冻融循环作用对沥青混合料细观结构的影响研究文献综述

 2022-10-27 09:10

文献综述(或调研报告):

1.冻融循环对沥青混合料宏观性能影响

沥青混凝土内部孔隙中的水随温度变化而冻结和融化,数次冻结-融化循环后,混凝土内部开始萌生裂纹并逐渐扩展而破坏,即为冻融循环破坏。

吴钊[1]在实验室内对多种常规沥青混合料试样在设定的冻融循环条件下进行一次或多次冻融循环,发现冻融循环对沥青混凝土的体积性能影响很大,其中试件孔隙率变化尤为明显。同时试件的质量损失在此过程中呈现先减少后增加的趋势,劈裂强度随着冻融次数的增加会大幅度下降,但如果在试件中添加消石灰,则影响程度将会下降。在此基础上,其进行了沥青混合料的性能试验,其性能试验结果表明:沥青混合料小梁试件的弯曲劲度模量和最大弯拉应变随着冻融次数的增加会降低,冻融2次过后就降低至空白试样的80%以下;在冻融循环过程中,沥青混凝土的高温稳定性能下降较为明显,2次冻融后试件的动稳定度就降低至空白试样的50%以下,另外车辙试验的变形量也随着快速增加。

自上世纪30年代以来,由于混凝土因冻融循环作用导致耐久性不足过早破坏,造成数目惊人的维修和重建的资金和自然资源的浪费,各国科学研究者作了大量的研究,提出了一系列的细观角度假说。尽管混凝土冻融破坏机理非常复杂,如今人们尚未得到一个完全能解释冻害的公认的理论,但所提出的一些假说已经很好地指导了过去和当前的研究工作,为工程结构抗冻设计提供了很有力的理论基础。由现阶段文献可得,主要被人们所接受的冻融破坏假说有以下3个:

(1)冻胀开裂-静水压力假说

静水压理论最早由Powers[2]提出,其能合理地解释混凝土受冻膨胀现象产生的原因。他认为当温度降到冰点以下后,由于同质量冰的体积比水大,混凝土毛细孔中的水结冰会产生膨胀; 若此时未饱水的毛细孔隙不足以容纳膨胀的体积,多余的水则会向对毛细孔壁形成静水压力从而使混凝土膨胀。同时,硬化混凝土中的凝胶孔、毛细孔、空气泡等各种孔隙之间的孔径差异很大,而且往往互相连通。空气泡是混凝土搅拌与振捣时自然吸入或掺加引气剂人为引入的,且一般呈封闭的球状,混凝土在水中时,毛细孔处于饱和状态,而空气泡内壁虽也吸附水分,但在常压下很难达到饱和。混凝土溶液的饱和蒸气压比普通水低,并由于孔隙表面张力的作用不同孔径的孔内水的饱和蒸气压和冰点随着孔径减小而下降。当环境温度降低到-1〜-1.9摄氏度时,混凝土孔隙中的水由大孔开始结冰,逐渐扩展到较细的孔。一般认为温度在-12摄氏度时,毛细孔都能结冰,而凝胶中的水分子物理吸附于水泥浆固体表面,在-12摄氏度以下也不会结冰。因此,凝胶孔水实际上是不可能结冰的,对混凝土抗冻性有害的孔隙只是毛细孔。

(2)表面剥落-粘结-剥落理论

Scherer和Valenza提出的粘结-剥落理论(glue-spall)从混凝土与冰的热膨胀率存在差异的角度解释了混凝土表面剥蚀的机理。他们认为[3],混凝土表层的水结冰后与混凝土形成了冰-混凝土复合界面,随着温度降低,表层冰的收缩率约为下层混凝土的5倍。此时冰层处于拉应力状态并随着温度降低而开裂,在混凝土表层形成岛状的冰层。岛状冰层收缩时,边缘部分存在着应力集中,该应力会使裂缝逐渐向混凝土内部发展,最终使表层的混凝土剥落出碎屑。岛状冰层边缘应力大小和混凝土表层溶液初始浓度有关。在常用试验温度范围内(Tgt; -20),溶液结冰后仍有部分未结冰的溶液以卤水包的形式存在于冰中,卤水包的含量会影响冰层的强度。在温度大于-20时,溶液浓度越低,卤水包的含量越低,结冰后冰层的强度越高,试验温度范围内不足以使冰层产生裂缝形成岛状,混凝土层也不会破坏。溶液浓度越高,卤水包的含量越高,结冰后冰层强度越低,岛状冰层边缘产生的应力不足以使混凝土层产生裂缝。只有溶液浓度为 2wt%~6wt% 时,冰层才会随着温度降低裂开形成岛状,并且在岛状边缘产生足够大的应力使裂缝向下层混凝土层发展,使混凝土表面破坏[4][5]

(3)盐冻破坏理论

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