高速铁路混凝土结构冻融环境的划分

高速铁路混凝土结构冻融环境的划分

秦刚

甘肃铁科建设工程咨询有限公司，甘肃兰州730030

摘要：近年来，我国的交通行业有了很大进展，高速铁路工程建设越来越多。沥青混凝土作为一种主要的路面材料，暴露于外部寒冷环境下冻融损伤是不可避免的。通过对经历不同冻融循环次数的沥青混凝土试件进行CT扫描，采用数字图像处理技术对CT灰度图像进行处理分析，可获得其内部冻融损伤情况。本文就高速铁路混凝土结构冻融环境的划分进行研究，抗冻融性能则会低于水泥改良填料。

关键词：剪力墙;相变储能混凝土;冻融循环

引言

冻融循环是影响混凝土耐久性的重要因素,在其影响下混凝土的内部和外部将产生裂缝,进而加快有害介质的传输速率,加速混凝土建筑物的损伤劣化进程,使得混凝土结构强度和刚度发生衰减,减少正常使用寿命。材料性能的劣化导致工程结构性能的衰减,因而采取控温措施是减少混凝土产生裂缝的重要手。配制一种优异的耐冻融循环、耐低温的混凝土,并对其开展冻融循环损伤机理研究,具有重要的工程意义。目前,在混凝土结构中引入相变材料(PCM,phase change materials)以控制其内部温度波动来降低环境温度对混凝土强度的影响,已经成为混凝土耐久性研究领域的一个崭新课题,但目前相变材料大多用于建筑外墙,而将控温材料用于混凝土结构中仍需进行必要的研究。

1再生混凝土冻融破坏机理

静水压理论、渗透压理论和微冰透镜理论是目前对于混凝土冻融破坏机理的三种代表性解释。静水压理论和渗透压理论由美国学者T.C.Powers分别在1945年和1953年提出,微冰透镜理论由德国学者Setzer在2001年提出。再生混凝土与普通混凝土相比,最大的差异在于二者之间微观结构的不同。再生混凝土骨料外表面棱角多,一般包裹着或多或少的硬化旧砂浆,再加上机械破碎过程中产生的微裂缝,导致其吸水率高、界面结构复杂,更易达到发生冻融破坏的临界水饱和度,从而容易产生冻融破坏。利用微观测试技术对冻融循环作用以后的再生混凝土进行详细分析,可以发现导致整个试件发生破坏的主要原因是骨料表面旧砂浆处存在的原始裂缝在冻融循环作用下迅速发展,最终延伸贯穿至新砂浆。本质上,在冻融循环作用过程中,再生混凝土内部同时受到冻胀压力和渗透压力的持续往复作用,致使其内部微裂纹不断产生和扩展,直至完全破坏。研究认为,天然粗骨料和再生粗骨料的孔隙率、吸水率存在差异,使得它们在冻融循环作用下的内部材料膨胀速率不同,导致材料内部出现应力差,进而使再生混凝土试件的质量损失率随再生骨料取代率的增大而先增大后减小。基于微观分析的方法,明确再生混凝土试件在受到冻融循环作用时由于浅层冰逐渐向内部扩展,使得内部尚未冻结的孔隙水向更内层移动,进而产生了液体压力,当此液体压应力过大并超过材料强度以后,将导致材料内部开裂乃至解体。综合来看,再生骨料表面附着的旧砂浆疏松多孔,导致其吸水性很好,加之骨料破碎过程中所产生的损伤缺陷,使得再生混凝土内部冻胀力较普通混凝土更大且原始旧裂缝也更易拓展并诱导产生新裂缝,裂缝最终联系贯通,导致材料解体。

2高速铁路混凝土结构冻融环境划分

2.1冻融循环试验

冻融循环试验是通过在高低温交变试验箱内对进行过7d和28d标准养护后的各组改良填料试件进行冻融循环。试件尺寸与水稳定性试验相同,考虑冀北地区秋冬季节室外环境条件,将冻融循环温度设置为-20℃及20℃。每次冻融循环时间为24h,其中交变箱温度变化速率为20℃/h,稳定冻结/融化时间各为10h。同时将一批对照组试件进行等时长标准养护,在达到冻融次数后将试件取出并进行无侧限抗压试验,对强度测定后进行分析以了解不同改良填料的抗冻融损伤性能。

2.2引气剂

研究发现在再生混凝土制备过程中加入引气剂可大幅提升其抗冻耐久性能,这主要是由于引气剂可以在再生混凝土中引入稳定、微小且匀质独立的气泡,改善再生混凝土试件内部的中孔(0.01~0.05μm)和大孔(0.05~1μm)的占比,减小其在受到冻融循环作用时所产生的冰膨胀压力以及内部毛细孔水的渗透压力。研究发现如果保持再生混凝土内部的含气量在7%范围以内,那么其抗冻耐久性能与含气量呈正相关的关系,但是当含气量超过这个范围以后,再生混凝土的抗冻性能反而会变差,这主要是由于含气量在大于7%以后,材料内部的孔与孔会直接相连,最终导致冻融循环作用下再生混凝土反而更容易产生内部裂纹。

2.3水中有无侵蚀离子

盐类中侵蚀离子作用会加剧高速铁路混凝土结构的冻融破坏程度。水中的侵蚀离子降低了混凝土内部孔隙水的冰点，且在混凝土孔隙中结晶产生结晶压，加重了混凝土的冻融破坏。盐溶液浓度与铁路混凝土结构的盐冻损伤程度有直接关系。盐溶液浓度达到3%时混凝土冻融破坏程度最大，即存在最大盐冻破坏浓度。建立了盐溶液在混凝土中的结冰压计算模型，解释了存在最大盐冻破坏浓度是盐溶液降低结冰压的有利影响和提升临界饱水值的不利影响共同作用所致。

2.4冻融循环次数

混凝土的冻融破坏过程可以认为是由静水压力产生的损伤累积过程。冻融循环次数越多，混凝土冻融破坏越严重。冻融循环次数与海拔、环境气温等因素有关。高原地区冻融循环次数要明显高于平原地区。测试发现，实验室内快速冻融1次的冻融破坏程度约等于室外正负温交替12次。考虑不同温度之间混凝土的冻融破坏差异，提出了室外年冻融循环次数的计算公式。刘西拉等依据Miner法则的冻融损伤等效理论，利用室外各级静水压与实验室快冻试验静水压之间的比例系数提出了室外冻融循环次数的计算模型。以降温速率和最低气温为量化指标建立了混凝土年冻融循环次数的预估方程。

2.5粉煤灰对路基填料性能影响讨论

水泥的掺入会增大骨料间的连接强度,使得改良填料的抗冻胀能力增强,同时也降低了填料的渗透性,降低冻结时的水分迁移,减小填料的冻融变形。将粉煤灰掺入水泥改良填料后会导致其强度降低,延长改良填料的强度生成时间,提升其水稳定性能。掺入粉煤灰后,改良填料在前期经受冻融后强度损失较小。这一特性表明粉煤灰适用于对于养护龄期较长且处于寒冷地区的工程。对粉煤灰基材料研究表明,粉煤灰虽在填料中会产生火山灰反应,但火山灰反应滞后于水泥的水化反应,这导致水泥粉煤灰填料的早期强度低于水泥填料。粉煤灰由于粒径较小,其掺入导致填料中的孔隙被填充,降低了填料的渗透性的同时增强了填料的毛细作用,这会导致冻融循环过程中,填料的冻胀率较高,冻胀敏感性加大。因此,在改良填料中掺入较多的粉煤灰会降低填料的抗冻融变形能力。

结语

规范中多采用定性指标对冻融环境进行划分，缺少对划分依据的定量判断。应研究采用冻融循环次数等量化指标对冻融环境进行划分，将定性和定量指标相结合对高速铁路混凝土结构冻融环境进行准确划分。从现有混凝土结构冻融破坏状态来看，平面结构冻融破坏速度比立面结构更快。应根据高速铁路混凝土结构特点、饱水程度、环境最低气温、冻融循环次数、冻融破坏形态和破坏速度，有针对性地进行冻融环境等级划分。

参考文献

［1］武海荣，金伟良，延永东，等.混凝土冻融环境区划与抗冻性寿命预测［J］.浙江大学学报（工学版），2012，46（4）：650-657.

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[3]曹剑.再生粗骨料品质和取代率对再生混凝土抗冻性能的影响[J].青岛理工大学学报,2016,37(4):17-20.