混合作用（共8篇）
混合作用 篇1
火灾模拟在建筑安全设计、火灾事故调查中受到广泛重视,因此需要开发高效准确的火灾模拟和烟气输运模型。目前,模拟火灾烟气输运的模型根据简化程度主要分为:基于量纲分析的经验模型、基于实验观察的半物理模型(区域模型)和基于计算流体力学的物理模型(场模型、场-区模型)。其中,由于区域模型来源于火灾实验现象,计算量小,支持快速计算,因此在高层建筑火灾模拟、火灾性能评估、火灾事故调查中应用广泛。文献[1]总结了目前主要的48种火灾区域模型,其中绝大部分区域模型都将房间分为两层:热烟气层和冷空气层,每层的温度和烟气体积分数假设为完全混合均匀的。然而大多数情况下,热烟气层和冷空气层的界面并不明显,二者之间存在热质的输运和混合,特别是带有长走廊的多室建筑,混合作用更加明显,而两层模型不能精确描述这种混合。由于在火灾初期逃生的有限时间内,人员主要都在低层中,因此需要考虑这种混合作用对低层人员的影响。一种可能的改进方法是提高两层区域模型沿高度方向的分辨率,即引入三层模型。
文献[2]提出一种三层模型FASIT模拟隧道火灾。模型中,整个区域首先被分成多个子区域,每个子区域沿高度方向分成三层,每一层中,物理量(温度、烟气体积分数等)的属性假设为完全均匀的。模型的缺点是需要动态跟踪模拟2个界面,这种界面在隧道火灾模拟中相对比较容易确定,但是在建筑火灾中,由于门窗的关闭打开,导致边界条件非常复杂,因此使用该模型并不方便。
文献[3]针对单室火灾提出一种多层模型。该模型将一个房间分为若干垂直层,模拟结果与实验符合较好,但该模型推广到多层多室火灾时,会产生大量的动态界面,确定这些界面之间的物质和能量交换是非常困难的。
笔者提出一种新的区域模型,即考虑热烟气层和冷空气层的混合作用,通过一个标量函数F来表征冷热层的混合行为,并确定冷热层间的物理量分布形态。与之前的三层模型和多层模型不同,该模型混合层中的物理量并不需要假设为均匀分布。笔者用新三层模型对建筑火灾进行了模拟,并将结果与实验数据、区域模型CFAST以及场模型FLUENT的模拟结果做了对比。
1 三层模型介绍
模型中,计算区域被分成不同的子区域,每个子区域分为热烟气层、冷空气层和混合层。在湍流中,混合层的物理量分布具有自相似性,这种自相似性已经被直接数值模拟和实验证实。因此,引入标量函数F来描述混合层中的物理量分布,如烟气体积分数、温度和流动速度。通常情况下,F应该是高度、时间以及环境条件等变量的复杂函数,相关物理量Φ(温度、烟气体积分数、组分体积分数等)均是F的函数,见式(1)。
Φ=Φ(ΦU,ΦL,F) (1)
式中:ΦU和ΦL分别为该物理量在热烟气层和冷空气层的最大值和最小值。
标量函数的取值范围为0～1。当F只取0和1时,该区域模型即为传统的两层模型;当F取0、0.5、1时,该区域模型就是三层模型FASIT。一般来说,需要建立F的控制方程,并通过基于网格的方法如VOF或level set,求解F的精确分布。但由于区域模型计算量小,没有划分网格,因此无法采用上述方法来求解F,需要寻求另外的方法。
为了得到F的分布,笔者研究火灾实验中温度的垂直分布特点。Steckler进行了一系列全尺寸火灾实验,测量了温度的垂直分布。从实验数据可以发现,尽管不同的火源强度下,温度的绝对值并不相同,但其垂直分布的形态是相似的,即:混合层中,温度几乎是线性分布的,见图1所示。基于此,将F假设为线性函数,在冷空气层中,F为0;在热烟气层中,F为1;在混合层中,F从0线性增加到1。因此,模型将标量函数F定义为式(2)。
undefined
式中:Hundefined和Hundefined分别为热烟气层底部及冷空气层顶部的高度;t为时间; H为高度。
基于标量函数F,相关物理量如温度、烟气体积分数等均可以用式(3)求出。
Φ=FΦU+(1-F)ΦL (3)
需要说明的是,标量函数F也可采用其他形式或通过实验来校正。在常湍流粘性的混合层中,物理量的分布是误差函数的形式,见式(4)。
undefined (4)
式中:D和α分别为层流和湍流扩散系数;x为空间距离;t为时间;erf为误差函数。
从高体积分数到低体积分数的混合过程中,有如下表达式(5):
undefined (5)
式中:Chigh和Clow分别为高体积分数和低体积分数;Thigh和Tlow分别为高温和低温。
因此,热烟气层与冷空气层的混合行为也可以由上述公式近似表达。标量函数F也可以采用上述误差函数定义,见图1所示。可以看出,这两种分布的主要差别只是在于从冷空气层到混合层,以及从混合层到热烟气层的光滑性。为了简化,笔者采用线性分布,但可以预期,这两种分布在混合层的大部分区域内应该是相似的。
对于混合层的厚度,由湍流输运理论可知,热边界层和流动边界层的厚度取决于湍流普朗特数Pr、有效涡粘系数和扩散时间,见式(6)。
undefined
式中:*为动量扩散;**为热扩散;vt和vl分别为湍流和层流涡粘系数。烟气混合过程接近于剪切湍流,因此采用理想剪切湍流假设,用代数湍流模型来估计上述湍流涡粘系数,见式(7)。
undefined (7)
式中:U0为特征速度,undefined;S和x分别为扩展率和特征尺度。实验表明,扩展率S几乎为常数。例如,Lumley测量到当雷诺数为11 000时,扩展率为0.096,Hussein测量显示当雷诺数为95 500时,扩展率为0.102。因此,模型中扩展率取为0.1。RT代表湍流雷诺数,平面射流为31, 圆射流为35。由此即可计算湍流涡粘系数。湍流普朗特数Pr,根据实验,取为1。
根据分段线性函数F的特点、混合层的厚度Hundefined(t)-Hundefined(t)和界面位置(F=0.5的位置),即可完全确定F的分布。由于混合层厚度已经给出,因此只需要计算界面位置即可,计算方法完全与两层模型一致。
为了计算质量和能量的输运,跟踪冷热空气的界面,同时引入混合层的影响,采用式(8)计算上下层的平均物理量undefined。
式中:Hint为F=0.5时对应的高度。
考虑到标量函数的定义,可以得到式(9)。
对于混合作用的控制方程。根据密度、内能的定义和热力学第一定律以及质量守恒和能量守恒,可以推导出如式(10)所示的控制方程。
undefined
由于各质量和能量交换项与CFAST完全相同,因此可以利用CFAST的程序框架改进实现。
2 模拟结果及分析
如图2所示的建筑结构,包含1个中庭、3个长走廊和25个敞开的房间,这些房间允许烟气进入。走廊26长59.7 m、高2.67 m、宽2.4 m。走廊27长19.4 m、高2.67 m、宽2.0 m。走廊28长49.0 m、高2.67 m、宽2.4 m。选取3个模拟火灾场景,场景1火源位于中庭1的中央,场景2火源位于14号房间中央,场景3火源位于走廊26的中部。火源热释放速率假设为时间的函数,最大热释放速率为3 MW。
为了对比,分别采用三层模型、两层模型CFAST和FLUENT进行火灾烟气运动模拟。
图3、图4给出了场景1、2在150 s和300 s时温度的垂直分布。可以看出,三层模型的结果更接近FLUENT的模拟结果。这说明相比于传统的两层模型CFAST,三层模型能够提高温度垂直分布的预测精度。从图中还可以看出,由于两层模型中没有考虑混合作用,因此在界面处温度存在突跃,并导致上层烟气的温度预测值偏高。三层模型与CFD模型的偏差主要是由于混合层的厚度误差。因为混合层的厚度主要由涡粘性系数决定,模型采用了常数值,实际上更精确的方法应该是采用湍流模型给出。正是这个因素导致了混合层厚度的预测误差,从而导致温度偏差。
高度为1.5～2.0 m处的物理量分布对于人员疏散至关重要,影响人员安全。从图3、图4可以看出,此高度范围恰好位于混合层中,因此考虑混合作用的影响是很有意义的。从预测结果看,1.5～2.0 m的高度范围内,三层模型更接近CFD的预测结果,比两层模型CFAST有较大改进。
从图3、图4的温度分布来看,随着时间的推移,走廊的预测结果逐渐精确,而靠近火源的房间则变差。原因在于烟气在走廊和房间的输运方式不同。在走廊中,混合层的发展需要更长的时间,混合作用的影响更大。在混合层的发展阶段,走廊中持续时间更长(如场景1和3超过300 s),三层模型在这个阶段预测更精确。而在场景2中,房间中的混合层发展得更快,可能在更短的时间内出现改进。因此,三层模型更适合预测长时间的走廊烟气分布和短时间的房间烟气分布。
在某一高度处的温度分布对于人员疏散十分重要,而且走廊中的温度和烟气高度会影响其他房间。因此,给出用三种方法预测的2 m高度处走廊的温度变化,见图5所示。其中,CFD的结果是将走廊1/4、1/2、3/4宽度处的温度平均后给出的。
从图5可以看出,三层模型预测的2 m高度处的温度分布更接近CFD预测结果,特别是在靠近火源的走廊中。如图5(a)和图5(c)中,由于火源位于中庭1,热烟气和冷空气的混合导致三层模型对于走廊26和28的温度预测结果比CFAST要低,更接近CFD预测结果。当混合层中的烟气从走廊26和28进入走廊27时(约250 s左右),走廊27的温度预测值也开始低于CFAST的预测结果。但同时可以看出,三层模型的结果仍然比CFD的模拟结果偏高,原因是当前的三层模型仅考虑了垂直方向的混合作用,当动量输运变弱时如烟气进入走廊27时,水平方向的混合作用会变得明显,三层模型没有考虑这种影响,故存在一定的误差,并且这种误差会在距离火源房间较远的地方更加明显,如在场景1中走廊27。以上分析同样适用于场景2和场景3。
下面比较一下三种模型的计算时间。模拟是在Intel Core2 Duo 2.4G 的CPU下完成的。CFAST模型对于三个场景的计算时间分别为8.41、8.40 s和7.17 s,三层模型的计算时间分别为14.95、14.90 s和11.88 s;而CFD完成三个场景分别需要39、42 h和38 h。可以看出,三层模型和CFAST都能显著降低计算时间,同时三层模型尽管计算时间比CFAST略多,但却能显著提高预测精度,同时时间的增加量在工程上也是可以接受的。
3 结 论
提出了一种考虑混合作用的烟气输运模型,该模型适合模拟复杂建筑或空间的火灾烟气传播过程。与传统的两层区域模型CFAST不同的是,模型将空间分为三层,在传统的上下两层结构的基础上加入混合层,并引入标量函数来表征混合层中的物理量。
笔者只是对该模型做了初步验证和确认,后续还需要更为细致的考核(如用不同的火灾场景、边界条件等),以此给出模型参数的敏感性分析,以便为将来的模型改进提供参考。
参考文献
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混合作用 篇2
关键词：纤维 沥青马蹄脂碎石 作用
引言
目前，我国市场上的纤维包括有机纤维、木质素纤维、玻璃纤维和矿物纤维等。有机纤维是以高聚物为原料经化工处理后得到的，常用的有聚酯纤维和聚丙烯睛纤维;木质素纤维是天然木材经过化学处理得到的有机纤维，但路用木质素纤维与木质素纤维是有差别的，路用木质素纤维是以木质素纤维为原料，采用先进的复合工艺使其与非金属矿超细粉复合最终制得的纤维产品，所用原料包括废旧报纸、废旧木质素纤维等，这使得路用木质素纤维的生产减少了对天然木材的大量使用;矿物纤维是从石料中经过加工和一系列物化过程处理后得到的。
1 概述
混合作用 篇3
[关键词]审计；混合所有制经济；经济改革
混合所有制经济改革，指的是我国在国有资本投资项目中允许非国有资进行参股投资的一种经济制度，其对于促进我国社会经济结构完善具有较为重要的推动作用。虽然混合所有制经济改革能够对我国社会经济体系进行有效完善，进一步加快我国国有企业与新经济环境下的市场融合，但是在混合所有制经济改革中依旧存在不少问题，影响着国有企业和非国有企业的有效融合。本文就将对审计在混合所有制经济改革中的作用进行详细探讨，为进一步促进混合所有制经济改革提供强大推动力。
一、当前我国混合所有制经济改革重心
（一）进一步加快改革脚步
在上一轮国有企业经济改革中，其改革核心主要是合理利用市场经济手段，将国有企业正式纳入我国市场经济竞争体系中，以此来实现国有企业经营和管理机制的改革和创新。而在上一轮经济改革中，我国国有企业不仅成功挺过难关，更使得自身实力有了飞速进步，经营规模和企业实力也有了显著提升。但是在此时混合所有制经济改革中，却存在一个明显问题，那就是当非国有资本融入国有资本之后，国家为了能够确保对国有企业的掌控力，其企业经营管理者将会依旧采用任命制的方式。这种方式，就会给非国有资本的投资人带来一定的心理负担。因此，为了能够有效解决该问题，我国必须进一步加快改革脚步，尽快对改革机制进行完善，全面体现出混合所有制经济改革中的公平、公正原则性，消除或者是减轻非国有资本投资人的心里负担。
（二）合理运用市场调节方式
就当前我国社会经济的改革和发展情况而言，混合所有制经济已经成为我国社会经济发展的必然趋势，因此，在改革过程中除了要对混合所有制改革机制进行完善之外，还应该对混合所有制经济下的国有企业管理和经营方式进行有效调整。首先，在国有企业的经营和管理工作中，为了充分体现出其经营和管理工作的合理性和市场主导性，应该最大限度减少政府行政干预，合理运行市场调节方式对企业经营和管理中存在的问题进行有效解决[1]。其次，在混合所有制经济中，国有企业还应该对企业内部的经济组成进行明确，对国有资本和私有资本的占比进行合理分配，要确保非国有资本投资方的利益，避免对非国有资本投资者造成影响。
在混合所有制经济下的国有企业的经营和管理中，一定要尽可能减少政府对企业经营和管理工作的干预，尤其是不能过分参与到企业资源的配置工作中。否则国有企业的经营和发展就会收到政府的左右，非国有资本投资者的权益得不到有效保障，就会对非国有资本和国有资本的融合造成一定影响，进而对混合所有制经济改革造成影响。
二、审计在混合所有制经济改革中所具有的作用
（一）对国有企业的活动和决策进行审计
在混合所有制经济体系下，对国有企业的活动和决策进行审计是非常有必要的。首先，通过审计工作，对国有企业经营和管理活动以及决策的合法性和成效进行审计，避免因为企业管理者的个人问题而影响到所有人的利益。其次，通过对国有企业的活动和决策进行审计，能够充分体现出企业经营和管理的公平性、公正性，有效消除非国有资本投资者的心理负担，促进混合所有制经济改革的有效进行[2]。
在对国有企业经营和管理活动、决策进行审计的过程中，重点对企业活动和决策的合法性进行审计，并对其可能造成的影响，尤其是对非国有资本投资者利益的影响进行判断。如果在审计中发现企业活动和决策存在违法性，要及时对其可能造成的影响进行控制，尽可能降低弱势方，即非国有资本投资者的经济损失，避免对非国有资本参与混合所有制经济改革的积极性造成影响。
（二）对国有企业改革中的合理性进行严格审计
在混合所有制经济改革的大背景下，为了能够有效促进国有企业自身的经营和管理体系改革，应该对其改革的合理性进行严格审计，并将审计工作严格落实到企业改革的每一个环节。在混合所有制经济改革体系之下，除了要对非国有资本投资者的利益进行保障之外，还应该对国有企业的经济利益进行有效保障，避免其经济效益受损。比如，在引入国有资本投资，对国有企业资产进行出售的过程中，应该确保独对信息进行及时发布，并确保其信息发布的公平性、公正性和公开性，使每一个有意愿参与到国有企业投资中的投资者都能够在第一时间获得最准备、最有效的资产出售信息，避免因为有心人士暗箱操作而出现国有资产被低价出售或者是非国有资产被高价收购的情况，避免国有企业资产无端流失，对企业经济效益造成影响。
（三）对国有企业财务收支情况进行审计
通过企业资产收支情况审计，能够对国有企业财务收支真实性和有效性进行确定，避免造成不必要的经济损失。在对国有企业财务收支进行审计的过程中，要根据相关法律法规规定，公平、公正、公开的对国有企业在混合所有制改革下经营期间的会计信息、企业账务、帐表以及企业资金流向等进行详细调查，并判断其真实性，避免出现错账假账和企业资产被非法挪用等问题的出现，对国有企业自身和非国有资本投資者的经济利益进行有效保障[3]。
（四）对国有企业资产进行审计
对国有企业资产进行审计的主要目的，是对任命的管理者的经营和管理情况进行详细检查，避免因为企业资产出现漏洞和统计失误，对企业经营和管理工作的顺利进行造成影响。在国有企业的经营和管理工作中，经营管理者多数为任命制，所以新老管理者在交接时经常会出现忽略对旧账进行管理和不对新旧张进行核算等问题，进而导致国有企业资产管理出现漏洞或者是统计失误。因此，为了避免国有企业资产管理出现漏洞，造成不必要的经济损失，在企业经营和管理工作中，一定要对企业资产进行合理审计，在对企业新旧张进行分别审计的同时，再对二者进行统一核算，以全面确保混合所有制经济体系下企业拥有者的经济利益不会遭受损失。
结束语
混合所有制经济改革，是我国市场经济发展的必然趋势，也是确保我国社会经济能够得到进一步提升的最佳保障。但在混合所有制经济体系下，作为弱势方的非国有资本投资者的利益容易蒙受损失，因此，为了能够有效解决该问题，确保非国有资本投资者的经济利益，进一步推动混合所有制经济改革的顺利进行，就需要充分发挥审计的作用。
参考文献
[1]陈琼.论国企混合所有制经济改革中的股权制衡[J].经管视线，2014（07）.
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混合作用 篇4
众所周知,沥青路面作为外部结构物不可避免地承受外部环境的影响,其工作状态是在水、温度和荷载的综合重复作用下进行的。在正常使用条件下,沥青混合料也会受到水分的反复侵蚀,其长期路用性能将会不可避免地降低。目前,有关水对混合料性能影响的研究大部分集中在分析沥青混合料的水敏感性和抗水损害材料的开发上,而对水、温作用对沥青混合料长期性能产生多大的影响,路面在此条件下的疲劳寿命衰减等方面的研究工作进行得较少。为此,本文针对这些问题进行了初步的试验研究和探讨。
1 水、温动态作用的模拟
大气降水通过沥青路面的裂缝、空隙,并在行车荷载所产生的路表动水压力作用下进入路面内部。在车辆荷载的重复作用下,路面材料承受拉、压、剪重复应力作用,结构内部产生孔隙水压力,使水反复冲刷沥青与集料的界面,从而造成沥青与集料的剥离,导致沥青混合料的松散和路面使用性能的衰减,甚至发生结构破坏。同时,在我国的大部分地区,沥青路面也经受着冻胀和融解的循环作用,造成路面长期路用性能的降低。为了模拟沥青路面材料所承受的这种水、温和荷载的动态综合重复作用,我们进行了如下试验设计:
(1)
采用单轴压缩重复试验和间接拉伸重复试验来模拟路面在重复荷载作用下的重复拉压应力作用。
(2)
采用三种试验条件来分别模拟路面的仅荷载作用状态(基准条件)、水-荷载耦合状态(动水条件)和水-温度-荷载综合状态(冻融条件),并对三者进行强度和疲劳寿命分析,试验条件定义见表1。
(3)
采用空隙率水平为6%,表面施工压实度达到98%时正常沥青路面现场空隙率水平。
(4)水环境箱设计
为了模拟水-荷载耦合作用下沥青混合料在路面中所处的环境状况,在材料试验系统MTS基础上设计加工了一个固定于MTS上的方形水环境箱,箱底厚10mm,长、宽皆为230mm,高180mm,壁厚3mm。环境箱通过螺杆与MTS下压头连接固定。试验中将试件置于箱中,并注入纯净水(漫过试件顶面)。在重复加载试验过程中,MTS压头向下施加荷载时,整个试件受到挤压,混合料中的孔隙体积减小,使得饱水试件内部的孔隙水快速挤出;当MTS压头上升撤消荷载时,混合料中的孔隙体积恢复形成了负压,使得混合料的内部孔隙又重新饱水。这样的反复挤压-泵吸过程模拟了车轮荷载经过前后的路面内部孔隙水运动形式。而从图1试件破坏断面自然风干后的表观状态中可以看出,水的作用弱化了集料与沥青的粘结作用,表现为集料表面发亮、颜色较浅。由此,可以推断出集料表面的沥青膜变薄,说明动水的作用侵蚀了集料表面的沥青膜,从而导致了混合料使用寿命的降低。
动水条件下试件受力示意图见图2。
(5)荷载的施加
荷载采用半正矢波荷载,荷载频率10Hz,采用应力控制的加载方式。
(6)破坏点的定义
目前对疲劳曲线的破坏点有几种不同的定义,我们采用的是三阶段法。图3给出了典型的单轴压缩和间接拉伸疲劳曲线。材料的性能变化可以分为3个阶段:第1阶段,初期压密阶段;第2阶段,弹性变形阶段;第3阶段,破坏阶段。破坏点(疲劳次数)定义为弹性变形阶段和破坏阶段的分界点,即重复加载曲线的第2个拐点,实际上从该点开始试件裂缝迅速扩展,破坏急剧增大。
2 沥青混合料设计
2.1 原材料
试验采用秦皇岛AH-90号重交通道路石油沥青,各项技术指标见表2。石料采用黑龙江地产玄武岩石料,石料及矿粉各项指标均满足规范要求,石料粘附性为5级。
2.2 混合料级配
采用的级配为《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40—2004推荐的AC-16中值,见表3。采用旋转压实成型,按照Superpave设计法确定最佳油量为4.5%。在最佳用油量下成型直径×高度为100 mm×100 mm的单轴压缩试件,直径×高度为100 mm×63.5 mm的间接拉伸试件。
3 试验结果及分析
3.1 间接拉伸重复试验
间接拉伸重复试验每个应力水平下采用4～5个平行试件,试验结果在满足方差要求时取均值。在试验中为了对比同等应力水平、不同试验条件下试件的疲劳寿命,先进行基准条件的试验,而后进行动水条件和冻融条件的试验,取与基准条件相同的应力水平。应力与疲劳次数的双对数曲线如图4。
由间接拉伸重复试验应力与次数双对数关系图中可以看出,相关系数R2值均大于0.95,说明重复试验应力与次数的对数之间存在良好的线性相关性,采用传统的应力控制疲劳方程Nf=k(1/σ)n,得到不同条件下的疲劳方程。
基准条件下的疲劳方程:
Nf=20.2×(1/σ)3.0589
动水条件下的疲劳方程:
Nf=18.8×(1/σ)2.9272
冻融条件下的疲劳方程:
Nf=9.1×(1/σ)2.9991
式中:σ为疲劳试验中试件所受间接拉伸应力,MPa;Nf为疲劳寿命,次。
3.2 单轴压缩重复试验
单轴压缩重复试验应力与疲劳次数的双对数曲线如图5所示。
同样,我们可以得到单轴压缩重复试验不同条件下的疲劳方程:
基准条件下的疲劳方程:
Nf=7870.5×(1/σ)3.7559
动水条件下的疲劳方程:
Nf=5596.3×(1/σ)4.6882
冻融条件下的疲劳方程:
Nf=2924.2×(1/σ)2.2178
式中:σ为疲劳试验中试件所受压缩应力,MPa;Nf为疲劳寿命,次。
3.3 试验结果分析
3.3.1 强度分析
从强度的角度分析,从图6中可以看出无论是哪种受力模式,动水条件和冻融条件下强度明显降低(降低了20%～30%左右),且后者的不利影响大于前者,这说明水的存在对沥青路面的耐久性极为不利,并且冻融循环加剧了沥青路面耐久性的损失。同时也可以看出冻融条件下,间接拉伸较单轴压缩强度相对降低得更大(相差12%),这是由于在宏观上冻融循环所导致的集料与结合料之间粘附性的下降,拉伸受力模式表现的更明显。
3.3.2 疲劳寿命分析
为分析方便,我们根据得到的疲劳方程选择若干个应力水平(拉伸情况选择0.08、0.16、0.24、0.34、0.44MPa,压缩情况选择0.7、0.9、1.1、1.3MPa)进行比较,分析相应应力水平下的疲劳寿命。
首先,我们分析动水条件下的情况:在间接拉伸受力模式中,与基准条件相比,在低应力水平0.08MPa时疲劳寿命从45 781次降到30 552次,降低了33%;在高应力水平0.44 MPa时疲劳寿命从249次降到195次,降低了22%。而在单轴压缩的受力模式中,在低应力水平0.7 MPa时疲劳寿命从30 047次降到29 793次,降幅仅1%,随着应力水平的提高,寿命降低的程度明显加大,在高应力水平1.3 MPa时疲劳寿命从2 938次降低到1 636次,降低了44%。这些数据表明了在有水存在的情况下,标准轴载下动水作用对沥青混合料路用性能的影响不明显,而在重载条件下动水的破坏作用则非常显著。这就证明在水和荷载耦合作用下,高应力水平比低应力水平导致沥青混合料性能显著下降的幅度更大。根据大量文献分析,目前我国交通重载问题突出,路面的早期损坏现象严重,我们可以推断,在重载条件下水-荷载耦合作用是路面损坏的一个重要因素。从2种应力模式的不同表现也可以看出:不同的受力条件对于水-荷载耦合作用反映也是不同的。
同样,我们对冻融条件下的结果进行类似的分析和比较:在间接拉伸受力模式中,不同应力水平下疲劳寿命降低幅度基本上都在60%左右,而在单轴压缩受力模式中,在0.7MPa时疲劳寿命降到6 450次,与基准条件相比降低了79%;而在1.3MPa时疲劳次数为1 634次,与基准条件相比降低了44%。可以看出冻融条件下疲劳寿命的降低幅度(44%～79%)比动水条件下疲劳寿命的降低幅度(1%～44%)要大很多,这说明温度因素(冻融循环)的加入进一步降低了沥青混合料的使用寿命。
综合分析动水条件和冻融条件下的疲劳对数曲线,我们可以看出,2种不同条件对沥青混合料破坏的外在反映是不同的,结合图7试件破坏界面的表观状况,我们试从微观的角度对其进行解释。
动水条件下,在长期浸泡过程中,裹覆集料的沥青膜最外层在水的作用下产生大量微小的球形孔洞,沥青膜表面变成多孔状态(Porous),造成最外层沥青膜软化(Spongy)。而在外界荷载产生的动水作用下,外层被软化的沥青膜先被冲刷掉,继而暴露在最外层的新沥青膜又产生新的孔洞,进一步软化,这样集料表面的沥青膜逐层被水“侵蚀和铣刨”。宏观表现就是集料表面的沥青逐渐发亮,颜色逐渐变浅。当外界作用加强时,这个过程就会加速,所以表现为重载条件下沥青路面损坏时间的缩短。
冻融条件下,不但有上述水的“侵蚀”作用,而且加入了冻融循环的作用,集料与沥青结合料的薄弱界面处发生开裂(Cracking),进而导致开裂处集料的片状剥落(Flaking)及结合料的剥离(Strip-ping),这种破坏的宏观表现就是在集料与结合料的薄弱面处出现了沥青的完全剥离、部分集料的裸露。
4 结 语
水、温的存在对于沥青混合料的长期性能有着不可忽视的影响,为了量化这种影响,文中首先进行了水、温动态作用模拟的试验设计,采用间接拉伸重复试验和单轴压缩试验来反映3种条件下的沥青混合料性能的差异。从试验结果中可以看出,文中设计的试验在一定程度上模拟了水、温、荷载综合作用下实际路面所处的状况。当然这些模拟条件需要进一步研究和量化,这是笔者进一步研究的重点。通过以上相应的试验研究和结果分析,得到了以下初步结论:
(1)有水存在的条件下,沥青材料的强度和寿命出现了明显的衰减,应更加重视环境因素对沥青材料性能的影响。
(2)重载条件下,水-荷载的耦合作用对沥青路面使用寿命的衰减作用更加明显。重载条件下的水-荷载耦合作用是路面损坏的一个重要因素。
(3)动水作用和冻融作用对集料-结合料界面的破坏机理是不同的,反映在微观界面和宏观表现上有明显的差异。
(4)在水分-荷载-温度耦合作用下沥青混合料的使用性能衰减将会加速,这在实际情况中也是不可避免的。因此,为了得到使用性能良好的沥青混合料,应该考虑在混合料设计和选择阶段按照本文的试验设计进行材料性能评价。
(5)需要进一步试验验证及相应的力学理论计算验证,以量化环境与荷载综合作用。
摘要：相应的试验设计在一定程度上模拟了实际沥青路面的水、温、荷载作用状况;水、温的动态作用使得沥青材料的使用寿命发生明显衰减;重载条件下,水-荷载的耦合作用对沥青路面使用寿命的衰减作用更加明显。
混合作用 篇5
目前,地热流体回灌作为维持资源可持续开发利用的一种有效措施,已成为当今地热资源管理的一个重要组成部分。地热流体成份主要来源于围岩[1],水化学特征的块段性差异能应用在判断断层的性质[2]。研究表明[3],热储中水化学场、温度场和水动力场之间的动态变化是息息相关的。地热流体回灌过程中,由于回灌水的温度比热储温度低,且水化学组分的浓度也可能与原热储层流体存在一定的差异,因此,除了水动力场和温度场的变化之外,热储回灌尤其异层采灌还是可能导致水化学场的变化。由于不同水质相遇引起的化学反应往往难以预测,利用室内实验方法模拟不同水质地热流体混合不能准确反映实际情况,而利用成熟的地球化学模拟方法能有效解决上述问题。
陈宗宇[4]用地球化学程序CHILLER来模拟回灌过程中影响储层特性的多组分水-岩相互作用,通过模拟了解回灌的地球化学效应以帮助确定如何实施回灌。郑西来[5]等用水样的氧同位素、氯离子浓度和温度观测资料建立了混合模型,计算得到了冷、热水的混合比例。毕二平[6]通过对冰岛Laugaland低温地热田回灌模拟的结果表明:在用地热尾水回灌时,由于化学动力学方面的原因,不会有石英等矿物沉淀,只有可能出现很少的方解石沉淀;而在用地下水进行回灌时,混合水中会发生较为明显的含镁硅酸盐沉淀。张晓伦[7]等运用PHREEQC软件对冷、热水混合作用进行模拟,得出山西省忻州市奇村地热田冷、热水的混合比范围为1.0∶1～3.2∶1。前人对地热流体的混合模拟研究主要集中在计算同层地热流体回灌饱和系数及确定地下冷水与热水的混合比,但限于资料,对不同水质混合比例随时间推移的变化规律的研究还不多。
本文以天津市津南区JN-05(雾迷山组)、JN-05B(奥陶系)一对异层开采-回灌对井为例,基于PHREEQC软件对混合作用进行不同比例模拟,并与历年的水质分析资料进行拟合比对分析,以便从时间尺度上分析其演化规律,可以帮助我们去理解并预测回灌过程中发生的化学作用,从水文地球化学角度为地热资源的合理开发利用和保护提供依据。
1 地热对井概况
JN-05、JN-05B对井系统位于天津市津南区八里台东南的农业科技园北端,于2002年中旬施工完毕并投入使用,主要用于园区种植、养殖及建筑物供暖。地热资源使农业生产多元化,当地围绕该地热对井建立一个现代化农业园,加快了经济发展。
JN-05是一眼的中元古界蓟县系地热井,井深3093.9m,热储层岩性为雾迷山组三、四段白云岩,出水温度88.1℃,开采量80～100m3/h。JN-05B井是一眼古生界奥陶系地热井,井深2024.4m,储层岩性为灰岩,出水温度62℃,出水量60～100m3/h。该对井构造位置位于沧县隆起东部小韩庄凸起-万家码头地热田的中部,小韩庄凸起在平面上呈北北东(NNE)向展布,在空间上为一个南高北低的断块状剥蚀孤山,东部、南部陡峭,北部、西部平缓。对小韩庄凸起地热地质影响最大的是东部北北东(NNE)向的沧东断裂,同时北东(NE)向的小营盘断裂和咸水沽断裂两条断裂,对本区地层分布和水热系统也有一定的影响[8](图1)。
天津地区目前的采灌模式主要有[9]:同层一采一灌、二采一灌、三采二灌和异层一采一灌、二采一灌。鉴于奥陶系地热井可灌性较好,该对井系统形成了以JN-05开采向JN-05B回灌的异层一采一灌运行模式(图2)。
2 PHREEQC模型及原理简介
PHREEQC是由美国地调所开发的水文地球化学模拟软件,它是C语言编写的进行低温水文地球化学计算的计算机程序,其主要是根据用户的输入命令,PHREEQC将选择其中的某些方程来描述相应的化学反应过程,这些方程组成的方程组,采用改进的牛顿-拉斐逊(Newton-Raphson)方法进行迭代求解。
PHREEQC共提供了4个数据库供用户进行选择应用。输入文件是需要用户编写的文本文件,文件给出命令(反应模式)供模型读入并进行模拟,也可以在此文件中对数据库进行修改和特别选择计算输出结果;标准输出文件是PHREEQC在模拟运算过程中的输出结果;选择性输出文件是根据用户需要选择性输出的计算结果。国内目前对PHREEQC的应用多限于进行化学组分的分析[10]。
3 PHREEQC混合模拟分析
深部热储中地热流体处于相对高温高压环境,无外界作用时,其化学组分与围岩达到或接近平衡。比如热储层地热流体中CO2分压一般为PCO2=10-3kpa,地热流体水样采自离心泵抽水管管口,由于离心泵的机械作用,取水时剧烈冲击振荡,以及压力的降低,促使CO2迅速挥发,因此导致下列反应式向右进行[11]:
由公式(1)可以看出随着PCO2减小时,碳酸盐容易沉淀析出;而PCO2值增大时,碳酸盐就会转化为Ca2+、HCO
表1是回灌水(JN-05地热流体换热后的尾水)及回灌井JN-05B完井时地热流体主要离子含量数据,可以看出回灌水水质与开采井地热流体主要组分含量比较接近,二者均为Cl·HCO3-Na型、弱碱性水。表2是回灌井JN-05B接受JN-05井回灌后从2003～2010年地热流体中主要组分含量水化学资料。多年连续回灌后回灌井随时间推移流体中各离子含量相对稳定,可以看出异层回灌对回灌井热储流体影响不大。
本次模拟分5个步骤:(1)应用JN-05B完井时流体中主要离子含量等数据,定义该回灌井水质,之后考虑热储的CO2分压使该流体在LogPCO2=-3下平衡。(2)应用JN-05井(2002年)回灌水中主要离子含量数据,定义开采井的水质。(3)将开采井JN-05与回灌井流体JN-05B流体以0.1∶1～1∶1比例混合,计算不同开采-回灌混合比例地热流体主要组分含量变化。(4)回灌井历年主要组分含量数据,考虑热储PCO2使该流体在LogPCO2=-3下平衡(表3)。(5)将模拟计算值与平衡后的回灌井数据进行Q聚类分析并对流体中主要组分的拟合对比,得出不同混合比例随时间变化的规律。
(注:实测数据;桶状液体;分析单位:天津市地质矿产测试中心;检测依据:DZ/T 0064-1993、GB/T 8538-2008、GB7466～7494-1987;主要仪器:AA6800原子吸收仪、722RS分光光度计、752N紫外分光光度计、ICP等离子体发射光谱仪;pH值单位除外)
(注:实测数据;桶状液体;分析单位:天津市地质矿产测试中心;检测依据:DZ/T 0064-1993、GB/T 8538-2008、GB 7466～7494-1987;主要仪器:AA6800原子吸收仪、722RS分光光度计、752N紫外分光光度计、ICP等离子体发射光谱仪;pH值单位除外)
4 模拟计算结果分析
4.1 Q聚类分析
由模拟结果可以看出,在考虑PCO2的情况下,随着混合比例的增加,HCO
从聚类结果来看,在对井系统运行初期,混合比与检测值之间有较高的相关性:2003～2006年检测值随着混合比增加相关系数均在为0.9000以上,其中2003年检测值与0.2∶1的模拟结果相关系数达到0.9432,混合比例与时间呈明显的正相关关系。随着时间推移,实测值(2007～2010年)与混合比(0.6∶1～0.7∶1)与之间的相关系数稳定在0.9000～0.9200之间;与0.8∶1～1.0∶1混合比例之间的相关系数小于0.9000。这与实际情况是相符合的,因为热储层中地热流体有一定的运移速度,这会影响回灌井中混合化学反应,使地热流体中的离子组分含量稳定在小于1.0∶1的某个混合比例。
4.2离子组分含量模拟结果对比
由图3可以看出,在考虑存在PCO2的情况下,HCO-3、Ca2+、Mg2+组分含量略有升高,Cl-含量呈明显的下降趋势,在混合比例0.1∶1～0.6∶1之间的模拟值与2003～2006的JN-05B井水质跟踪检测值拟合较好,整体趋势一致。而在2007～2010年的检测值与混合比例0.6∶1的模拟值较为接近,这与上述聚类分析结果一致;Na+、SO42-组分含量比较平稳,与混合模拟结果整体趋势一致。
5结论
(1)通过跟踪检测JN-05B回灌井地热流体2003～2010年水质可以看出,该回灌井流体离子组分含量稳定,雾迷山开采井的地热尾水回灌并没有给该层地热流体造成较大影响。
(2)水化学分析工作现场测试是非常重要的,运用PHREEQC模拟计算时,地热流体参数如:PCO2、氧化还原电位等都是根据经验值给出的,如能现场测试地热流体中TDS、pH、PCO2等,就能获得接近自然条件下的计算参数,使模拟结果更加精确。
(3)通过数值模拟计算发现,JN-05井回灌水与JN-05B井储层流体混合比例在混合初期(2003～2006)与时间呈明显的正相关关系,随着时间推移混合比例稳定在0.6∶1～0.7∶1之间。笔者认为这种现象与热储层中地热流体的运移速度有一定的关系。
摘要：天津市是全国少有的几个能够做到地热流体回灌的城市,截止到2011年底地热流体回灌量为908.64×104m3。随着地热资源开发力度加大,异层采灌系统近年来也不断增加。回灌过程中不同水质的地热流体发生的地球化学作用是很复杂的,没有地球化学作用过程的模拟,很难了解并预测异层采灌对回灌井热储层水质的影响。本文以一对异层采灌模式的对井为例,采用PHREEQC软件模拟不同比例异层流体混合后随时间推移的变化规律,为合理开发和保护地热资源提供依据。
混合作用 篇6
进入二十一世纪以来, 世界各国对改善环保和降低能源消耗呼声日益高涨, 传统汽车普遍使用的燃油发动机存在各种弊病, 如油耗高、尾气排放性能差等。虽然纯电动汽车能解决上述问题, 但是目前的电池技术阻碍了电动汽车的发展应用, 所以就出现了混合动力汽车, 这一新能源过渡车型, 预计未来30年最有潜力的车型。
混合动力汽车 (HEV, Hybrid Electric Vehicle) 是指车辆同时采用两套动力系统;燃油发动机驱动系统和电力驱动系统。由于混合动力汽车采用两套动力驱动系统, 对各个控制单元之间的数据信息传递的实时生和可靠性也提出了很高的要求, 这就是基于气制动商用车的混合动力整车控制器 (HCU) 。
1 混合动力公交车的能量回收的工作原理及ABS的作用
为了能更加有效的利用电力驱动系统, 我公司参与了国内某商用车技术中心客车开发部联合开发的混合动力公交车再生制动能量回收系统, 目前正进行道路可靠性试验, 测试整车的节油率。针对混合动力公交车有频繁轻柔刹车的特点, 整车控制器HCU根据制动踏板开度信息, 在满足能量回收条件下, 电机逆转制动进行能量回收对电池进行充电, 但是气压制动的存在阻碍了一部分能量回收且为了保证电机制动和气制动力矩和要满足制动力矩安全需要, 针对这种情况通过ABS系统的电磁阀控制制动气室的瞬时气压, 就可以最大限度进行能量回收和满足制动力矩需求。目前根据道路试验, 在频繁轻柔刹车的情况下, 测试时节油率能达到10%以上。
2 基于混合动力公交车的ABS硬件系统概述
下面分析混合动力公交车的ABS系统是的硬件构成。
2.1 ABS控制器
ABS控制器安装在防水、防尘的位置, 推荐在驾驶室内, 接近性要好, 便于诊断。ECU工作温度范围:-40°C-+80℃。用外接电源为车辆充电时, 要将ECU电源断开, 防止外界高电压损伤ECU。当车辆需要电焊时, 断开CEU。不得用万用表测量ECU。各部件的拆装必须在停电后进行, 并保持各部件清洁、干燥。不得随意改变保险丝容量。
2.2 ABS电磁阀
ABS电磁阀是ABS系统中的执行组件, 用于制动压力的控制, 即减压﹑增压或保压。在混合动力系统中要求保压的时间较长, 在台架进行保压300秒测试, ABS电磁阀没有压力泄漏, 温升不高, 可以满足需要。
2.3 电磁式轮速传感器
采用通用气制动ABS系统的电磁式轮速传感器, 没有特殊要求。
2.4 电压式压力传感器
压力传感器分别安装在后桥两个双腔制动气室上, 用于监控两个制动气室压力。注意在初次安装使用时, 应首先压力标定零点;车辆贮气筒气压应为8bar, 踏板踩到底时, 测试的压力数据最大值标定为8bar。
2.5 快速充气阀
快速充气阀的出气口安装在后桥比例继动阀的其中一个控制气路口, 其进气口安装在附近贮气筒上。目的是在车辆轻踩踏板制动时, HCU要求ABS保压值较高时, ABS可以快速对制动气室充气达到HCU能量回收时所需的目标压力值。
2.6 ABS线束和保险
ABS线束的作用是通过连接ABS各组件以及ABS与整车配电系统, 使ABS系统正常发挥效能;另外从ABS控制器引出CAN线与整车控制HCU的CAN线相连, 进行相互通讯。
3 ABS系统与整车的通讯
ABS与HCU通过J1939通讯协议相互通讯, 可以更好进行配合再生制动的完成, 防止出现制动力矩过大或过小。HCU发送给ABS的报文如下。
3.1 目标压力
实时发送给ABS需要调控后桥制动气室压力值。
HCU压力控制使能:发送置1报文ABS压力控制, 发送置0报文ABS不进行压力控制。即HCU满足进入能量回收工作模式的条件, 这时允许ABS调控制动气室压力;反之, 不允许。
3.2 控制报文循环计数值
初始值为1, 每发送一次报文该值加1, 255次后置1, 如果ABS不能接收到时不进行压力调控, 如CAN线物理断开等情况。
制动踏板开度:发送给ABS踏板踩下行程的信息。
3.3 ABS发送给HCU的报文
后桥左、右制动气室压力:实时发送ABS调控的制动气室的压力值。
3.4 滑移率报警
如果在制动时有抱死趋势时, ABS发送报警信息给HCU, ABS这时不参与能量回收工作;HCU这时也不进入能量回收工作模式。
3.5 ABS故障信息
发送ABS故障信息给HCU, 这时HCU不能进入能量回收工作模式, 当解除ABS故障后, 不发送故障信息时, HCU在制动时才能进入能量回收工作模式。
4 ABS在制动能量回收模式下的功能实现
在混合动力公交车进行轻柔制动时, 在满足制动能量回收模式下, HCU通过CAN总线给ABS发送目标压力信息和踏板开度信息等报文;ABS控制器控制快速充气阀对后桥制动气室充气, 并根据压力传感器信息反馈控制ABS电磁阀对制动气室目标压力值保压并及时给HCU发送相关信息报文;在整车低于5公里/小时, HCU退出能量回收模式, 取消电机制动, 同时ABS也取消对快速充气阀控制, 车辆进入传统气制动模式。整个制动能量回收过程中, ABS能随时按照HCU的要求进行调控后桥制动气室的气压, 既保证了制动能量回收的需求又保证了整车制动力的要求。
在特殊路况下, 混合动力公交车在制动能量回收模式下, 或者紧急制动时, 车轮有抱死趋势, ABS会发滑移率报警报文给HCU, 解除制动能量回收模式下的ABS工作模式, HCU收到报文后则停止能量回收, 混合公交车进入正常制动模式, 可以有效避免车辆出现抱死、侧滑、甩尾等现象。
ABS系统的零部件有故障时, 例如有一个压力传感器没有压力信号;ABS警告灯会亮且会发送报文给HCU。HCU收到报文后, 车辆制动时不进入能量回收模式。
摘要：针对混合动力公交车, 由整车控制HCU主导和防抱死系统ABS辅助配合, 按照公交车频繁轻柔制动的特点进行道路试验, 实现了制动能量最大回收和可靠性。
混合作用 篇7
1 轮胎压路机的揉压机理
轮胎式压路机的工作装置是两排并列布置的充气轮胎, 该两排充气轮胎也是它的行驶机构。当压路机按照一定行驶路线、规律和速度在被压的混合料上行驶时, 整机的重量G通过两排轮子 (前4后5或前5后6) 作用于被压混合料, 此时, 轮子对被压混合料有两种作用力:其一是垂直向下的静作用力, 具有一定级配比的混合料在垂直静载荷的作用下, 颗粒重新排列和互相靠近, 小颗粒进入大颗粒的空隙中, 从而使混合料的密度增加, 发生永久变形, 随着滚压次数的增多, 混合料的密度进一步增加, 最后达到实际残留变形等于零, 这一作用过程和静力光轮压路机相同;其二是水平方向的作用力, 水平作用力由两部分组成, 可分析如下:设每个轮的垂直静载荷为Q, 此作用力作用于混合料上, 实现垂直压实, 同时, 混合料给轮胎一垂直反力R0第一部分, 对于驱动轮, 驱动转矩MK所产生的圆周力向后水平作用于混合料, 该力在数值上等于切线牵引力FK, 对于从动轮, 机架推力FC推着从动轮前进, 产生一向前的水平力F′fc作用于混合料, 如图1所示。这一水平作用也与静力光轮压路机相同。第二部分是充气轮胎变形产生的水平作用力, 充气轮胎在垂直静荷载Q与混合料垂直反力R作用下 (Q与R大小相等方向相反) 变形 (其变形量的大小与Q和R成正比, 与充气气压大小成反比) , 使轮胎与被压混合料在瞬时的接触面成为如图2所示的形状。
由于轮胎是处于滚动状态, 在进入结合区, 轮胎在Q和R作用下产生变形, 给混合料水平向外作用力;在离开结合区, 由于气压力轮胎恢复变形, 恢复力使混合料在轮胎宽度方向受到向内的水平作用力和向后的水平作用力。这些交替变化的水平作用力和垂直向下的静作用力就形成了对混合料的揉压作用。另外, 由于轮胎的变形, 使实际的结合区面积大, 虽然单位面积上的压力降低, 但是作用力的持续时间长, 有助于压实。揉压作用将使混合料获得最佳的压实效果, 是轮胎压路机的特点。
2 揉压作用分析
2.1 获得高的密实度
热拌沥青混合料是由不同粒径的破碎石、砂、石粉和沥青按照一定的设计配合比拌和而成的, 在碾压时, 不同压路机的压实过程如下。
静力光轮压路机压实。混合料在静荷载的作用下只是发生颗粒的靠近, 只有少量的小颗粒进入大颗粒的孔隙之间, 大颗粒的重新排列受到了它们之间摩擦阻力的作用移动困难, 虽然有热沥青的润滑作用, 但这种重新排列由于只有静压力作用而受到限制, 使最终的压实密度不高。
振动压路机压实。混合料在振动力的作用下重新排列和互相靠近, 小颗粒进入大颗粒之间空隙要比静作用好的多, 但振动力只是上下作用, 况且混合料的大颗粒是破碎石, 形状很不规则, 虽然有振动力作用, 也会存在镶嵌卡制现象, 从而使密实度不能达到最好。轮胎压路机压实。混合料在上述揉压作用下颗粒之间的摩擦力大大减小, 重新排列、互相靠近, 小颗粒进入大颗粒之间的空隙容易, 可使压实密度达到设计要求。如某路段采用三种不同压路机进行压实, 碾压速度为5km/h, 压实度比较见表1[1]。
2.2 有利于返油
沥青混合料的沥青结合料有如下作用: (1) 润滑每一粒集料, 减少内摩擦, 降低压实功; (2) 有助于密封摊铺层表面, 防止水、泥浆和空气侵入; (3) 起粘接剂作用, 沥青冷却后将集料颗粒粘接在一起。因此, 压实过程不仅只是使混合料颗粒互相靠拢、填塞达到密实, 还要使沥青结合料进入颗粒之间的空隙, 将集料粘接在一起, 多余的要返到表面填充表面空隙, 以达到密封表层, 防止水、泥浆和空气侵入。轮胎压路机的揉压作用有助于将多余的沥青结合料返到表层, 以密封表层。
2.3 能消除热裂纹
采用静力光轮压路机和振动压路机碾压热拌沥青混合料时, 由于推移等原因会造成碾压热裂纹, 该裂纹一旦形成, 靠垂直静压力和垂直振动力不能消除, 也就是说静力光轮压路机和振动压路机是不能消除热裂纹的。如果不消除该裂纹, 水、泥浆和空气就会从裂纹处侵入, 造成路面早期破坏。轮胎压路机具有揉压作用, 在合适的碾压温度下用轮胎压路机碾压, 轮胎的揉压力可使裂纹处的集料水平移动、热沥青被挤压到裂纹中填补了裂纹空隙, 消除了裂纹。
2.4 能保证均匀压实
静力光轮和振动压路机均采用钢轮, 而且钢轮较宽, 钢轮的接触线在沥青混合料的大颗粒之间就形成了“过桥”现象, 这种“过桥”留下的空隙, 就会产生不均匀的压实。另外, 在摊铺宽度方向也不会完全均匀平整, 同样存在高低不平现象, 由于钢轮较宽, 当沿着摊铺方向压实时, 同样存在过桥现象, 压实不均匀。相反, 橡胶轮胎柔曲且单个轮胎较窄并沿着这些轮廓压实, 从而产生较好的压实表面和较好的密实性。
2.5 能消除压实层的内应力
热拌沥青混合料铺层, 经钢轮压实后会存在内应力, 该内应力要经过一段时间的时效才能消除, 这对于改建道路或修补道路, 铺层碾压好后, 在短时内就要通车的情况将会造成应力裂纹而早期破坏。轮胎压路机的揉压作用可以消除内应力, 通过轮胎压路机压实后, 这种内应力非常小, 可以满足短时间内通车的需要, 不会造成应力裂纹。
3 结语
通过对轮胎压路机压实热拌沥青混合料压实机理和作用的研究分析, 认为轮胎压路机在压实沥青混合料摊铺层方面有着其它类型压路机无法比拟的优点。因此, 在沥青路面压实的机械选型和配置时, 选用轮胎压路机作为复压的主要机型。另外, 轮胎压路机还可广泛用于压实各类建筑基础。在对两侧边做最后压实时, 能使整个铺层表面均匀一致, 而对路缘石的擦边碰撞破坏比钢轮压路机要小得多。总之, 轮胎压路机在道路施工中有着广泛的用途, 关于其它方面机理和用途有待进一步研究和探讨。
摘要：本文利用了应用力学原理, 研究了轮胎压路机在碾压热拌沥青混合料时充气轮胎与沥青混合料的相互作用, 进一步分析了充气轮胎在压实过程中的揉压机理和作用, 并对轮胎压路机与光轮压路机及振动压路机在压实沥青混合料摊铺层时的性能进行了对比研究。结果表明, 轮胎压路机压实沥青混合料摊铺层能得到更高的压实质量, 应选用轮胎压路机作为沥青混合料复压的主要机械。
关键词：道路工程,轮胎压路机,沥青混合料,揉压,机理
参考文献
[1]郝培文.沥青路面施工与维修技术[M].北京:人民交通出版社, 2001.
[2]姚怀新.工程机械底盘理论[M].北京:人民交通出版社, 2002.
[3]何挺继.现代公路施工机械[M].北京:人民交通出版社, 1999.
[4]周萼秋.现代工程机械应用技术[M].北京:国防科技大学出版社, 1997.
混合作用 篇8
引起冷再生路面早期破坏的一个主要原因就是冷再生基层在浸水条件下强度损失较大,无法满足抗水损害的要求。据此,国内外学者在冷再生混合料配合比设计时采用湿劈裂强度(湿ITS)作为设计指标确定最佳沥青用量。并且我国再生规范[1]对冷再生混合料的干湿劈裂强度比、冻融劈裂强度比分别提出相应要求。
研究表明,冻融循环作用对沥青混合料路用性能产生很大影响,其力学性能随冻融循环次数增加均出现不同程度衰减[1,2,3]。当沥青面层出现破坏时,处于季冻区的乳化沥青冷再生层由于缺少面层的保护,水下渗到冷再生层,一方面水对沥青膜起到置换作用,另一方面水的固、液相态变化产生的渗透压力和膨胀压力对混合料产生冻融损伤[4]。冷再生层承受季冻区剧烈冻融循环,出现严重的病害,这会进一步加剧沥青面层的破坏。研究表明,沥青混合料经过一定次数冻融循环后,其劈裂强度、模量及疲劳性能的衰减均趋于稳定,并且依据其性能衰减规律,提出冻融损伤的3个阶段:快速损伤期、稳定损伤期、损伤发展期[5]。谭忆秋教授通过增加冻融循环次数对沥青混合料水损害试验进行改进,提出以多次冻融循环劈裂强度比作为评价指标,该评价方法与实际路面冻融状况更为接近[6]。沥青混合料冻融前后的SEM试验表明,冻融后混合料内部出现微裂缝,从而导致沥青混合料空隙增大[7]。CT扫描试验结果表明,冻融后,冷再生混合料内部大体积空隙增多,导致其力学性能衰减[8]。目前,道路研究者对冻融作用下热拌沥青混合料路用性能衰变规律研究较多,但对于乳化沥青冷再生混合料仍待深入研究,特别考虑到冷再生结构层不断上移,对其抗剪性能要求也越来越高,研究冻融循环作用下冷再生混合料抗剪性能的衰变规律尤为必要。为此,本工作通过室内试验研究了冻融循环作用下乳化沥青冷再生混合料抗剪性能衰变规律,以明确冻融作用下再生材料性能衰变特征及衰变机理。
1 实验
1.1 试验材料
1.1.1 回收沥青路面材料(RAP)
乳化沥青冷再生混合料设计过程中,将RAP颗粒通常作为一种“黑色集料”,不考虑RAP中旧沥青的影响。本试验RAP料来源于陕西某高速面层,RAP掺量为80%。其筛分结果及合成级配见表1。
1.1.2 新集料
为了确保冷再生混合料具有足够力学强度,需要加入少量新集料对RAP进行级配改善,根据RAP筛分结果,本试验加入机制砂以获取合理的冷再生混合料级配,机制砂掺量为20%。机制砂技术指标见表2,机制砂筛分结果见表1。
1.1.3 乳化沥青
选用SK90基质沥青和阿克苏诺贝尔乳化剂,用胶体磨乳化而成,固含量为62%。其主要技术指标见表3。
1.1.4 水泥及水
使用陕西某厂42.5普通硅酸盐水泥,采用外掺方式加入,水泥检测指标见表4。拌和用水为西安地区饮用水。
1.1.5 配合比设计结果
按照JTG F41中乳化沥青配合比设计后,确定最佳拌和用水率为3.6%,最佳乳化沥青用量为4%。
1.2 冻融循环试验设计
为了缩短试验周期,参考文献[3]的研究成果,冻融循环试验按如下方法进行:将乳化沥青冷再生混合料标准马歇尔试件真空饱水15min,再静置0.5h,然后装入保鲜袋并注入10mL清水,密封后置于-20℃冰箱内持续冰冻6h,取出后立即置于60℃水浴中融化4h,完成一次冻融循环。按照上述试验步骤重复冻融循环试验,直至达到所需冻融次数为止。
1.3 性能测试及微观形貌观察
为了探究乳化沥青冷再生混合料在冻融循环作用下抗剪性能的衰变规律,本工作成型8组试件,每组8个,分别进行不冻融、多次冻融循环。在冻融循环前后分别测定混合料空隙率,冻融循环完成后室温放置12h进行冷却,冷却后置于25℃环境箱内保温6h,每组分别取4个试件进行无侧限抗压强度和单轴贯入试验。为了与经过冻融循环的试件进行对比,将不参加冻融循环的试件浸水2h,再室温放置12h,然后在环境箱内保温6h后进行试验。对不加水泥、加水泥后未冻融及冻融循环15次的试件取样进行扫描电镜试验,观察其微观形貌。
2 实验结果
参考同济大学邵显智[9]提出的用极值点取代损伤拐点来评价沥青混合料的抗剪切性能的方法,冻融循环完成后,测定试件空隙率、贯入强度、无侧限抗压强度,计算得到乳化沥青冷再生混合料的粘聚力和内摩擦角,抗剪参数的计算方法参照文献[10],试验结果见表5。因试件进行力学试验时,试件内部的水分短时间内无法蒸发完全,以下所测定强度实际上是湿试件的强度。考虑到本研究仅仅对同种混合料的不同冻融条件下进行横向比较,以探究冻融循环条件下混合料抗剪性能的衰变规律,试验采用标准马歇尔试件。贯入剪切及无侧限抗压强度试验温度均为25℃,单轴贯入剪切试验加载速率为1mm/min,贯入压头直径为28.5mm;无侧限抗压强度加载速率为1 mm/min;混合料空隙率采用JTG E20T0707蜡封法测定。
由表5中冻融前后试件空隙率及力学强度参数的变化状况可以发现,冻融10次以后,混合料空隙增大约1%,而空隙率大小与混合料的力学强度密切相关;然而,冻融1次后,混合料空隙率仅仅增大约0.1%。冻融10次后,再生混合料的贯入强度及无侧限抗压强度下降幅度约为20%;由于冻融作用破坏沥青与集料的胶结作用,粘聚力受其影响最为显著,粘聚力下降幅度达到60%。显然,目前JTG F41中所规定的再生混合料1次冻融劈裂强度不能很好反映再生混合料在冻融作用下的力学性能衰减状况。
3 冻融循环作用下冷再生混合料体积指标及力学性能分析
沥青混合料空隙率大小直接影响到其抗水损害能力。为此,8组试验的所有试件均为同一批次成型,以保证混合料初始空隙率一致,降低初始空隙率对混合料性能的影响。
3.1 空隙率
冻融循环作用下,乳化沥青冷再生混合料试件的空隙率变化情况见图1。由图1可以看出,乳化沥青冷再生混合料在冻融循环作用下,随着冻融循环次数的增加,冷再生混合料的空隙率不断增大。前3次冻融循环作用下,冻融循环前后冷再生混合料空隙率变化不大;继续冻融,混合料空隙率迅速增大;当冻融循环次数达到10次以后,冻融前后冷再生混合料空隙率发生了很大变化,但与15次冻融循环相比,其变化趋势趋于稳定。
在前3次冻融过程中,在试件饱水后的渗透压力,固、液相态变化的膨胀压力作用下,冷再生混合料内部微空隙间的薄弱连接处发生破坏,从而将不连通空隙连通为大空隙。这一过程中,混合料内部空隙数目有所减少,总空隙率并未发生太大变化,但由于微空隙减少,大体积空隙增多,也导致其力学性能迅速衰减[7];继续冻融循环,直至达到10次之前,由不连通空隙发展的大空隙及单个空隙在上述提及的渗透压力和膨胀压力下继续扩展,并伴随着细集料剥落和流失,从而使得空隙率继续快速增大;当冻融循环次数达到10次以后,随着混合料内部空隙的增大,特别是部分封闭、半封闭空隙转变为连通空隙,其渗透压力及膨胀压力逐渐减小,混合料总空隙率趋于稳定。
3.2 抗剪性能
3.2.1 贯入剪切强度
图2是冻融循环作用下,乳化沥青冷再生混合料贯入强度和无侧限抗压强度的变化情况。前3次冻融循环作用下,冷再生混合料贯入强度及无侧限抗压强度衰减迅速。经过7次冻融循环作用以后,再生混合料强度衰减速度明显下降。结合冻融循环作用下混合料空隙率变化情况:总空隙率虽然未发生太大变化,但是由于大空隙的增加,混合料力学性能衰减明显;混合料内部空隙结构变化不大时,其力学性能趋于稳定。这说明,冻融循环作用对再生混合料试件结构造成损伤,混合料内部空隙发生变化甚至可能破坏了胶浆形成的结构导致空隙增大,造成再生混合料强度下降。
3.2.2 抗剪强度参数
文献[10]对冷再生混合料抗剪特性的影响因素做了深入研究,本工作为了进一步明确冻融循环作用下,冷再生混合料的抗剪性能变化规律,根据贯入强度和无侧限强度计算了再生混合料的粘聚力、内摩擦角,其随着冻融循环次数的变化情况见图3。
由表1及图3(a)可以看出,冻融循环作用下乳化沥青冷再生混合料粘聚力逐渐减小。冻融循环次数小于3次时,乳化沥青冷再生混合料粘聚力随冻融次数增加明显下降,反复冻融循环5次以后,粘聚力下降幅度达到60%,且下降趋势基本稳定。乳化沥青与集料的裹覆状态与热拌沥青混合料相似,随着乳化沥青破乳,水分不断蒸发,沥青与集料粘结形成强度。但在冻融循环初期,这种裹覆状态由于水分侵蚀和高、低温循环的双重作用,乳化沥青与集料间的粘结遭到严重破坏,粘结力降低,具体表现为粘聚力大幅下降。
图3(b)为冻融循环作用下,冷再生混合料内摩擦角的变化情况。随着冻融循环次数的增加,冷再生混合料内摩擦角显著增大,且冻融前期内摩擦角增大趋势显著,随着冻融循环继续,内摩擦角大小趋于稳定。冻融前期冷再生混合料内摩擦角迅速增大的原因可能是:(1)温度和水分侵入破坏了乳化沥青与集料粘结作用,使乳化沥青裹覆状态变差,一定程度上增大了集料间表面摩擦力;(2)冻融循环过程中,存在细集料流失,形成更为紧密的骨料接触,一定程度上增大了混合料的内摩擦角;(3)冻融循环作用破坏了水泥水化产物形成的立体网状结构,一定程度上使集料表面更为“粗糙”,增大了乳化沥青冷再生混合料的内摩擦角。冻融循环后期,随着空隙率不断增大,上述影响逐渐减弱,导致其内摩擦角趋于稳定。
4 冻融循环损伤机理
研究表明,水泥对乳化沥青冷再生混合料的抗剪强度有显著影响[10]。为进一步明确冻融循环作用下水泥水化产物的微观结构变化,采用SEM扫描试验观察RAP界面的微观形貌。
4.1 水泥水化产物的微观结构
对未掺加水泥及掺加1.5%水泥的乳化沥青混合料破坏界面处的RAP进行SEM扫描,结果如图4所示。从图4中可以看出,掺加1.5%水泥的集料表面被簇状的C-S-H凝胶水化产物及针刺状AFt裹覆,而未掺加水泥集料表面,沥青与填料裹覆在集料表面,集料表面呈现光滑分布。
图5(a)为乳化沥青混合料内部空隙情况,可见针刺状水化产物以及无定形的水化硅酸钙凝胶体填充于空隙内:钙矾石与水化硅酸钙凝胶水化产物相互粘结并且分布于空隙内,与沥青胶浆形成“锚固”,填充了水分蒸发留下的空隙,使混合料更为密实,提高混合料强度,同时分割原有空隙,改变了混合料内部原有空隙的分布。图5(b)中集料表面的水化产物“刺入”沥青胶浆,二者的交互作用增强了沥青与集料的粘结力,提高了乳化沥青冷再生混合料的粘聚力和内摩擦角;同时,水化硅酸钙凝胶体与沥青胶浆交叉分布,使原本“光滑”的沥青胶浆更为“粗糙”,从而提高了冷再生混合料沥青与集料间的粘结作用。
4.2 冷再生混合料冻融损伤机理
冻融循环15次后乳化沥青冷再生混合料的微观形貌见图6。
乳化沥青冷再生混合料在冻融循环过程中,水分侵入沥青与集料间,破坏了界面的粘附性。在低温冰冻时,混合料空隙内的水开始结冰,冰体发育、膨胀产生膨胀应力,同时低温条件下,沥青收缩而产生温度应力。在双重应力作用下,空隙边缘出现微裂缝,并且膨胀应力使得原本分布在混合料空隙内的针刺状的水化产物发生断裂,见图6(a)。同时,大量的水化硅酸钙凝胶体在冻融循环作用下,由于双重应力的作用,其薄弱处发生断裂,并且原本交织形成的立体网状结构也遭到破坏,减弱了集料表面的“粗糙”程度,同时空隙分布也随之发生变化,见图6(b)。升温时,冰体融化,混合料在内应力作用下产生损伤。多次冻融后,沥青与集料粘附性变差、空隙分布发生变化、水泥水化产物形成的结构遭到破坏,造成细集料剥落、流失,乳化沥青再生混合料抗剪性能降低。
5 结论
(1)冻融循环作用对冷再生混合料空隙率、贯入强度和无侧限抗压强度具有显著影响。
(2)冻融循环作用下,乳化沥青冷再生混合料粘聚力衰变明显,特别在冻融初期,粘聚力衰变迅速;而混合料内摩擦角呈增大趋势。
(3)冻融循环过程中,冰体膨胀与融化产生的膨胀应力、内应力及温度应力破坏水泥水化产物形成的立体结构,降低了沥青与集料间的粘结性,造成冷再生混合料抗剪性能衰减。
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