽度限制为0.4 mm;当裂缝宽度小于0.15 mm时, 对再生混凝土耐久性没有影响。据此将裂缝这一指标模糊化并建立如图8所示的隶属函数。

5 钢筋再生混凝土结构耐久性评估等级划分

通过对结构的实际调查分析和耐久性模糊综合评估, 对钢筋再生混凝土结构耐久性评估等级初步建议如表2所示。

6 算例

对某寒冷地区一再生混凝土结构进行耐久性评估, 应用本文所述的方法, 选用评估因素集如下:再生混凝土耐久性指标 (强度损失、冻融损伤、碳化深度、氯离子含量) , 再生混凝土劣化指标 (保护层厚度、钢筋锈蚀情况) , 结构安全性指标 (裂缝) 。依据图2~图8写出各参评因素的模糊隶属度关系矩阵:

模糊权重集向量:

假定各主因素之间的模糊权向量A=[0.4 0.35 0.25]。

由最大隶属度原则判断:该结构耐久性等级为Ⅲ级, 属于一般损伤, 需要维修。

7 结语

本文根据寒冷地区耐久性的特点, 分析了影响钢筋再生混凝土结构耐久性的主要因素, 以这些影响因素作为耐久性评估因素集, 进而建立了评估的递阶层结构模型, 实现了对寒冷地区钢筋再生混凝土结构耐久性的模糊综合评估。

1) 通过应用各子因素对耐久性的影响以及现有文献对各影响因素在评定结构中的重要程度评价建立了模糊隶属函数, 减少了由隶属函数主观确定所带来的误差。

2) 综合运用模糊数学法与结构的实际调查分析, 初步建立了钢筋再生混凝土结构耐久性评估等级, 可以获得较符合实际的评估结果。

3) 对于各因素之间的模糊权重集向量有待于继续深入研究, 使得评估结果更加符合实际工程。

摘要：根据寒冷地区再生混凝土结构的破坏特征, 分析了影响钢筋混凝土结构耐久性的主要因素, 综合运用模糊数学法与结构的实际调查分析, 初步建立了钢筋混凝土结构耐久性评估等级, 并给出了相应的工程评估算例, 为寒冷地区再生混凝土结构耐久性评估提供了参考和依据。

关键词：冻融环境,再生混凝土结构,耐久性,模糊综合评估

参考文献

[1]金伟良, 赵羽习.混凝土结构耐久性研究的回顾与展望[J].浙江大学学报 (工学版) , 2002, 36 (4) :371-380.

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[3]彭祖赠.模糊数学及其应用[M].武汉:武汉大学出版社, 2002:7-15, 122-163, 294-300.

[4]许树柏.实用决策方法——层次分析法原理[M].天津:天津大学出版社, 1988:14-25.

[5]任锋, 曲明华, 陈营明.混凝土结构耐久性的模糊综合评估方法研究[J].济南大学学报 (自然科学版) , 2002, 16 (4) :362-364.

[6]曹芙波, 赵根田, 王晨霞.厂房可靠性的模糊综合评判[J].兰州理工大学学报, 2008, 34 (1) :120-124.

[7]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.

[8]刘卫东, 张东芹, 王依民.混凝土结构抗冻性超声检测方法的研究[J].水利学报, 2003 (3) :125-128.

冻融环境 篇4

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

混凝土冻融机理研究 篇5

产生冻害的基本条件:第一, 外界温度正负交替;第二, 混凝土内部存在饱和水。钢筋混凝土渡槽内侧长期处在水环境作用下, 冻融的影响之大不可言喻。

混凝土冻融破坏的研究主要集中在冻融破坏机理、影响因素、提高抗冻性措施和寿命预测等方面。

1混凝土冻融破坏机理

目前, 学界认为吸水饱和的混凝土在冻融过程中遭受的破坏力主要有:静水压和渗透压。

静水压理论认为混凝土内部孔隙中游离水结冰体积膨胀而在孔壁产生拉应力造成冻融破坏。静水压理论成功解释了冻融破坏与孔隙水存在形式、混凝土内部结构、冻结温度等因素有关。这也是静水压理论被一直应用的缘由。但仅以水结冰时体积膨胀9%的观点不足以解释复杂的混凝土受冻破坏动力学过程, 继而产生了渗透压力理论。

渗透压理论认为负温时混凝土内部孔隙溶液的蒸汽压差和浓度差产生的渗透压造成了混凝土的冻害。压力梯度会导致孔隙溶液的迁移渗透, 必然使毛细孔中冰的体积不断增大, 从而形成更大压力, 进而损伤混凝土的微观结构。如果混凝土常年处在冻融循环中, 损伤不断积累, 内部孔隙及裂缝逐渐增大、扩展, 并互相连通, 使混凝土产生由表及里的剥蚀, 进而造成混凝土的破坏。

冻融循环对混凝土的破坏是静水压和渗透压共同作用的结果。目前, 尚无试验能准确测出静水压和渗透压的量值。所以, 在冻融破坏中何者占主导地位学界尚无定论。Erland M.Schulson在报告中定性地指出, 冻结速度非常缓慢的情况下, 用渗透压理论分析可能比较合适;冻结速度很快时, 用静水压理论分析可能比较符合。但是此冻结速度尚无公认的临界值。此外, 还有部分学者认为冻结速度起决定作用。

在此基础上, 一些学者对混凝土冻融破坏机理进行了更为深入的探讨, 建立了一些基于质量损失、疲劳损伤等的抗冻耐久性寿命预测模型, 提出了增加混凝土抗冻性措施和定量化设计方法。

2混凝土冻融寿命预测

混凝土使用寿命影响因素较多, 目前大量的寿命预测研究都集中在钢筋锈蚀引起混凝土破坏。Fagerlund认为临界饱水程度是混凝土材料的基本性能, 不受冻融循环次数、环境等影响, 可作为混凝土寿命预测的判据。慕儒等通过试验和理论分析得出了判断混凝土寿命tp和临界饱水程度Scr的关系式:

式中, Scr———临界饱水程度;

A、F、E———常数。

但实际环境中混凝土的饱水程度并不是一个定值或者单调变化的指标, 而是随环境的变化而不规律变化, 这对预测混凝土使用寿命造成极大影响。

目前, 部分学者[3]采用损伤力学原理来预测混凝土使用寿命。根据损伤力学原理, 描述混凝土结构失效的损伤变量D与相对动弹性模量之间的关系:

这样, 就可将混凝土在冻融条件下的损伤失效过程用一个统一的数学模型描述。余红发等研究了混凝土在冻融条件下损伤失效过程的规律和特点。结果表明, 混凝土的损伤失效过程可分为单段损伤模式和双段损伤模式, 其损伤曲线主要有直线型、抛物型和直线-抛物线复合型三种形式。并建立了普遍适用的混凝土损伤演化方程, 提出了损伤速度和损伤加速度的概念, 为寿命预测提供了一种新的研究方法。此外, 刘志勇等、宋玉普根据损伤力学理论提出了各自的数学模型。

在混凝土抗冻性的定量化设计方面, 学术界也取得了一些成果。首先, 李金玉和林宝玉等调查了我国不同地区混凝土在实验室中快速冻融循环试验和自然界冻融循环次数的关系:

式中, t———混凝土结构的使用寿命 (a) ;

K———冻融试验系数, 即室内一次快速冻融循环与室外自然冻融循环次数的比例, 一般可取12;

N———混凝土在快速冻融试验条件下的抗冻融循环次数 (次) ;

M———混凝土在实际环境中一年可能经受的自然冻融循环次数 (次/a) 。

Vesikari认为混凝土在快速冻融循环试验中得出的抗冻寿命并不可直接换算成实际环境中的使用寿命, 还与混凝土所处的实际环境条件相关, 见式4。

式中, Ke———与环境条件相关的系数;

李金玉还通过大量的试验和工程实测数据, 建立了混凝土抗冻融循环寿命与水灰比、含气量及粉煤灰掺量的多元回归方程:

式中, A———混凝土的含气量 (%) ;

W/C———水胶比;

f———粉煤灰掺量 (%) ;

摘要：本文主要从微观的方面分析了混凝土冻融破坏的机理, 并建立了混凝土寿命预测的公式。

冻融循环作用下岩石的损伤研究 篇6

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。

参考文献

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冻融环境 篇7

影响沥青混合料冻融劈裂抗拉强度的因素有矿料级配、空隙率、油石比等[2,3,4,5,6]。抗冻融性能好的混合料既要强调骨架作用, 又要强调密实, 两者缺一不可[7]。剑麻纤维是一种植物纤维, 它与合成纤维相比具有多方面的优点, 其中经济性最为突出, 此外剑麻纤维还具有质地坚韧、拉伸强度高、耐磨损、耐酸碱、耐海水、抗腐蚀及耐低温等多种优点[8,9]。控制矿料级配和空隙率等因素在相同条件下, 通过向沥青混合料中掺入剑麻纤维, 研究其冻融后劈裂抗拉强度衰减幅度, 分析纤维对沥青混合料冻融劈裂抗拉强度的影响。

2 试验原材料设计

沥青上面层AC-13粗集料 (d>2.36 mm) 采用玄武岩, 细集料 (d<2.36 mm) 采用石灰岩机制砂, 填料类型有氢氧化钙粉剂 (消石灰) 、水泥、矿粉, 沥青结合料均采用SBS改性沥青。各项技术指标均符合JTG F40-2004规范要求。原材料级配设计见表1。

3 试验方法与结果

3.1 冻融劈裂试验

严格按JTJ 052-2000公路工程沥青及沥青混合料试验规程[10]进行 (以下简称《试验规程》) 试验。采用马歇尔击实法成型的圆柱体试件, 击实次数为双面各50次。试验击实温度为163℃～165℃, 试件高度均符合63.5 mm±1.3 mm要求, 理论最大相对密度采用《试验规程》中“T0711-1993沥青混合料理论最大相对密度试验 (真空法) ”负压容器A类测定。劈裂试验仪器为LDR-2型沥青混合料冻融劈裂仪, 主要技术参数为最大荷载50 kN, 荷载范围5 kN～35 kN, 加载速率50 mm/min±5 mm/min;恒温冰箱、卡尺、天平、恒温水浴、试件盒等。通过最佳纤维掺量试验和最佳油石比试验结果显示, 剑麻纤维的最佳掺量为0.2%;未掺入纤维沥青混合料的最佳油石比为5.2%, 掺入纤维后沥青混合料的最佳油石比为5.3%。据此设计冻融劈裂试验, A组为未掺纤维马歇尔试件, 油石比为5.2%;B组为掺入0.2%纤维马歇尔试件, 油石比为5.3%。将A, B两组试件各随机分为两组, 每组均4个有效试件, 第一组置于室温下保存备用, 第二组按试验规程T0717标准的饱水试验方法真空饱水, 然后将试件放入冰箱, 于-18℃±2℃温度下冷冻16 h±1 h, 将试件取出, 立即放入60℃±0.5℃恒温水浴保温24 h;最后将两组试件全部浸入25℃±0.5℃恒温水槽2h后进行劈裂试验。马歇尔试件实测密度、空隙率、劈裂荷载及劈裂抗拉强度如表2, 表3所示。

其中劈裂抗拉强度公式为:

其中, RT1为未进行冻融的第一组试件的劈裂抗拉强度, MPa;RT2为经受冻融的第二组试件的劈裂抗拉强度, MPa;PT1为第一组试件的试验荷载最大值, N;PT2为第二组试件的试验荷载最大值, N;h1为第一组试件的试件高度, mm;h2为第二组试件的试件高度, mm。

根据冻融劈裂抗拉强度比公式:

其中, TSR为冻融劈裂抗拉强度比, %。得A, B两组试件冻融劈裂抗拉强度比值如表4所示。

3.2 试验结果分析

试验结果显示, 在相同的矿料级配, 试件空隙率均为6.8%左右时, 普通沥青混合料常规劈裂抗拉强度平均为1.14 MPa, 掺入0.2%剑麻纤维沥青混合料常规劈裂抗拉强度平均为1.21 MPa, 掺入纤维后劈裂抗拉强度提高了6.1%。但经过冻融循环后, 普通沥青混合料劈裂抗拉强度为0.90 MPa, 纤维沥青混合料劈裂抗拉强度为1.08 MPa, 相比之下纤维沥青混合料劈裂抗拉强度提高了20.0%。普通沥青混合料冻融后劈裂抗拉强度衰减达21.6%, 纤维沥青混合料劈裂抗拉强度衰减为11.4%, 表明剑麻纤维能有效增强AC-13 SBS改性沥青混合料冻融劈裂抗拉强度。

初步分析认为, 剑麻纤维掺入沥青混合料后, 吸附周围的沥青, 由于其较高的拉伸强度、耐低温等性能, 增强了混合料间的结合能力, 使骨料更好的发挥了骨架作用, 提高了沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度。

4 结语

1) 在相同的矿料级配, 试件空隙率均为4.9%左右时, 普通沥青混合料常规劈裂抗拉强度平均为1.14 MPa, 掺入0.2%剑麻纤维沥青混合料常规劈裂抗拉强度平均为1.21 MPa, 掺入纤维后劈裂抗拉强度提高了6.1%, 效果不明显。

2) 剑麻纤维能有效提高沥青混合料冻融劈裂抗拉强度。剑麻冻融劈裂抗拉强度比TSRB=89.6%, 未掺入纤维冻融劈裂抗拉强度比TSRA=79.0%, 相比增加了10.6%。

3) 由于试验未考虑在不同矿料级配和空隙率的情况下, 纤维对沥青混合料冻融劈裂抗拉强度的影响, 剑麻纤维的增强效应需要进一步研究验证。

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水工建筑物冻融破坏防治技术分析 篇8

1.1 冻融破坏特征

1.1.1 融沉及不均匀融沉

融化期融沉及不均匀融沉的破坏是随着堤坝冻结期衬砌体下土体的冻胀和不均匀冻胀造成衬砌体的破坏和反复作用造成的, 冻结期由于土体的冻胀, 衬砌体产生断裂、裂缝、隆起、错位等待征。而在冻胀土体融化时, 渗透性、压缩性都增加, 融化的土体在自重作用下沉陷量大、不均匀沉陷大, 使其衬砌体不能复位到原位置, 留下很大裂缝, 加重了衬砌体的错位、搭架、鼓起、开裂。同时, 融化土体的不均匀沉陷使其形成塌坑、孔洞。有的使其衬砌体塌陷滑落, 直至反复多次导致衬砌体全部毁坏。

1.1.2 剥蚀、脱落

对于含水量较高的土坡段, 在融解期冰晶从坡表面及冻土以下两个方向融化, 融化的水流流动而出现了坡面的逐层剥蚀, 形成一片片土体脱落, 在有衬砌体的堤坝段加剧冻胀———融沉的破坏。对于无衬砌的堤坝, 在经常档水位附近更容易出现较大的剥蚀和脱落, 当水流通过时则产生冲刷, 边坡在较大范围内产生塌落。

1.1.3 塌滑

随着融化深度的加深, 上层融化的土由于排水条件较好而逐渐固结, 渗透系数由大变小, 致使下层刚融化的土中水较难排出, 在土层内部, 融化层下部, 为冰冻夹层。该冰冻夹层为近似的不透水层, 上部融解的水分不能渗入, 造成上部土体含水量处于饱和状态, 导致融化面与冰冻夹层的交界处抗剪强度降低, 形成滑坡塌滑。

1.2 冻融破坏原因分析

土的冻融破坏受土质、冻土构造、水分条件及土体结构的变化影响。

1.2.1 融沉及不均匀融沉原因

对于土质堤坝, 填土由细颗粒组成的均质堤坝为冻胀性土坡, 在冻结期前较高水位的档水、降雨情况下, 土体含水量大, 挡水位降落后由于细颗粒土渗透系数小, 不能很快排出、同时又由于毛细管作用, 在挡水位以上1-2m, 土体含水量显著增大。当气温缓慢降低、土体慢速冻结, 形成层状冻土构造或网状冻土构造, 它们以冰夹层形式存在, 冰和土呈明显的夹层, 或者呈冰脉网状的形式存在, 产生较大的冻胀。此种构造的冻土在逐渐融化时, 从土表面和冻土下两个方向融解, 冰晶融化为水, 可能很快从冰融化缝中排出, 体积缩小, 压缩性增大, 融化土的渗透系数比冻结前增大。若排水条件好, 可逐渐压密固结, 发生沉陷;若排水条件不好, 则含水量增加, 土体饱和造成湿陷, 由于堤坝渠各处冻结条件不同, 含水量阴面、阳面等融化的条件不同, 融化的时间先后、含水量不向等, 堤坝渠各处的融沉量也不同。

1.2.2 剥蚀和脱落原因

冻结土体逐层融化, 水分从冰融化缝中排出, 对含水量很高的土体, 孔隙水压力增加, 凝聚力显著降低, 抗剪强度降低。在融化到一定程度时, 由于下部冰夹层没有融化, 形成一个相对不远水层, 上部溶解的水不能渗入到地下, 若上部排水条件不好, 将造成上部融化土含水量处于饱和状态, 水分沿交界面流动时造成融冰侵蚀, 土体的抗剪强度降低, 而导致土体剥蚀和脱落。

1.2.3 塌滑原因

冻土融化后, 特别对于层状和网状构造的冻土, 其抗剪强度降低达50%以上, 冻土融化时粘聚力剧烈地变化, 急剧地下降, 甚至接近于零。随着逐层融化深度的加深, 在融化层与冻结界面以上水流的侵蚀流动, 造成土体的剥蚀范围逐渐加大, 在融化面上抗剪强度减小, 致使边坡不稳定, 滑坡的范围随融化层加深逐渐加大, 当边坡的抗滑力小于滑动力时, 在此滑面上失去稳定, 造成塌滑。

1.3 防治措施

冻融的侵蚀使堤坝遭受融沉及本均匀融沉、剥蚀、脱落、塌滑, 加之冰压力和冻胀的作用, 这种综合作用的结果, 致使堤坝破坏。因此, 需要采取综合的防治措施。从消除、削弱或限制产生冻融侵蚀、土体冻胀、冰压力的因素和增加堤坝等抗冻融侵蚀、抗冻胀和抗冰压力能力, 以及适应这些作用的能力出发来采取综合的措施。

2 混凝土建筑物的冻融破坏防治技术

混凝土冻融破坏的防治应首先从分析冻融破坏的特征及产生冻融破坏的原因入手, 作出正确的判断, 才能采取有效的防治措施。

2.1 混凝土冻融破坏特征

从各种水工混凝土建筑物冻融破坏的形式看, 破坏的特征可归纳为以下三种:

(1) 表层剥蚀。开始混凝土表面起毛、疏松、层状剥落, 砂浆脱皮, 骨料露出, 露砂、露石、露筋, 这样由表面开始逐层剥落, 向里发展, 严重的形成蜂窝、深坑。当混凝土构件截面较薄, 冻深又大, 且吸水饱和时, 整个构件疏软, 可用手掰掉, 产生崩解现象, 严重地影响了混凝土构件的正常工作。

(2) 深层的冻胀破坏。多出现在大体积混凝土内部, 具备饱水和冻融循环条件, 存在漏水的缺陷, 如水平施下缝、裂缝等, 经多年的冻融循环, 内部的老混凝土冻胀产生隆起, 使整个坝匝、坝顶抬高。隆起的高度严重的可达48cm, 而且垂直变化逐年上升。

(3) 冰冻裂缝。伴随混凝土冻胀隆起, 当产生的膨胀力超过混凝土的抗拉强度时, 混凝土产生破坏, 形成裂缝。往往在隆起鼓包的中部混凝土折裂, 反复的冻融循环作用, 使裂缝逐渐积累, 裂缝便越来越宽, 形成渗水通道, 若裂缝在表面更加重了剥蚀, 若裂缝在深层老混凝土中, 则更加重了深层混凝土的冻胀破坏。当混凝土中的骨料为吸水率较大的岩石, 骨料吸水饱和和受冻时, 更容易产生裂缝, 若在表面, 还会产生局部隆起现象。

2.2 冻融破坏原因

了解水工混凝土冻融破坏原因是正确选择抗冻措施的前提, 影响冻融破坏的因素很多, 主要有以下几个方面。

2.2.1 水、负温条件是混凝土冻融破坏的必要条件

混凝土是由水泥砂浆及粗骨料组成的多孔体。硬化的混凝土中的孔隙有毛细孔和凝胶孔、空气泡等一些非毛细孔。毛细孔大部分为开孔连通的, 与其他非毛细孔相比, 在混凝土中占有的体积最大, 可达10%-15%。如果孔隙中有水, 在负温条件下发生冻结, 形成静水压和渗透压, 这两种压力的作用使混凝土产生了冻融破坏。

2.2.2 外界气温正负变化, 混凝土的冻融循环是混凝上冻融破坏的必

要条件负气温下, 混凝土孔隙中水冻结成冰, 体积膨胀产生膨胀力, 在气温上升时, 冰体积也膨胀, 也产生膨胀力。这种气温的正负交替变化, 混凝土孔隙中水反复冻融循环, 使混凝土承受更大的疲劳应力, 循环的次数越多, 混凝土毛细孔微观结构受到的拉应力逐步加大, 反复的作用, 使其损伤 (裂缝) 逐步积累不断扩大。经过一定的冻融循环后, 混凝土中的裂缝会相互贯通成大裂缝, 其强度逐渐降低, 最后甚至完全丧失, 伎混凝土由表及里遭受破坏。

2.2.3 工程管理不善、养护维修不利

工程检查维修不够, 发现异常症状不及时处理。如裂缝、漏水、排水设施失效等, 使混凝土经常处于炮水状态。有的采取的维修措施不利, 多次维修多次遭受冻融破坏。

综上所述, 混凝土的饱和水分条件、负气温和频繁的气温正负变化及混凝土的冻融循环是造成混凝土冻融破坏的必要条件, 加上由于各种原因使混凝土抗冻能力降低及工程管理不善和养护维修不利, 从而致使混凝土产生了冻融破坏。

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混凝土冻融损伤层厚度的超声检测 篇9

1 超声波平测法检测混凝土损伤层厚度的步骤

首先将试件表面打磨平整并清理干净, 然后将T换能器通过耦合剂与被测混凝土表面耦合好并固定, 再将R换能器耦合在T换能器旁边, 并依次以一定间距移动R换能器, 逐点读取相应声时值t1、t2、t3、t4……, 同时测量每一点的T、R换能器内边缘之间的距离l1、l2、l3、l4……, 然后绘制时间-测距坐标图 (见图1) , 并按式 (1) 计算损伤层厚度hf[6,7]。

式中:l0——经折线传播的声时与经过损伤层直接传播的声相等时的T、R换能器间距, mm;

va——未损伤混凝土的声速, m/s;

vf——损伤混凝土的声速, m/s。

2 原材料与实验方案

水泥:采用江南水泥厂生产的P·O42.5水泥;碎石:采用宁波产5~20 mm连续级配的石灰岩碎石;砂子:中砂, 细度模数为2.8;减水剂:上海花王化学有限公司生产的Mighty100萘系高效减水剂;引气剂:采用上海麦斯特公司生产的Micro Air 202型高效引气剂。混凝土配合比见表1。

kg/m3

试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm, 成型24 h后脱模, 在相对湿度80%、温度 (20±2) ℃的条件下养护90 d。混凝土的抗冻性试验采用快速冻融法, 即混凝土中心的冻融温度为 (-17±2) ~ (8±2) ℃;一个冻融循环时间为3 h左右。试件在冻融试验过程中均处于全浸泡水状态 (饱水状态) 。达到一定冻融次数后采用UPV-1超声波系统测量其损伤层厚度。

3 结果与分析

混凝土的冻融破坏过程, 实际上是水泥水化产物结构由密实体到松散体的退化过程, 同时伴随微裂缝的出现和发展, 微裂缝不仅存在于水化产物中, 也会使引气混凝土中的气泡壁发生开裂和破坏, 这是导致引气混凝土冻融破坏的主要原因[1]。采用UPV-1超声波系统测量得到的超声波在混凝土中传播时的典型波形图如图2所示。

平测法的测距分别为50、75、100、125、150、175 mm, 冻融循环100、150、200、250次后的时间测距图分别见图3~图6。

由图3~图6可得经折线传播的声时与经过损伤层直接传播的声相等时的T、R换能器间距l0和va与vf, 按式 (1) 计算冻融作用后混凝土的损伤层厚度。冻融次数分别为100、1 50、200、250次时混凝土的损伤层厚度分别为9.36、12.38、19.35、24.15 mm。可见, 随着冻融次数的增加, 混凝土的损伤层厚度增加, 因此, 超声波平测法能反映冻融作用对混凝土损伤程度, 对实际混凝土工程的损伤而言是一种有效的评价方法。

4 结 语

随着冻融次数的增加, 混凝土的损伤层厚度增大, 超声波平测法能反映冻融作用对混凝土的损伤程度, 对评价实际混凝土工程的损伤而言是一种有效的方法。

参考文献

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