冻融损伤（共6篇）
冻融损伤 篇1
在寒区修建工程时,冻融循环作用对岩石的物理、化学性质及力学性质的研究是不可缺少的,我国寒区面积约占国土面积的75%,是世界上寒区面积分布较大的国家之一,目前许多学者都对寒区岩石在冻融循环作用下的力学及物理化学性质进行研究。如母剑桥等[1]通过对三种不同的岩石进行冻融循环试验并经过电镜扫描分析其劣化损伤机制,分析冻融破坏原理,总结出了2种劣化模式,为寒区工程项目建设提供依据;张全胜等[2]通过不同的冻结速度、冻结温度、冻融循环次数来分析岩石随着冻融循环内部发生的损伤,并且结合了CT技术分析不同的冻融条件对岩石产生损伤的影响;徐光苗等[3]发现了冻融循环作用下两种基本破坏模式,并将经过冻融循环后的岩石进行了单轴压缩试验,得到了岩石的单轴压缩强度、弹性模量与冻融循环次数的拟合表达式。张慧梅等[4]系统研究了冻融循环过后岩石的强度与变形特性、应力-应变曲线及损伤扩展力学特性随冻融循环次数的变化规律,提出了不同的损伤劣化模式;王章琼等[5]通过现场地质调查、室内物理力学实验、冻融循环试验、CT扫描、超声波测试、X射线衍射、环境扫描电镜、偏光显微镜试验、理论分析、数值试验等手段对岩石的物理力学性质、冻融损伤机理等做了分析。岩土体冻融循环对工程建设有重要影响[6,7,8,9]。
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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冻融损伤 篇2
季冻土隶属于冻土，随着季节温度的变化而产生，冻结时间超过一个月，每年在冬季冻结在夏季消融。季节性冻土区域遍布在纬度高于24°的地区，我国季冻土区域面积约占到国土总面积的50%。冻融作用是土体在环境温度发生变化时由温度效应所产生的对土性质影响的效应，冻融作用主要指冻胀和融沉作用，冻胀与融沉的核心便土体中水分子随温度变化形态随着变化的过程。在季冻土区域，同时伴随的冻胀和融沉作用则是导致土具有特殊性的主要原因。
2 冻融作用对黄土性质影响试验研究现状
国内外广泛研究冻融循环作用，基于土质、试验方法、试验仪器等差异，研究成果没有比较统一的共识，同时处于单纯的理论研究阶段，与工程实际连接较少，工程中能参考的成果也较少，有待进一层探讨研究。
2.1 国外研究进展
国外研究开展的较早，研究范畴涵盖了冻胀融沉机理、试验方法探究、预测模型建立等多方面。早在20世纪中期第一冻胀理论提出毛细压力的概念，水分向冻结前缘移动、聚集而形成冰晶的动力。随后提出了第二冻胀理论，冻结深度与冻结程度之间的关系，以及冰晶行程条件及形态等。20世纪60年代研究冻融循环，试图从机理上解释冻融循环作用下土体内颗粒排列及分子迁移的规律。研究表明冻融循环作用对土体力学性质产生影响。国外关于冻融作用及冻融循环作用的研究在广度及深度都比较领先，在关于冻融作用对土体物理性质影响研究方面也取得了一些被大家广为认同的结论，但由于试验土体自身差异性和复杂性，也导致研究成局限性较大。
2.2 国内研究进展
国内展开冻融作用的试验研究起步较晚。90年代初期，我国有学者针对结冻机理与水分迁移理论，研究冻融作用中盐胀的机理。研究初期，通过水热输运试验方法，提出了冻融作用中水分迁移聚集的基本机理；开放系统下的反复冻融循环试验；对冻融循环条件下的成冰机制做了系统的研究分析。提出了冻融循环作用对水泥土力学性质的影响研究结论并阐述了其劣化的机理，通过模型试验研究了冻融土地基极限承载力的变化规律。在多次冻融循环作用下的无侧限抗压强度、抗剪强度以及压缩性等力学性质进行了较为深入的研究。总体来看，早期研究对象主要针对土体内部水分迁移、结冰机理和土体冻胀融沉等方面的机理研究，并且试图建立冻胀融沉预测模型，但仍存在与实际工程结合不紧的问题。随后在冻融作用对土体物理力学性质的影响研究中展开了广泛充分的试验模拟研究，涵盖土体基本物理性质，力学强度模量等方面，同时对冻融循环作用的机理进行试验模拟，但各方面研究成果差异性较大，有待进一步的研究。
3 试验研究现存问题分析
试验手段是冻融作用研究最基本最有效的方法，主要是进行室内冻融试验。土体试样选取方式、冻融作用模拟方式和试验方法选取导致了研究成果中冻融过程的差异性。关于冻融模拟方法的选择，主要有独立冻融作用模拟和冻融作用模拟与试验同步两类。独立冻融过程是利用低温控温设备进行独立的控温模拟，有单向控温和整体控温，试样在封闭的环境中完成冻融作用模拟全过程。优点在于能够较为完整的模拟天然状态下的冻融作用过程，但缺点是缺乏全过程的监控跟踪研究。冻融作用模拟与试验同步的方法，在模拟冻融作用的同时进行试验，部分试验在冻融过程中增加试样同步跟踪设备，包括对试样形态、位移、温度等多方面进行实时监控，同时可以模拟单向、多向受力条件下的冻融过程。有些试验中在土样轴向，围向施加压力，模拟单向受力状态下的冻融过程，也有增加补水条件模拟补水情况下的冻融循环过程。
试验方法的选择也是决定冻融作用试验研究结果的重要因素。现阶段关于冻融试验的研究多以室内试验为主，主要受限于试验条件与设备条件，也有利用积实土样埋置于室外，或者室外室内试验结合等方式。单从室内试验方法出发，不同方法选择也导致了冻融作用对土性质影响效应具有较大的差异。依照施加冷源位置的不同，有整体冻融、单向冻融和双向冻融；依照施加冷源方式的不同，冻结过程有恒温低温冻结和梯度变温冻结，溶解过程也有恒温溶解和梯度便问溶解，其中温度梯度与时间控制相关，可模拟快速冻结和慢速冻结等；依照试样在冻融过程中是否补水，分为封闭系统冻融和开放系统冻融；依照施加压力方式不同，有轴向加压冻融、围向加压冻融和自由冻融等。在试样仪器的选择上并无较大差异和发展，基于土工学试验基础上进行冻融试验，在土力学性质研究方面现存试验成果较多选择直剪试验进行。从现有文献来看，由于冻融循环作用试验研究涉及的试验量较大，研究不同冻融方式下对土的工程性质影响的试验成果较少，大多数试验只设定一至两个影响条件下的少次冻融循环试验，对多个因素没有进行系统的试验比较。
4 结束语
由于冻融作用试验模拟的复杂性，涉及到多学科多理论基础，同时受试验时间、试验条件、试验方法等多方面的限制，该领域仍有许多方面需要完善并进行深入研究。
参考文献
[1]齐吉琳,程国栋,P.A.Vermeer.冻融作用对土工程性质影响的研究现状[J].地球科学进展,2005,(8):887-894.
[2]邢开第.普通冻土学[J].冰川冻土,1990,(4):154.
冻融损伤 篇3
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。
冻融损伤 篇4
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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冻融损伤 篇5
然而,实际工程中的水泥土材料总是处在一定的环境中,经受着外界各种因素的影响,强度和耐久性等性能也会随之发生改变。影响水泥土性能的因素很多,包括水泥品种、水泥掺量、土质、温度以及外加剂等[3,4]。其中,温度的变化和外加剂的使用对于水泥土性能来说具有重要影响。一方面,随着我国西部及北方寒区经济建设的快速发展,国家在这些地区投入大量建设工程,如青藏川藏铁路工程、青康公路工程以及各种水电站大坝等,处于温度交替变化条件下的建筑材料则不可避免越来越多的被触及到。因此,研究温度交替变化对水泥土的损伤破坏作用,以及在这种作用下水泥土所表现出来的力学特征,对于寒区工程建设来说将具有重要的指导意义。另一方面,外加剂的合理添加使用可以有效改善水泥土的力学性能以及耐久性。当前,国内外专家学者通过使用外加剂对水泥土进行各种改性,试图获得既经济实用又能满足工程要求的新型改性水泥土。
迄今为止,国内外对在水泥土材料中使用外加剂已开展了广泛研究。孔燕萍[5]结合工程实例,分别在水泥土添加外加剂和不添加外加剂两个情况下,对水泥土进行无侧限抗压强度试验,以此来研究外加剂对水泥土强度的影响规律。叶观宝[6]等通过对加有几种不同添加剂的水泥土在不同养护龄期下分别进行微观结构分析试验,再结合无侧限抗压强度试验,研究添加剂对水泥土的作用机理。童小东、张海燕、贾尚华等[7—9]通过在水泥土中添加多种外加剂进行试验研究,并进行对比分析,从而选出能够有效提高水泥土强度的外加剂。相比之下,对水泥土冻融损伤的研究略显不足,陈四利等[10,11]对经历不同冻融循环次数后的水泥土进行抗剪强度、抗压强度以及渗透系数试验,得到不同冻融循环次数对水泥土抗剪强度、抗压强度、及渗透系数影响的试验数据,并建立回归曲线方程。
聚丙烯酰胺(polyacrylamide,简称PAM)是一种水溶性线性高分子聚合物,作为外加剂目前已在建筑工程中得到广泛应用,如聚丙烯酰胺建筑胶黏剂与水泥混合制成各种高性能混凝土等。本次试验基于新疆吉木乃某边坡治理工程,该工程拟采用水泥土作为护坡材料。针对该地区昼夜温差大、水泥土易开裂的实际情况,决定在水泥土中添加一定量的PAM来改善水泥土力学性能。通过冻融循环条件下PAM水泥土所表现出的力学特征与微观结构变化进行分析,对其损伤劣化机制进行探讨,从而为PAM水泥土在该边坡治理工程中的合理应用提供参考,另外对其他高寒地区的工程建设也具有一定参考价值。
1 试验材料与方法
1.1 试验用水泥土配合比
本次试验所用的原状土取自新疆吉木乃某边坡工程,该土在自然状态下呈软塑状态,其主要物理性质指标如表1所示。
本次试验选用西南牌P.O42.5普通硅酸盐水泥,每个水泥土试块的水泥掺量均为15%,以PAM用量为水泥掺量的3%、5%、7%、10%进行讨论。PAM的主要技术指标见表2。
1.2 水泥土试样制备
首先将取回土样风干、捻散并过2 mm孔筛,以除去未粉碎的大颗粒。按设计的水泥、PAM掺入比,分别称量适量的水泥、土样、PAM和拌合水(含水量40%),充分搅拌均匀,分层装入边长为70.7 mm的立方体试模内捣实,抹平表面并进行编号,24 h后脱模,置于标准养护箱中养护,到规定龄期后取出进行冻融循环试验。部分水泥土试样如图1所示。
1.3 水泥土试件试验过程
本次冻融循环试验参照JGJ/T 233—2011《水泥土配合比设计规程》上面的试验要求进行。本次试验主要仪器有:JB-T 17671—40A型水泥砼标准养护箱、FYL-YS—128低温保存箱、WHY—1000型微机控制压力试验机、TM—3000型扫描电镜等,具体实验步骤如下:
(1)水泥土养护28 d后取出,检查外观,然后用拧干的湿布将试件表面多余的水分擦去;
(2)参照我国北方寒区早晚的温差变化,本文冻融循环试验设定冻结和融化温度分别为-20℃和+20℃,冻结时在-20℃的恒温冷藏箱中,融化时放入水中浸泡,水温控制在(20±2)℃,浸泡时水面保持高出试件顶面20 mm以上;
(3)试验时水泥土在恒温箱中先冻结12 h,然后再在水中融化12 h,即每个冻融循环周期为24 h,如此反复。制备试验试样共60个,共20组,每组3个平行试样,编号从N-0-0~N-10-15(N代表水泥土试块,第二个数字代表PAM掺量,第三个数字代表冻融循环次数),按PAM掺量多少分为5小组,每组又分别对应四个不同冻融循环次数,分别为0、3、9和15次。其中第一组为基准组,PAM掺量为零,其余四组分别为掺入3%、5%、7%、10%PAM的水泥土;
(4)按不同冻融循环次数依次取出试件,检查外观变化情况,之后进行质量变化测定、无侧限抗压强度试验和电镜扫描试验。
2 结果与讨论
2.1 外观和质量变化
对经历不同冻融循环次数后的水泥土进行外观检查,并对试样剩余质量进行测定。因试件过多,水泥土试块外观变化图不再一一列出,部分水泥土试块外观形貌变化如图2所示,冻融循环前后质量变化情况见表3所示。结果表明:经历冻融循环后的水泥土试块总体质量都有所下降,但不同的冻融循环次数和不同PAM掺入比对其损伤劣化影响有所差别,外观形貌和质量变化特点不尽相同。在经历3次冻融循环过程后,水泥土剩余质量基本没什么变化,此时由于冰的冻胀和融缩,水泥土内部微孔隙不断增大,试块边缘开始出现裂缝,但总体外观并未发生实质变化,只是试块表层损伤。经历9次冻融循环后,水泥土剩余质量开始出现下降,此时试块裂缝大面积扩展,表层开始出现颗粒脱落现象。而在15次冻融循环后,水泥土质量损失较大,试块表面出现软化层并开始大量酥松剥落,试块表面已失去原有形貌。总的来说,水泥土试块表面破损程度随着冻融循环次数的增加越来越大;与纯水泥土试块相比,掺入PAM的水泥土试块表面破损程度和质量变化情况要好的多,当冻融循环次数一定时,水泥土试块质量变化率随PAM掺量的增加而逐渐降低,表面完整度逐渐提高。
注:冻融前后质量变化值为三组平行试样质量平均值。
2.2 无侧限抗压强度
在水泥土经历不同冻融循环次数(0、3、9、15次)后进行无侧限抗压强度试验,试验采用轴向位移速率控制,位移速率为2 mm/min,在室温(20℃)条件下进行。图3给出了水泥土在不同PAM掺量下和经不同冻融循环次数后的强度变化规律。
由水泥土无侧限抗压强度试验结果可以看出,掺入适当的PAM可以有效提高水泥土的抗压强度;当水泥土中PAM掺量一定时,随着冻融循环次数的增加,其抗压强度几乎呈线性关系逐渐降低;当冻融循环次数一定时,水泥土抗压强度随着PAM掺量的增加而呈现出先增后降的变化趋势,且在PAM掺量为3%时,水泥土强度达到顶峰,之后又逐渐降低,说明水泥土强度的提高对PAM来说存在一个最优掺量。
2.3 水泥土内部微观结构特征
为了更直观形象地说明水泥土在不同冻融循环次数下微观结构的变化和力学特性,采用电镜扫描手段对水泥土内部微观结构变化进行分析。因水泥土强度在PAM掺量为3%时达到最大,故取PAM掺量为3%时的水泥土试样和不掺PAM的水泥土试样进行研究。图4和图5分别为未掺PAM的水泥土和掺3%PAM的水泥土在0次,3次,9次和15次冻融循环时的微观结构变化特征。
由图4可以看出,当水泥土经历3次冻融循环后,水泥土表面孔隙体积开始增大,而在9次,15次冻融循环时,水泥土表面开始出现裂纹并逐渐连通扩大。总体来看,随着冻融循环次数的增加,水泥土颗粒之间的空隙逐渐增大,内部连通的孔隙增多,结构变得疏松。这是因为,当水泥土处于冻结状态时,水泥土颗粒孔隙中的水会凝结成冰,体积有所增大,因而会对孔壁造成一定的挤压力,当这种挤压力超过水泥土的极限抗拉强度时,就会在孔隙周围产生微小裂缝等不可逆的结构变化;而当处于融解状态时,冰融解成水,水会进入到新的微孔隙中,外部的水分也会沿着孔隙通道向水泥土内部迁移,导致已有微孔隙的扩展和新微孔隙的产生,如此反复的冻融循环损伤积累,造成水泥土内部微小裂纹的持续扩展、连通,最终导致水泥土材料的严重损伤破坏。
从图5中可以清楚直观地看出水泥土在不同冻融循环次数下的微观形态变化。不掺PAM时水泥土的骨架颗粒基本以粒状为主,形状、大小各异,排列杂乱无序,且颗粒间填充较多小孔隙,联结形式基本为镶嵌接触,裂纹发育较为明显。而在掺入3%PAM后,试样的密实度明显提高,土层表面上裂纹基本不发育,偶有较小的微裂纹。在经历3次冻融循环以后,可以看到土层表面较之前光滑平整,结构变得致密。这是因为此时水泥土颗粒表面吸附了一定量的PAM,土颗粒在PAM作用下已聚合为体积较大的土颗粒团,水泥已与周围土颗粒胶结成为一个整体,试样的密实度较之前得到明显提高。而在经历9次和15次冻融循环以后,试样表面的土颗粒变的松散,大部分附着在土层表面,褶皱明显且彼此交联,土层表面微裂纹开始增多,且微裂纹中间出现了较多交错发育的针状结构。这是因为土壤颗粒表面吸附了大量PAM,已将接触面处的土颗粒层层包裹,导致土颗粒之间胶结强度降低,试样的密实度明显不足。
2.4 机理分析
综合图4和图5的试验结果可以看出,加入3%掺量的PAM可以明显提升水泥土的强度,抵抗冻融循环所引起的结构损伤,但PAM掺量也不是越多越好,当掺量超过3%时,水泥土强度不升反降,抗冻性变差。究其原因主要为[12]:
(1)PAM分子表面具有较强的活性,而水泥土中的土颗粒和水泥颗粒又对PAM分子具有较强的吸附作用,当把PAM加入到水泥土中时,PAM与水泥颗粒和土颗粒之间相互接触粘结,其表面活性可以促使水泥颗粒所包裹的水分子释放出来,促使水泥充分水化,进而使水泥基体的水化产物更加密实,达到增强水泥土强度的目的。
(2)水解后的PAM可以和水泥水化产物中的多种金属阳离子如Ca2+、Al3+等相互作用,当它们相互作用时通常会生成结构较为致密的凝胶体,而当这些凝胶体填充于水泥土微孔隙之中时,会起到柔性加筋的作用,增大了胶凝材料和土颗粒之间的粘结力,有效减少微裂纹的产生及扩散,在宏观上就表现为PAM强度和抗冻性能的大幅提高。
(3)PAM水解后离子之间会发生各种化学反应,而其本身长分子链之间又相互缠绕粘接,这使得水泥土微孔隙彼此之间相互交错联结,形成一种密实牢固的空间网状结构,这种网状结构能将水泥和土颗粒胶结连接在一起,形成一种贯穿于土体内部的整体胶结加筋结构。当水泥土受力时,这种整体胶结加筋结构就将所牵连的各个微颗粒紧紧连接在一起共同受力,从而增强了土体的抗冻性能。但当PAM掺量超过一定量时,吸附于土颗粒表面的PAM分子之间的间距过于接近,其分子间斥力增强,这样就大大削弱了土颗粒之间的相互作用力,故而导致水泥土强度和抗冻性能的大幅降低。
3 结论
(1)水泥土的冻融循环试验表明,水泥土经冻融循环后的剩余质量和单轴抗压强度随冻融循环次数的增加而逐渐降低。在前3次冻融循环内,水泥土试块只是发生表层损伤。9次冻融循环后,试块裂缝大面积扩展,表层开始出现颗粒脱落现象。而在经历15次冻融循环后,水泥土强度急剧下降,试块表面出现软化层并开始大量酥松剥落,试块已失去原有形貌。
(2)掺入适当的PAM可以有效提高水泥土的抗压强度;当水泥土中PAM掺量一定时,随着冻融循环次数的增加,其抗压强度逐渐降低;当冻融循环次数一定时,水泥土抗压强度随着PAM掺量的增加而呈现出先增后降的变化趋势,且在PAM掺量为3%时,水泥土强度达到顶峰,之后又逐渐降低,由此说明水泥土强度的提高对PAM来说存在一个最优掺量。
(3)采用扫描电镜对水泥土的微观结构特征进行分析,探讨了水泥土在掺PAM与不掺PAM两种状态下的损伤劣化机制。
(4)本文的试验现象和相应的结论对PAM水泥土在寒区工程建设中的合理运用具有重要的参考价值。
摘要：研究聚丙烯酰胺水泥土在冻融循环条件下所表现出的损伤劣化特征对于水泥土材料在寒区工程建设中的应用具有重要的参考价值。配制15%水泥掺量和3%、5%、7%、10%聚丙烯酰胺掺量的水泥土试件共20组,在冻结温度为-20℃,融解温度为20℃条件下,分别进行0,3,9和15次冻融循环试验;并在不同循环次数后对水泥土试样进行质量变化测定和无侧限抗压强度试验。在此基础上,采用扫描电镜分析水泥土内部微观结构变化,探讨冻融循环条件下聚丙烯酰胺水泥土的损伤劣化机制。结果表明,掺入适当的PAM可以有效提高水泥土的抗压强度;当聚丙烯酰胺掺量一定时,水泥土抗压强度随着冻融循环次数的增加而降低;当冻融循环次数一定时,水泥土抗压强度随着聚丙烯酰胺掺量的增加而呈现出先增后降的变化趋势,且水泥土强度的提高对聚丙烯酰胺存在一个最优掺量。
关键词：聚丙烯酰胺水泥土,冻融循环,损伤劣化,力学特性,微观特征
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冻融损伤 篇6
岩石属于天然性的多孔材料, 在其结构内部存在着大量的多尺度且不规则的孔隙, 而这样的孔隙结构状态会对岩石的宏观力学和物理以及化学特征产生直接的影响, 所以, 实现对岩石孔隙结构特征的分析和掌握, 对于岩体工程的损伤机制研究有重要的现实性意义[1]。
近年来, 随着科学技术的发展, 核磁共振技术的应用途径不断推广, 并因其自身具有的可重复样品使用和检测的无损性以及快速检测速度等明显化的优良性在岩石物理实验分析检测中得到了有效的应用。岩石质量指标, 用直径为75 mm的金刚石钻头和双层岩芯管在岩石中钻进, 连续取芯, 回次钻进所取岩芯中, 长度大于10cm的岩芯段长度之和与该回次进尺的比值, 以百分比表示。基于此, 本文主要研究基于核磁共振技术的岩石孔隙结构冻融损伤实验与质量标准。
1 核磁共振技术在岩石孔隙结构状态下的应用和研究现状
通过核磁共振技术的应用能够有效实现对于岩石样品的孔隙度、孔径分布、自由流体指数、渗透率等多方面参数的分析, 以及对于岩石分布状态和整体的细观结构进行先进检测技术的应用和推广, 这已经逐渐成为当前阶段岩石物理实验的主要分析手段[2]。而且, 通过核磁共振成像技术的应用, 还能够更加直观的对岩石的内部孔隙结构进行分析, 实现孔洞连通性的合理有效识别, 并通过先进技术的管理和支持, 实现对岩样孔隙的二维和三维结构分布以及实现对岩石中的流体驱替过程的快速检测和有效分析, 进而为岩石微观机制的有效研究, 提供有效的管理保障体制和强有力的手段力度支撑。
在我国的相关研究中, 对基于核磁共振技术的岩石孔隙结构冻融损伤实验进行中, 实现了冻土中的未冻水量的有效管理和测试, 并在有效分析的基础上提出了对于测定过程中, 所进行的相成分曲线的具体实际应用方法, 以在核磁共振技术的作用下实现了对冻土中未冻水和冰之间的关系合理分析, 然后在核磁共振的管理之下实现了模型见的孔渗比和整体参数的关系比对, 进而在几何形式的表达下进行了有效的分析和管理, 在对加压前后的核磁共振现象的具体变化特征进行了分析。
2 基于核磁共振技术的岩石孔隙结构冻融损伤实验研究
在开展有效的实验研究之前, 首先需要实现对岩石冻融过程的分析, 关于其在不同温度状态下的不同存储结构和整体现象。比如在低温状态下, 在岩石出现冻结现象时, 其孔隙内部所存在的水分子也会出现冻结现象, 造成整体体积的膨胀率有所提升, 进而使岩石内部出现较大的微孔隙损伤和拉应力, 使得岩石的缝隙和节理出现加深和扩大;而处于高温状态时, 则会出现岩石内部得到水融现象, 使得其在岩石内部进行微孔隙间的迁移, 并在不同的温度状态下出现反复的冻结和溶解, 使得张力损伤不断加速和强化, 最终造成岩石的整体张开和劈裂。
进行具体的岩石冻融循环实验时, 一般采用的是单轴压缩的实验方式, 在体现出其自身物理性的力学特征状态下, 对实验中冻融岩石的物应力-应变关系、质量变化、风化程度、冻融系数等参数进行分析, 以明确具体实验中的岩石冻融损伤的劣化机理状态说明[3]。在进行花岗岩具体的单轴压缩实验时, 其在冻融后表现出了质量的增加现象, 并且同冻融次数呈现整体性的正比一致关系, 这主要是因为在实验过程中其岩样内部有全新的微孔隙产生, 造成了水分子在岩石内部的迁移活动, 并随着次数的增加, 使花岗岩在具体的单轴抗压强度状态下呈现逐渐弱化降低的趋势, 并且还会出现岩石风化程度系数和冻融系数的逐渐降低。
另外, 在核磁共振技术的特点分析和原理应用以及基本理论支撑下, 能够实现对花岗岩的含水饱和度以及孔隙结构进行分析和测量, 以确保其核磁共振基本特性的分析和研究。并且, 通过成像技术将其微观结构在具体实验活动中进行展示, 以分析花岗岩在不同状态下的成像现象, 进而分析其岩石特性及变化规律和内部的孔隙结构分布现象, 以实现基于核磁共振技术下的冻融循环条件和状态下的变化规律分析, 并在证明实验工作有效性的基础上, 为往后冻融岩石力学的整体研究提供全新的发展建设思路, 实现有效的指导作用。
结束语
本文在对冻融状态下的岩石状态的物理学性质及基本运行理论等情况进行有效的分析, 并在冻融性损伤力学的研究基础上, 通过核磁共振技术和成像分析进行系统化的实验展示, 将其在循环状态下的核磁共振特性及力学性质以及岩石孔隙结构的演化规律进行有效的分析及相关内容的获取, 并在变化规律的演示推动下, 实现对冻融岩石力学的活动建设及方法研究提供全新且明确的思路, 并研究了其质量标准的应用, 因此具有一定的指导演化意义。
参考文献