凍融脅迫下漿體材料弱化因子灰色關(guān)聯(lián)探析

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1 前 言

水泥混凝土路面板底基層在車輛的不斷作用下將發(fā)生累積塑性變形，使得路面板底與基層間發(fā)生脫空現(xiàn)象。同時(shí)，雨水沿橫縫滲入板底，加之面板的抽吸作用，其與基層之間的空隙面積和深度會逐漸變大，從而加劇板底脫空的損傷破壞。壓漿處治技術(shù)是在不損壞路面板的條件下，采用非破壞性方法來彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)層的弱化減緩路面病害、降低維修費(fèi)用、保證路面正常使用性能的常用修補(bǔ)技術(shù)[1]。

我國北方大部分地域均處于寒冷地帶，凍融循環(huán)已經(jīng)成為該地區(qū)在冬季時(shí)節(jié)道路發(fā)生破壞的主要因素，一直是道路工程界研究的重點(diǎn)[2-4]。近年來國外在凍融破壞方面的研究成果較少[5-7]，而國內(nèi)關(guān)于凍融破壞的研究成果較多， 張?jiān)魄宓萚8]研究了鹽凍作用下混凝土受彎構(gòu)件承載能力的衰減規(guī)律，但未曾涉及鹽漬濃度、凍融溫度以及凍融次數(shù)對混凝土承載能力衰減的影響；汪勁豐等[9]對比分析了不同加載速率下有機(jī)類水泥砂漿的力學(xué)性能變化規(guī)律，但未涉及無機(jī)類水泥砂漿且未曾考慮外部環(huán)境對水泥砂漿力學(xué)性能的影響。現(xiàn)有凍融損傷研究主要集中于瀝青混合料及混凝土等方面，而對板底脫空壓漿處治材料凍融破壞研究涉獵不多，亟需進(jìn)行此方面的研究。

本課題選取兩種典型灌漿材料，以灰色關(guān)聯(lián)為基本方法、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析為基礎(chǔ)，綜合考慮鹽漬濃度、凍融溫度、凍融循環(huán)次數(shù)、橡膠粉目數(shù)四種因素，通過研究凍融作用下不同影響因子對灌漿材料力學(xué)指標(biāo)的破壞程度，為提高灌漿材料抗凍融性能確立理論指導(dǎo)依據(jù)，同時(shí)也可作為實(shí)體工程中的指導(dǎo)技術(shù)。

2 材料配合比確定

2.1 板底灌漿材料的選擇

水泥宜采用42.5R水泥，有助于灌漿材料強(qiáng)度的早期形成；乳化瀝青選用具有一定柔性的慢裂型陽離子乳化瀝青，可減緩混凝土板發(fā)生疲勞斷裂，其基本性能見表1；選用一級粉煤灰不僅能提高漿體流動性和硬化后強(qiáng)度，而且可降低泌水率及減少干縮變形。由于砂可以降低水泥用量，因此選用細(xì)度模數(shù)為1.21的特細(xì)砂；橡膠粉可增強(qiáng)砂漿的抗壓性能以及抗疲勞性能等[10]，故摻入適量的橡膠粉。

表1 乳化瀝青的主要技術(shù)指標(biāo) Table 1 Technical indicators of emulsified asphalt

在添加劑方面，采用甲酸鈣早強(qiáng)劑、聚羧酸高性能減水劑及UEA型膨脹劑以提升漿體材料的早期性能。

2.2 灌漿材料配合比

灌漿材料漿體配合比的確定是漿液配制的關(guān)鍵，要保證漿液在注漿時(shí)有較好的流動性，硬化后具有足夠的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和抗壓抗彎拉能力，并且使用過程中干縮性和耐久性良好。為了保證漿體的各性能要求，參考有關(guān)文獻(xiàn)[11-14]并結(jié)合試驗(yàn)實(shí)際情況，確定配合比如表2所示(以水泥用量的比例為100%作為參考，其他各材料用量的百分比均為相對于水泥的用量計(jì)算)。

表2 材料漿體配合比Table 2 Material mixture ratio

3 試驗(yàn)過程

3.1 試件制備與養(yǎng)護(hù)

參考《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30-2005)進(jìn)行本次試驗(yàn)，試件采用70.7×70.7×70.7mm的立方體試塊，材料成型過程如圖1，經(jīng)本文試驗(yàn)驗(yàn)證采用該尺寸試件所得的試驗(yàn)結(jié)果具有較高可靠度。

圖1 有機(jī)試件成型照片F(xiàn)ig.1 Making process of organic grouting material

將養(yǎng)護(hù)至指定齡期的試件隨機(jī)分成兩組，每組試件數(shù)目不少于4個(gè)，試驗(yàn)組置于指定環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至標(biāo)準(zhǔn)齡期28d，對比組置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)繼續(xù)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)室溫度控制在20±5℃，相對濕度在95%以上。

3.2 試驗(yàn)因素篩選

3.2.1橡膠目數(shù)及濃度因子 在漿體材料中摻入適量橡膠顆粒，有利于增強(qiáng)砂漿的抵抗變形能力、抗開裂性以及提高韌性等力學(xué)性能。在摻入橡膠顆粒時(shí)，橡膠目數(shù)的大小是尤為重要的因素，如目數(shù)過低則施工工藝過于復(fù)雜，會產(chǎn)生過多經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，目數(shù)過高，灌漿效果不好。基于以上因素本文采用15目、20目以及25目的橡膠粉作為本課題的第一個(gè)影響因子。

在我國北方部分地區(qū)，鹽漬現(xiàn)象成為此類地域的特殊環(huán)境條件，特別是在冬季，在鹽漬與凍融腐蝕耦合作用下，路面結(jié)構(gòu)會發(fā)生嚴(yán)重破壞，甚至產(chǎn)生裂縫以及疲勞開裂。為了考慮北方鹽漬地區(qū)凍融破壞的特殊條件，文章將氯化鈉溶液濃度控制為0.0%、2.5%、5.0%,并以此作為本課題探究的第二個(gè)弱化因子。

3.2.2溫度與凍融次數(shù)因子 由于我國地域面積遼闊，即使坐落于相同緯度的不同地區(qū)其溫度差異性也較大，而溫度的變化對材料破壞起著主要影響作用。為了更系統(tǒng)全面地研究凍融破壞下的漿體材料的損傷規(guī)律，選取溫度為-25、-15及-5℃三種溫度作為本文漿體材料研究的第三個(gè)劣傷因子。

在低溫環(huán)境下，漿體材料的破壞主要來源于凍-融-凍-融此類反復(fù)循環(huán)作用，使得材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生細(xì)微變化，在循環(huán)次數(shù)的不斷增長下，內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)愈加明顯，從而使得材料發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。為了模擬冬季氣溫變化的隨機(jī)性，本文將凍融5、10及15次作為第四個(gè)損傷因子。

3.3 試驗(yàn)過程

(1)取試驗(yàn)組中的立方體試塊，并根據(jù)試驗(yàn)要求將試件置于指定環(huán)境下進(jìn)行凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)，每次凍融前檢查試件外觀尺寸，在進(jìn)行冷凍之前，應(yīng)將浸泡后的試件表面擦干放入冷凍室內(nèi)。

(2)將凍融后的試件放在試驗(yàn)機(jī)壓板的中心位置，將試件成型時(shí)的頂面與壓板中心對準(zhǔn)，調(diào)節(jié)上壓板直至接觸試件。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，控制加載速率為每秒0.5～0.8MPa，當(dāng)試件發(fā)生破壞且加載速率顯示為負(fù)值時(shí)，立即打開回油閥門，記錄此時(shí)的破壞荷載。

(3)三種試驗(yàn)均取一組三個(gè)試件的平均值作為其試驗(yàn)結(jié)果的最終值，三個(gè)測試值中的最大或最小值，如有一個(gè)超過中間值的15%，則去除最大和最小值，取中間值作為該組試件的最終值。

4 試驗(yàn)研究與分析

4.1 灰色關(guān)聯(lián)原理

(3)關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算：按ξi(K)=(Δmin+ρΔmax)/(Δi(K)+ρΔmax)，計(jì)算兩序列指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，其中ρ為分辨系數(shù)，一般取ρ=0.5[15-16]；

根據(jù)關(guān)聯(lián)度的大小，對比較序列指標(biāo)進(jìn)行排序，Xi與X0的關(guān)聯(lián)度γi越大，則兩者變化趨勢越緊密，從而可以推斷Xi對X0的影響程度越大。

4.2 灰色關(guān)聯(lián)模型建立

4.3 灰色關(guān)聯(lián)試驗(yàn)

根據(jù)前文所述，以漿體材料凍融循環(huán)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，選取若干組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究，形成如表3～8所示的灰色關(guān)聯(lián)分析系列表。

表3 有機(jī)類材料抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of compressive strength of organic materials

表4 無機(jī)類材料抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of compressive strength of inorganic materials

表5 有機(jī)類材料參考序列及比較序列原始數(shù)據(jù)表Table 5 Raw date table of reference sequence and comparison sequence of organic grouting

表6 有機(jī)類材料灰色關(guān)聯(lián)度Table 6 Grey entropy correlation of organic grouting

表7 無機(jī)類材料參考序列及比較序列原始數(shù)據(jù)表Table 7 Raw data table of reference sequence and comparison sequence of inorganic grouting

表8 無機(jī)類材料灰色關(guān)聯(lián)度Table 8 Grey entropy correlation of inorganic grouting

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度所示，以參考序列指標(biāo)為橫坐標(biāo)，灰色關(guān)聯(lián)度為縱坐標(biāo)做出曲線圖如圖2所示。

圖2 各影響因素的灰色關(guān)聯(lián)度Fig.2 Grey correlation degree of each influencing factor

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果以及灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)論可以看出：在相同的外部環(huán)境下，橡膠粉的目數(shù)越大，其在凍融腐蝕環(huán)境下的力學(xué)性能越好；影響兩種漿體材料抗凍融腐蝕性能的程度大小排序依次均為凍融循環(huán)次數(shù)X4>凍融溫度X3>NaCl濃度X2>橡膠粉目數(shù)X1，即外部因素對漿體材料抗凍性能影響最大；兩種漿體材料相比較而言，NaCl濃度對有機(jī)類材料影響最大，橡膠粉目數(shù)、凍融溫度、凍融循環(huán)次數(shù)對無機(jī)類材料影響最明顯。

5 結(jié) 論

1.對漿體材料抗凍性的影響作用從大到小排序依次為：凍融循環(huán)次數(shù)>凍融溫度>Nacl濃度>橡膠粉目數(shù)。

2.橡膠粉目數(shù)越大，抗凍融腐蝕性能越好。在實(shí)際工程中，可酌情摻入目數(shù)較大的橡膠粉以增加材料抗凍性能。

3.NaCl濃度對有機(jī)類材料影響最大。橡膠粉目數(shù)、凍融溫度、凍融循環(huán)次數(shù)對無機(jī)類材料影響最明顯。

4.在富含鹽漬的凍融環(huán)境條件下，應(yīng)首選無機(jī)類灌漿材料作為板底脫空的修補(bǔ)材料；反之，應(yīng)選取有機(jī)類材料。

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