冻融作用（精选8篇）
冻融作用 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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[2] 张全胜.冻融条件下岩石细观损伤力学特性研究初探.西安:西安科技大学,2003Zhang Q S.Under freezing conditions for rock mechanical properties of microscopic damage.Xi'an:Xi'an University of Technology,2003
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冻融作用 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)
冻融作用 篇3
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.
冻融作用对路堤边坡稳定性的影响 篇4
本文以哈尔滨工程粘性土为试验研究对象, 对土体进行冻融试验以及室内直剪试验, 得到土体抗剪强度。将多得到的试验数据运用到ansys所建立路堤边坡有限元模型中, 得到相应边坡的稳定性分析。
1 试验研究
根据参考文献[1]的论述, 影响粘性土体边坡的稳定性的最主要因素为土体的抗剪强度指标即粘聚力c以及内摩擦角φ。因此, 以哈尔滨某工程粘性土为试验研究对象, 使其在冻结温度为-15℃、融化温度为15℃的情况下冻融循环1、3、6次, 并通过室内直剪试验研究, 得到了不同冻融次数下粘性土的抗剪强度指标变化 (表1) 。
从表1数据可以看出:在不同的冻融循环次数以后, 土体的粘聚力不断降低, 而内摩擦角却有所增大。这主要是因为, 冻融循环作用使得土体结构发生了改变, 土颗粒重新排列。根据王永忠等的电镜分析[2], 土体在冻融作用以后孔隙数量增多, 由于土体粘聚力是由土粒间水膜与其相邻土粒间的分子引力和土粒中化合物的胶结作用构成的, 在冻融作用下, 孔隙的增多导致部分结合水膜与土粒之间的引力消失;同时在冻融过程中产生的小冰晶使得土体结构遭到破坏, 土颗粒间的胶结力减小。因此, 随着冻融次数的增加会使得土体粘聚力不断减小。在冻融循环过程中由于土中自由水在冻融过程中的形态变化及迁移, 会导致土颗粒重新排列使得各土颗粒间的接触点增加从而导致粘性土内摩擦角随着冻融次数的增加而出现增长现象。
2 有限元模型
建立合适的有限元分析模型是对路基边坡稳定性分析结构准确性的重要保证。由于路堤边坡是纵向很长的实体, 因此可以将计算模型简化为平面问题, 因为路堤边坡是轴向对称, 采用边坡的一半进行建模即可, 所分析的计算模型的尺寸如图1所示。
本例所采用的路堤边坡的单元为PLANE82单元, 此单元为平面单元, 具有8个节点, 且每个节点有2个自由度, 具有较高的精确度, 对不规则网格适应性很强。定义路堤截面的材料属性参数如下:弹性模量Es=100MPa, 泊松比μ=0.32, 土体密度ρdmax=1.87 g/cm3。
运用ansys解决平面应变下的强度问题, 常使用Drucker—Prager法则来替换摩尔—库伦准则, 使用Drucker—Prager法则模型需要材料的3个基本力学参数:粘聚力c、内摩擦角φ以及剪胀角ψ, 本例中粘聚力c和内摩擦角φ使用试验所得数据, 为了消除剪胀角ψ对于边坡稳定性计算的影响, 本例中膨胀角ψ均设置为0。
在进行路堤边坡稳定性分析时, 使用强度折减原理, 即将土体的强度参数同时除以一个折减系数F, 将折减以后的强度参数输入进行求解计算, 若能求解完成, 则此时路基边坡是稳定的;增大强度折减系数F, 直到计算结果不收敛, 则此时的强度折减系数就是路基边坡的安全系数。本例中使用强度折减系数为F=1.0、1.2、1.4、1.6、1.8等, 在计算至不收敛时, 再往回内插强度折减系数, 本例中折减系数精度为0.1。
对计算模型进行网格划分并施加约束条件, 对模型的下边界进行固端约束处理, 其左右边界限制其X方向位移, 对模型实体施加自重作用, 在路基顶面施加98k Pa[3]的竖向均布荷载以模拟汽车荷载。
3 有限元结果分析
采用强度折减原理, 通过有限元计算得到不同冻融次数下粘性土路基边坡的稳定系数, 其变化趋势如图2。
由图2可知, 在粘性土路堤边坡冻融1次以后, 路堤边坡稳定性有大幅度的下降, 其稳定性系数下降19.23%, 是稳定性系数最低的时刻, 这是由于冻融1次时, 粘性土体的粘聚力大幅度减弱而内摩擦角增加并不显著;在冻融3次以后的边坡稳定性系数反而上升是由于其内摩擦角有较大的提升而粘聚力下降趋势减缓;冻融6次时, 内摩擦角几乎保持不变而粘聚力持续下滑导致边坡稳定性系数再次下降。
将不同冻融次数下的路堤边坡的X方向极值及塑性应变极值列于表2~表5, 不同冻融次数中F=2.0的X方向位移图以及塑性应变图如图3~图4。
注:“-”表示此时塑性应变尚未开展。
根据冻融作用下粘性土路堤边坡的塑性应变表以及在X方向的位移值表, 并结合不同冻融次数下路堤边坡塑性应变云图以及X方向位移云图可以得到以下结论:
(1) 在同样冻融次数的路堤边坡, 在不产生塑性应变的时候, X方向的位移值基本不发生变化, 随着塑性区的开展, X方向上的位移值随着强度折减系数的增大发生了很大的变化。对于-X方向上的位移随着折减系数的增大一直在增加, 而X方向上的位移值则是出现了先增大后减小的趋势。
(2) 不同冻融次数土体的路堤边坡的塑性应变以及X方向位移有较大变化, 冻融0次、冻融3次、冻融6次的路堤边坡都是在F=1.4时出现塑性应变与X方向位移, 但是冻融1次的路堤边坡在F=1.2时就出现塑性应变与X方向位移。
(3) 在有相同折减系数F=2.0时, 冻融0次的路堤边坡塑性区开展尚未延伸到坡脚处, 且X方向的位移值相对较小, -X方向位移主要在路堤以下开展, 而经过冻融后的路堤边坡塑性区贯穿整个边坡, X方向的位移值相对较大且-X方向位移区域逐渐上移至路堤, 尤其是冻融1次的边坡整体塑性变形较大, -X方向位移区域均在路堤边坡以内。
4 结论
通过直剪试验得到的土体抗剪强度数据并结合有限元软件对路堤边坡的稳定性分析可以得到以下结论:
(1) 随着冻融次数的增加, 粘性土体的粘聚力下降且在冻融1次的情况下下降幅度较大, 内摩擦角增大。
(2) 冻融作用下, 路堤整体的稳定性下降, 且在冻融1次的时候稳定性最低, 因此在季冻区粘性土路堤边坡在第1年时需要加强其防护以免出现滑坡等病害。
参考文献
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冻融作用 篇5
关键词：石灰改良土,冻融循环,回弹模量,微观结构
0 引言
随着工程建设要求的不断提高, 某些低强度土体不能直接作为路基填料, 需要对土体采取一定加固措施以提高土体的强度, 掺加石灰是一种常用的处理措施。季冻区由于气候原因, 路基土体在冻融作用下强度会发生衰减[1]。反复冻融破坏了土颗粒间的联结力, 使土颗粒重新排列, 其内部微观结构将发生变化, 强度也随之发生改变, 冻融过程会使土体沉降变形增加, 路基可能产生失稳[2]。而回弹模量是体现路基土体强度的重要特征。路基土回弹模量表示路基土垂直荷载作用下, 发生弹性变形时, 抵抗竖向变形的能力, 回弹模量可以反映路基土在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质[3]。路基土体的回弹模量随冻融循环作用次数的增加逐渐衰减, 影响道路的正常使用。因此对冻融循环作用下的路基土体的回弹模量进行研究, 并通过微观结构对回弹模量的变化进行探究。
1 试验方法
1.1 试验材料
试验土样取自黑龙江省某高等级公路, 土体颜色为黄色, 属低液限粘土。其基本物理指标见表1。
石灰产自黑龙江省哈尔滨市阿城区, 属于钙质消石灰, 其有效成分检查结果见表2。
%
1.2 试验方法
根据JTG E40-2007公路土工试验规程要求, 通过静压法制备10 cm×10 cm试件, 试验设计了0次, 1次, 3次, 6次及10次冻融循环次数, 素土及2%, 4%, 6%, 8%掺灰剂量, 压实度采用90%, 93%, 96%三个水平, 含水率采用6%掺灰土体的最佳含水率、最佳含水率以上2个百分点、最佳含水率以上4个百分点三个水平, 每种条件试件制作2个平行试件。探究冻融循环次数、掺灰剂量、压实度、含水率对土体回弹模量的影响。
将土样取回后风干碾碎, 过2 mm筛后按上述设计方案制备试件, 在标准条件下养生60 d后进行冻融循环, 冻融循环温度控制在-15℃~15℃, 每一次冻融循环时间控制在24 h, 其中冻结时间为12 h, 融化时间为12 h。按照JTG E40-2007公路土工试验规程, 本试验采用承载板法测定土体回弹模量。
2 试验结果分析
通过对不同冻融次数、掺灰剂量、压实度、含水率4个影响因素作用下试件回弹模量的测定, 得到冻融次数、掺灰剂量、压实度、含水率与回弹模量的关系曲线如图1~图4所示。
图1试件压实度为96%, 石灰掺量为6%, 最佳含水率下, 在标准条件下养护60 d的土体在不同冻融循环次数下的回弹模量。
图1说明, 随着冻融次数增加, 土体的回弹模量逐渐衰减, 分析其原因是掺灰土体在未经冻融循环作用时, 石灰与土体之间由于结晶作用和火山灰作用形成团聚体结构, 土体强度得到提升。随着冻融循环作用, 土体冻结后土体水分迁移结晶, 体积膨胀, 引起土体内部结构发生破坏, 使土体强度减小。随冻融循环次数的增加, 土体结构破坏更加严重, 回弹模量逐渐减小。
图2试件压实度为96%, 最佳含水率在不同石灰掺量, 标准养护60 d冻融循环6次下的回弹模量。
图2表明, 土体加入石灰后, 回弹模量随石灰掺量的增加而增加。石灰掺量较少时, 石灰与土体反应结合的部分有限, 土体强度增长趋势缓慢, 随着石灰掺量的增加, 在相同含水率的情况下, 石灰与土中水的结晶作用更加彻底, 土体强度得到提升, 回弹模量增加趋势明显。
图3为96%压实度、6%掺灰剂量、不同含水率土体在标准条件下养护60 d冻融循环6次下的回弹模量。
如图3所示, 土体的回弹模量随含水率的增加而逐渐减小, 随着水分含量增加, 土体在冻融循环过程中水分迁移作用增加, 结晶膨胀作用更加显著, 土体结构破坏更加严重, 土体强度逐渐减小, 回弹模量逐渐减小。
图4为石灰掺量6%、最佳含水率土体在不同压实度下标准养护60 d冻融循环6次下的回弹模量。
如图4所示, 回弹模量随土体压实度增加而增加, 土体压实度增加, 土体结构更加密实, 土体孔隙减小, 土体之间联结更加紧密, 土体强度得到增加, 回弹模量随之增加。
通过对6%掺灰的石灰改良土及素土进行微观电镜扫描 (SEM) , 得到在0次, 1次, 3次, 6次, 10次冻融循环作用下的放大倍数均为1 000倍的电镜扫描照片, 如图5所示。观察所得图片可得出:6%掺灰的石灰改良土在未冻融时石灰与土体作用形成的团聚体数目较多且体积较小, 土体多为单个颗粒的形态, 孔隙数量较多但多为小孔隙, 颗粒主要以点接触为主;随着冻融次数的增加, 土体发生破碎, 碎屑数量增加, 团聚体数量减小但体积增大, 孔隙多为大孔隙且出现纵向裂隙, 碎屑填充在孔隙中, 颗粒间的点接触减少, 面边接触、面面接触开始出现。
3 结语
通过承载板法测定回弹模量所得到的数据以及扫描电镜照片, 对石灰改良土的回弹模量及微观结构分析, 可以得到以下几个结论:
1) 在冻融循环作用下, 石灰土的回弹模量随冻融次数增加而减小, 随掺灰剂量的增加而增加, 在最佳含水率之上时, 土体回弹模量随含水率增加而减小, 土体回弹模量随压实度增加呈线性增长。
2) 随着冻融循环次数的增加, 6%掺灰土体结构发生破碎, 团聚体数量减小但体积增大, 孔隙数量减少但多为大孔隙, 且出现纵向裂隙, 联结方式以面面接触, 面边接触为主。
参考文献
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混凝土冻融机理研究 篇6
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。
冻融循环对冷冻面团品质的影响 篇7
1 试验材料与方法
1.1 材料与试剂
35#面包粉, 郑州海嘉食品有限公司;马利牌即发干酵母, 哈尔滨马利酵母有限公司;莎妮雅起酥油, 秦皇岛金海特种食用油工业有限公司;食盐和白砂糖, 市售。
1.2 仪器与设备
B10-B型食品搅拌机, 江苏省如东县盛恒食品机械厂;发酵箱, 北京腾威机械有限公司;GDW-50型高低温试验箱, 无锡科隆试验设备有限公司;YXD-20CF型远红外电热食品烤箱, 江苏飞月厨具股份有限公司;TA-XT plus Texture Analyser, Stable Micro System Ltd, UK。冰箱, 新飞电器有限公司。
1.3 试验方法
1.3.1 冷冻面团制作过程
冷冻面团的配方见表1。
把除起酥油以外的所有原料混合, 低速搅拌3min后再高速搅拌2min, 接着加入起酥油, 低速搅拌3min后再高速搅拌2min后制得面团, 将面团静置10min后分割成约60g的小块面包坯, 然后搓圆并整形, 在-40℃条件下冷冻至面团中心温度-18℃左右, 把面团放入-18℃的冰箱中储存。
1.3.2 冻融循环过程
把制作好并冷藏7d后的冷冻面团取出, 在30℃恒温箱中解冻40min, 此时面团中心温度约为5℃。取3个解冻好的面团醒发, 记作第0次冻融循环 (F0) ;其余的面团放入-18℃冰箱中冷藏1d后取出, 再次解冻取3个醒发, 记为第1次冻融循环 (F1) ;其余的进行第2次冻融循环 (F2) 、第3次冻融循环 (F3) 。
1.3.3 面包制作
把解冻好的面团放入38℃、相对湿度85%的发酵箱中醒发80min。将醒发好的面团放入烤箱中烤12min (上火180℃, 下火200℃) 后取出在室温下冷却1h备用。
1.3.4 面团拉伸特性的测定
把解冻后的冷冻面团用质构仪自带模具压制成条状样品, 用A/KIE探头面团拉伸特性。
测定条件:测前速度2.0mm/s, 测试速度3.3mm/s, 测后速度10.0mm/s, 目标模式距离, 距离50.0mm, 触发力5.0g。
1.3.5 面包质构的测定
把冷却1h后的面包切成厚度约1.5cm的面包片, 使用质构仪的P35探头测定面包片的TPA (texture profile analysis) 。测定条件:测前速度3mm/s, 测试速度1mm/s, 测后速度5mm/s, 目标模式应变力, 应变力70%, 时间3s, 触发力5.0g。
2 结果与分析
2.1 冻融循环对面团发酵活力的影响
由图1可知:随着冻融次数的增加, 冷冻面团的发酵活力急剧下降, 在经历F1、F2和F3这3次冻融之后面团发酵活力分别下降了7.2%、16.1%和28.8%。由此可见冻融循环对酵母细胞的影响是非常严重的, 尤其是在第3次冻融之后, 酵母细胞的活力几乎下降了1/3。这是因为面团中的水分在冷冻过程中形成冰晶, 在解冻时冰晶融化成水, 如此反复交替, 面筋网络受到冰晶的破坏, 影响酵母细胞活力。
2.2 冻融循环对面团可滴定总酸度和pH值的影响
在冷冻面团中pH值和TTA是反映面团品质变化的重要参数, 酵母在发酵的过程中适宜在酸性环境中进行, 最佳pH值在5~6之间, TTA的正常值应该在3~4.5mL之间。由图2可知:在冻融过程中面团经历了多次发酵过程, 导致面团pH值迅速下降, TTA也迅速增大。经历了3次冻融循环过程之后, 面团的pH值下降到了5.12, TTA增大到5.04, 超出了酵母的最适发酵环境, 对面团的焙烤性能产生很大的影响。
2.3 冻融循环对面团拉伸特性的影响
由图3可知:随着冻融循环次数的增加, 面团拉伸力和拉伸距离都呈下降趋势, 这是因为在冻融的过程中伴随着冰晶的融化和重新生成, 而且冻融过程中每次冻结都是慢速冷冻, 形成的冰晶较大, 因此, 每一次冻融都会对面筋蛋白网络结构造成损伤。随着冻融过程中冰晶的融化和再生, 面团中各组分结合水的能力发生变化而引起了水的重新分布, 从而导致面团弱化的结果, 因此, 在实际操作中尽量减少冷冻-解冻的次数以保证冷冻面团质量的稳定。
2.4 冻融循环对面团烘焙性能的影响
2.4.1 对面包比容的影响
由图4可知:在反复冻融的过程中, 随着面团中的冰晶不断融化和再生, 面筋网络和酵母细胞反复受到冰晶破坏, 面团延展性变差, 酵母活力受损, 产气能力和持气能力都收到影响, 因此面包比容随冻融次数增加而减小。
2.4.2 对面包质构TPA的影响
由图5可知:面包TPA指标中硬度、咀嚼度和胶着性都随着冻融次数增加而增大, 弹性则随冻融次数增加而减小, 面包的整体品质随冻融次数增加而变差, 这是酵母发酵活力降低和面筋蛋白受损共同产生的影响。
2.4.3 对面包的感官指标的影响
由表2可知:随着冻融循环次数的增加, 面包各项感官指标急剧降低, 试验中发现, 在第3次冻融循环时, 面团表面变得十分粗糙, 焙烤出的面包表面也粗糙, 而且还有很多气泡, 内部结构不均匀, 气孔大小不一。这是因为在冻融过程中冻结时是在冷藏温度下进行的, 冻结速度较慢, 面团内部形成的冰晶较大而且不均匀, 对面筋网络损伤也较大, 导致面团内部结构不均匀, 焙烤效果也就不好。
3 结论
本文研究了在30℃条件下冻融循环对冷冻面团品质的影响。研究发现, 随着冻融循环次数增加, 面团品质逐渐变差, 在第3次冻融循环后品质下降较为严重。冻融循环对面团中蛋白质和酵母有一定的影响, 随着冻融循环次数的增多, 蛋白质和酵母受冰晶融化和再生过程的破坏, 酵母活力降低, 面筋蛋白延展性变差, 最终会使面团的产气能力和持气能力下降, 面包品质下降严重。由此可见, 冻融循环对冷冻面团品质影响较大, 在实际生产中预冷冻面团烘焙前应尽量避免温度波动。
摘要：本文研究了在-18℃冷藏一周后的冷冻面团在经过冻融循环后品质的变化。结果表明:在冻融循环过程中, 面团中酵母和面筋蛋白受到损伤, 发酵活力和拉伸特性都降低。面团经过1次冻融循环后品质小幅下降, 经过3次冻融后面团各项指标均大幅下降。因此, 冻融循环对冷冻面团品质影响较大, 在实际生产和运输过程中应尽量冷冻温度的波动。
关键词：冷冻面团,冻融循环,面包品质
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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。
参考文献
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