冰-混凝土相互作用及其對結(jié)構(gòu)影響研究

孫雪偉，唐 雷，高培偉，張萬磊，張 俊，陳李峰

（1.南京航空航天大學民航學院，江蘇 南京 211106；2.中路交科科技股份有限公司，江蘇 南京 211808；3.中交第三公路工程局有限公司，北京 101300）

引 言

冰與混凝土的相互作用是寒冷地區(qū)海洋結(jié)構(gòu)經(jīng)常需處理的一個重要因素，移動的海冰或河冰可能會導致混凝土磨損，因為冰與水壩、碼頭或近海結(jié)構(gòu)的吃水線區(qū)域持續(xù)或間歇的相互作用，這種持續(xù)的或季節(jié)性的冰磨損會導致材料的逐漸損耗和混凝土性能退化，并可能導致結(jié)構(gòu)的嚴重破壞。冰引起的磨損程度依賴于冰的特性、混凝土特性以相互作用的性質(zhì)，已有研究表明接觸壓力和表面粗糙度等是影響磨損的重要參數(shù)。

磨損的其中一個物理機制是冰與混凝土的粘結(jié)，粘結(jié)破裂時會導致材料損失。如，冰被壓在一個結(jié)構(gòu)上一段時間，然后由于環(huán)境條件（如風或潮汐）的變化而被迫移動，這種磨損模式尚未得到廣泛的研究，大多數(shù)前期工作只考慮了滑移磨損，即冰和混凝土相互作用是連續(xù)的相對運動模式。本文分析研究了冰摩擦、磨損和粘附方面的特點，特別是與混凝土的相互作用，以期為后續(xù)研究提供方向。

1 冰-混凝土相互作用

冰-混凝土中存在兩種不同的作用：冰對混凝土的磨損作用和冰對結(jié)構(gòu)的荷載作用。冰層附著在混凝土結(jié)構(gòu)上，當冰沿著混凝土滑移并產(chǎn)生摩擦后，能夠觀察到混凝土有明顯的磨損。研究表明，這種磨損是冰沿著混凝土滑動距離的函數(shù)，當混凝土和冰層粘結(jié)破壞時，會有混凝土顆粒從冰中掉落［1］。

冰與結(jié)構(gòu)的附著會引起結(jié)構(gòu)的附加荷載，在近海建筑中，當水位變化時，冰與混凝土結(jié)構(gòu)的粘附可能會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平和垂直力，如圖1所示。

圖1 冰的粘結(jié)力產(chǎn)生附加荷載示意圖

由于冰和混凝土的非均質(zhì)特性，冰和混凝土之間的相互作用非常復雜。表面的微觀和宏觀結(jié)構(gòu)、溫度、污染物、冰類型和混凝土類型等因素都會對其相互作用產(chǎn)生影響。為了更深入地了解冰和混凝土之間的相互作用，開展了理論分析和試驗研究。首先對冰-混凝土相互作用中的不同接觸區(qū)進行了界定，然后討論了冰載荷對混凝土的磨損，分析了冰和混凝土間的摩擦，并進一步地分析冰-混凝土粘結(jié)與磨損的關(guān)系。

2 冰-混凝土接觸區(qū)域

當冰層與混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相互作用時，作用范圍內(nèi)存在三個不同的接觸區(qū)域［2］，如圖2所示。區(qū)域1為主要接觸區(qū)，該區(qū)域正應力最大；區(qū)域2為粘滑區(qū)，由于該區(qū)域混凝土表面產(chǎn)生了冰屑，導致正應力減小，切應力增大，冰出現(xiàn)不穩(wěn)定的滑動速度。區(qū)域3是穩(wěn)定滑動區(qū)，該區(qū)域累積的碎屑量最大，作用力最小。區(qū)域1內(nèi)，正應力超過了混凝土的抗力，從而導致破壞。區(qū)域2的磨損減少，而冰的速度，接觸角度和混凝土的類型等將決定粘滑性能。區(qū)域3應力較低，磨損較少。

圖2 冰-混凝土表面不同磨損效果的區(qū)域

3 冰對混凝土表面產(chǎn)生的磨損

冰-混凝土磨損是混凝土與浮冰相互作用，可引起混凝土表面性能退化，調(diào)查表明：在滑動冰的作用下，混凝土會受到嚴重的破壞。在不同的壓力下，在相同的位置測量不同的磨損率，發(fā)現(xiàn)磨損主要是由于混凝土的抗凍性低和冰的磨損［3］。

通過對混凝土與冰磨損機理分析研究，可總結(jié)為六種不同機制［4-8］：（1）循環(huán)荷載：冰在與混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞時產(chǎn)生沖擊力，移動的冰既可產(chǎn)生拉伸力，也可產(chǎn)生壓縮力，取決于冰的特性（晶體的大小、加載速率、溫度、冰的類型和骨料的大?。?。（2）凍融循環(huán)：由于混凝土中的水反復凍融，壓力增加，導致微裂縫，最終導致混凝土破壞。研究表明，低滲透摻引氣劑混凝土的抗凍融損傷性能有所提高，影響的因素主要有氣孔體積和空隙、水灰比和混凝土的飽和度。（3）海水的化學侵蝕：由于海水中氯化物的相互作用，混凝土的力學性能可能會發(fā)生退化。（4）混凝土的碳化：由于二氧化碳與混凝土中石灰的相互作用，會改變混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)。（5）混凝土收縮：造成混凝土開裂，使水分和鹽分滲透。（6）溫度梯度和溫度變化：潮濕的混凝土表面在波浪作用下反復凍結(jié)，使混凝土暴露在高溫梯度下。當溫度變化超過dT=40°時，水泥-骨料粘結(jié)性能也會弱化，水泥開裂增加。

冰-混凝土表面的試驗研究表明，摩擦導致的磨損小尺度效應，磨損會導致混凝土顆粒進入界面，從而影響混凝土與冰之間的摩擦［9］，試驗裝置如圖3所示。在水泥漿體被侵蝕后，測量了恒定的磨損率，該磨損率與滑動速度和壓力有關(guān)，但與平均粗糙度無關(guān)。

圖3 摩擦測量裝置［9］

使用兩種高性能混凝土和一種輕質(zhì)混凝土不同的混凝土配合比，對混凝土-冰磨損進行了試驗研究［2，10］，在寒冷的房間中，磨損機器以0.16 m/s的速度滑動，滑動3 km后抗壓強度最低的混凝土試樣磨損0.35 mm。

研究表明，對于特定組成的混凝土，混凝土磨損有一般磨損和突變磨損兩種機制，這兩種機制是循環(huán)發(fā)生的。

（1）一般磨損：一般磨損是冰和少量磨損顆粒沿混凝土板表面流動，引起水泥漿體和小骨料部分的逐漸侵蝕。一般的磨損有初始和永久階段。初始階段的特征是較高的平均和最大磨損量，在這個階段，水泥漿體的上層被磨蝕，磨蝕速度更快，取決于粗糙度；永久階段磨損率較低，不依賴于粗糙度，在后期階段，骨料和砂粒暴露，強度高于水泥。當這種情況發(fā)生時，實際接觸面積減少，應力增加，顆粒上拉應力高于材料抗拉強度，導致材料磨損。

（2）突變磨損：發(fā)生在一般磨損削弱了水泥-骨料粘結(jié)后，突然發(fā)生骨料顆粒噴射。如圖4所示：圖4（a）中為一般磨損，磨損混凝土的外層，直到骨料顆粒暴露出來；圖4（b）中一般磨損速率減慢，直到突變磨損導致骨料顆粒噴射出來；圖4（c）為一般磨損的循環(huán)起點。

圖4 磨損示意圖

混凝土碎片顆?？勺鳛榧怃J的磨料顆粒，在冰的拖拽下，增強了混凝土的磨損［2］，冰在混凝土上滑動時產(chǎn)生的拉應力足以產(chǎn)生微裂縫，水被迫進入微裂縫會產(chǎn)生壓力，導致裂縫擴展，如圖5所示，混凝土磨損不需要凍融循環(huán)。

圖5 水滲透導致混凝土微裂縫示意圖

4 冰-混凝土的摩擦

前期研究多集中在冰以不同的速度在某種材料上滑動時的動摩擦，不同的研究結(jié)果有很大的分歧，當冰被摩擦加熱時，水會起到潤滑劑的作用，降低了摩擦系數(shù)［11］；當滑動速度相對“低”，摩擦系數(shù)更高，與垂直載荷大小無關(guān)。

通過研究冰的摩擦可確定多晶冰的蠕變行為，圓錐形冰的尖端在測試表面上滑動，此時出現(xiàn)了較強的界面黏附［12］。試驗觀察到摩擦與法向壓力和接觸面積間接近成比例，摩擦加熱導致表面的冰融化，摩擦減少，滑動時的溫差可由以下方法估計：

式中μ為摩擦系數(shù)，N為法向力，g為重力加速度，r為圓形接觸面積的半徑；v為表面相對速度；ki為表面之間的速度，k為相互作用材料的導熱系數(shù)。

研究還表明，在非常低的滑動速度下，靠近臨界面的薄冰區(qū)會再次結(jié)冰，底面更易產(chǎn)生滑動。通過戶外船體穿過天然冰試驗和室內(nèi)金屬板穿過冰塊試驗發(fā)現(xiàn)，在0.25～1.75 m/s的速度范圍內(nèi)，摩擦力與速度無關(guān)；隨荷載增加，摩擦系數(shù)逐漸減??；表面粗糙度對摩擦幾乎沒影響，而粗糙類型對摩擦影響顯著［13］。淡水冰和海冰上鋼板摩擦試驗，也有類似的試驗結(jié)果，當壓力在10 kPa以下減小時，動摩擦系數(shù)增大，超過10 kPa后，摩擦系數(shù)與壓力無關(guān)［14］。Oksanen［15］認為，冰與材料間的摩擦所引起的熱量耗散是通過向固體的傳導和界面處融水的吸熱來實現(xiàn)的，摩擦系數(shù)取決于環(huán)境溫度，增加正壓力引起摩擦系數(shù)減小。

此外，冰和混凝土間的摩擦已在實驗室中使用不同的方法進行測試，大多數(shù)測試裝置都有自己的測試設(shè)備，測試的重點是不同壓力和滑動速度下的動摩擦系數(shù)。Bruno［16］采用小型混凝土板和實驗室生產(chǎn)的柱狀冰進行循環(huán)摩擦試驗，試驗結(jié)果用摩擦系數(shù)表示。摩擦裝置的示意圖如圖6所示。它是一種改進的直接剪切箱機，能進行界面剪切。采用一個帶有混凝土板的車廂，可以水平移動，淡水冰制成圓柱狀固定在儀器中。

圖6 摩擦裝置示意圖

結(jié)果表明，正應力對最終摩擦系數(shù)的影響呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，且在較高的滑動速度下具有更強的相關(guān)性，結(jié)果如圖7所示。

圖7 摩擦系數(shù)結(jié)果

由以上分析可見冰-混凝土產(chǎn)生摩擦主要有兩種機制：（1）冰的黏塑性；（2）冰-混凝土的黏附性。冰的黏塑性可解釋滑動速度和摩擦表面平均粗糙度的影響。冰塊表面和混凝土板之間的實際接觸次數(shù)是由平均粗糙度決定的。在給定的滑動速度和壓力下，實際接觸的次數(shù)會隨平均粗糙度的減小而減小，平均粗糙度的增大會導致實際應力的增大，導致更多的冰滲透在混凝土的凹凸體中，增加凹凸體附近的冰應變速率；由于冰的黏塑性，在較高的平均粗糙度下，切向應力和摩擦力更高，如圖8所示。

圖8 摩擦系數(shù)結(jié)果

在低正應力下，冰-混凝土的黏附力是摩擦力的主要組成部分，此時破壞粘接所需的剪應力控制著摩擦力，隨著時間的推移，由于冰的黏塑性，實際接觸面積增加，摩擦系數(shù)增加。

5 總 結(jié)

冰-混凝土界面上的磨損存在凍融循環(huán)、荷載兩種主要的作用機制，界面磨損程度是由兩個界面間的摩擦和粘附控制的。研究表明：冰對混凝土粘附與混凝土磨損密切相關(guān)。粘接劑粘結(jié)可直接產(chǎn)生強大的拉應力，導致混凝土表面和骨料顆粒磨損。磨損率取決于溫度、接觸壓力、相對速度和冰蓋沿混凝土表面的總滑動距離?；瑒釉斐傻哪p部分取決于摩擦系數(shù)，而在冰沿混凝土的滑動中，摩擦取決于附著力。壓力、持續(xù)時間和浸沒等參數(shù)與冰-混凝土黏附強度的關(guān)系及其最終產(chǎn)生的磨損程度還有待更詳細深入的研究。