热风除雪对机场混凝土道面损伤规律研究.pdf

2 0 1 5年 第 4 期 (总 第 3 0 6期) N u mb e r 4 i n 2 0 1 5( T o t a l N o 3 0 6) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORE TI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 4 0 1 9 热风除雪对 机场混凝 土道面损伤规律研 究 赵方冉 ，刘新琛 ( 中国民航大学 机场学院， 天津 3 0 0 3 0 0 ) 摘要 ： 针对机场冬季混凝土道面热吹除冰雪过程， 存在的道面损伤问题展开研究； 探究了损伤模型并设计试 验对热风冲击冰 雪道面进行试验室模拟 ， 详细记录了不同冲击次数后的表层损伤状况和强度 ， 对试验结果进行分析与模型进行 比较验证； 热冲击 应力 、 冰晶汽化产生的热膨胀力、 冻融循环的综合作用 ， 较好的阐释了冬季除雪混凝土道面损伤的根本原因。 为进一步混凝土道 面热冲击损伤研究和后续改进道面建设与维护技术奠定理论基础。 关键词： 热吹除雪 ； 混凝土道面 ； 热冲击 ； 损伤 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 04 0 0 7 4 0 4 S t u d y on a i r p o r t c on c r e t e p a v e me n t d a ma g e l a w o f h o t wi n d s n o w r e mo v a ZHA0 F a n g r a n LI U Xi nc he n ( S c h o o l o f Ai r p o ， Ci v i l A v i a ti o n Un i v e r s i t y o f C h i n a ， T i a n j i n 3 0 0 3 0 0， C h i n a ) Abst r a c t ： Ai mi n g a t t he a i r po r t i n wi n t e r c o nc r e t e p a v e me n t t h e r ma l bl o wi n gs n o w p r o c e s s ， r e s e a r c h e d e x i s tin g s u rfa c e da ma g e p r o b l e m ； Ex p l o r e d t h e d a ma g e mo d e l a n d d e s i g n e d e x p e rime n t ， l a b o r a t o r y s i mu l a t i o n wa s c a r r i e d o u t o n t h e h o t a i r i mp a c t i c y p a v e me nt ， d e t a i l e d t h e s u rfa c e d a ma g e s t a t u s a n d s tre n g t h a f t e r t h e d i f f e r e n t i mp a c t time s ， a n y z e d the t e s t r e s u l t s c o mp are d wi t h mo d e l v a l i d a t i o n； The c o mp r e h e n s i v e e f f e c t o f t h e r ma l s h o c k s t r e s s ， the the rm a l e x p a ns i o n f o r c e i c e o f c r y s t a l s va p o riz i n g， the f r e e z i n gtha wi n g c y c l e， a b e Re r i n t e r p r e t a t i o n o f the r o o t c a u s e o f c o n c r e r o a d s u rfa c e d a ma g e b e c a u s e o f the wi n t e r s n o w r e mo v a 1 Fo r t he f u r t he r r e s e a r c h a n d c o n c r e t e p a v e me n t t h e r ma l s h o c k d a ma g e l a y the the o r e t i c a l b a s i s f o r s u b s e q u e n t l y i mp r o v i n g p a v e me n t c o n s t r u c ti o n a n d ma i n t e n a n c e t e c h n o l og y K e y wo r d s： h o t b l o w s n o w r e mo v a l ； c o n c r e t e p a v e me n t ； the r ma l s h o c k； d a ma g e 0 引言 1 混凝土道 面损伤模型的建立 我国地域辽阔， 气候多样复 杂， 降雪影响面积约 占四 分之三的国土。 特别是 在我国北方 和一些 高寒地区 ， 降雪 期长达 5 - 6个月。 道路 、 机场的积雪给人们 的出行带来 了 极大不便 ， 甚至 会造成严 重 的交 通事故。 因此 ， 在我 国北 方 ， 冬季除雪是机场 、 公路等交通运输或空管部 门， 甚至是 政府部门一项重要的工作任务。 目前我国城市道路除雪融 冰技术仍 以人 工除雪 、 化学 除雪 和机械除雪 为主 ； 而 在机场道面除冰雪方面 ， 为减少 飞机航班延 误 ， 多采 用高 温热风 快速 除冰雪 方 式。 虽然 后 者 的 除冰 雪 工作 效 率 很高 ， 但其除雪过程 中对道面的损伤 已经成为困扰许多机 场 的难题 ， 因为在吹扫过程 中喷口达 5 0 0 - 7 0 0的高温直 接 冲击 ， 难 以避免对道面 的物理伤 害， 这些 问题 反映 了 目前道面除冰雪方法与现有道 面结构 和材料之间的不协 调及不适应问题比较严重 。 因此 ， 有必要 深入 探讨其损伤 规律及其理论， 为后续改进道面建设与维护技术奠定理论 基 础 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 一O 8 2 O 基金项 目： 中国民航机场工程研究基地开放基金 74 混凝土构筑物的原生缺陷用一种损伤的概念表述 ， 它 是一种异化的微结构 ， 其力学性能相 比于正 常的微结构 ， 一 般呈劣化态势 。 在外界 因素作用下 ， 损伤概念又涉及 昆 凝土体 中， 引起该处力学性能劣化 的界 面裂 隙的出现。 原 生缺陷或界面裂隙发展成微裂纹或宏观裂缝， 则可以看作 是损伤累积的结果 ， 从而混凝 土的损 伤至断裂破坏 ， 可概 括为因为混凝土 内部不可避免存 在着初始损伤 ， 受外界 因 素影响下 ， 损伤逐步发展 ， 并进一步引发新 的损伤 ， 当损伤 积累达一定程度 时， 混凝土结构将 出现宏 观裂缝 ， 而宏观 裂缝的端部又将诱发新 的损 伤积 累， 再次 引起裂缝 扩展 。 由此可见 ， 初始损伤 、 损伤积 累 、 产生 宏观裂缝 、 宏观裂缝 扩展交织发展过程构成混凝土破坏全过程。 为此有学者建 议， 材料的破坏参量就应选择损伤量， 并根据损伤量累积 值判断其是否破坏- o 。 混凝土在小变形时表现 出类似于弹性材料 的性质 ， 受 拉时 ， 表现出脆性 ， 具有较小 的不可逆变形 。自 1 9 8 0年 开 通过对数据分析 ， 得强度 一 冲击次数 曲线 图 4和质量 损失 一冲击次数曲线 图5 ， 试验模拟过程中 ， 从 曲线可 以看 出冲击次数达 l 5次 以前 ， 试块强度 、 质量损失变化缓 慢 ， 对应模 型弹性 阶段 ； 之后随着冲击 次数增多 ， 强度呈 现出 较 明显下降趋势 ， 弯拉强度下降呈现更 明显 的趋势 ， 质量 损失方面出较明显增长趋势 ； 综合剥落裂纹情况 ， 当冲击 次数达到 4 0次时， 表层表现出了裂纹纵横交错 、 起皮剥落 增多 、 露砂 ， 对应模型曲线阶段 ； 由于机场对混凝土道面平 整度 、 排水性能 、 强度要求很 高 ， 4 0次时损伤程度 已达损 伤 一冲击次数曲线极值 的 8 0 ， 已严重影 响道面结构的正 常使用。 综合以上对试 验数据 的分析 ， 原始损伤模 型能较 好 的描述道面结构 的损伤积累过程。 同时， 从数据 变化 中 还可以看 出， 数据 中也存 在一些跳跃点 ， 这是 由于试验缺 乏大数据效应 ， 试验条件 的限制， 只能做数 量有限 的几组 试件 ， 表现出了一些离散性 ， 混凝土材料 的非均匀性 ， 也是 导致这种宏观指标的离散性 和不确定性原因。 O 2 5 O 2 0 0 1 5 o 1 0 0 O 5 0 冲击次 数 图 4强度 一冲击 次数 曲线 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 冲击次数 图 5 质量损失 一冲击次数曲线 3 混凝土道 面热吹除雪破坏损伤及其恶化机理 混凝土的损伤无论是热 损伤还是冻融损伤包 含了结 构开裂 ( 物理作用) 和水 化物分解 ( 化学作用 ) 。 尽管这是 两个截然不 同的劣化 因素 ， 但是 ， 损伤 的概念可 以作为一 个将力学问题与材料科学 问题联系在一起的桥梁。 水化物 分解而引发 的水泥浆体分解 和骨料 热变形 的不匹配所导 致 的微裂纹 均可用损伤 的概念予 以描述 。 结 冰道面 除了表面覆盖冰层之外 ， 表层混凝土 内部空隙 中通常充满 着冰晶 ； 而当其遭受高温气流 冲击时 ， 表层 内外 的冰晶也 几乎 同时融化或汽化 ， 从而使道面混凝土产生相应 的物理 力学反应。 3 1 道面遭受瞬态热冲击时冲击应力效应分析 针对遭受高温瞬时冲击时的表层结构物理力学反应 ， 76 其 中最主要物理反应就是局部热传导问题 ， 引起 的冲击应 力场 。 而关于国内外研究热导问题 主要是基于傅里叶定律 的传统导热和对傅里叶定律作适 当修正之后 ， 考虑热扰动 有 限传播速度的导热统称为非傅里叶导热 。 随着科技进步 ， 各种高强度 、 快 速的加热或冷 却手段 越来越多地 出现于工程实 际当中。 加热或冷却过程 的短时 间作用 ， 温度剧烈变化是这类 问题所具有 的共 同特点 ， 这 种强烈变化将产生数值很高 、 破坏力很强 的动态热应力 ， 因此这一问题的研究越来越受到人们 的重视 。 对这类 问题 处理是基于非傅里叶导热 ， 把热量传播速度为有 限值 的双 曲线型导热微分方程式 ， 结合考虑 了惯性力作用而得到的 运动微分方程 ， 物理方程和几何方程进行联立求解 ， 求的 热 冲击应力 。 下面从热 冲击应力数学 描述 出发 ， 对 混凝土 道面损伤机理进行分析 u 。 如上所说把热风 冲击道 面问题 简化为 冲击热 流快速 加热半无限体热 冲击问题 。 即考虑一弹性半空间 x 0 ， 初 始温度均匀分布为 ， 在时问 t 0时， 冲击式热流 q ( t ) 对 = 0表面作用 ， 假设运动是单 向的， 并且认 为半无 限体是 在 自然状态被加热 ， 对于无 内热常物性情况 ， 其 内部 温度 场 的确定归结为下列定解 问题 的求解 ： 。 + = n 。 I 丁 ( ， t ) l ： 0 = T i f 0 q ( t) 0 ( 2 ) I r ( x ， t ) l = 丁 【 。 = 0 式中 ： r 松弛时间 ( 温度场重新 建立滞后 于边 界条件 改变的时间) ， 它和热传播速度 C 及热扩散率 a = X p c 。 之 间满足如下关系 ： c r 0 a= 1 。 冲击应力 问题 ， 原则上 已属动力学范筹 ， 加 速度将具 有本质的影响 ， 因此对于微小位 移情况 ， 控制应力 、 应变方 程为 ： = 2( O u P +鲁 ) + J = 2 G ( 哦 一 ) ( i ， k=X， Y， z ) ( 3 ) 式中 ： p 密度 ； 体积膨胀 。 通过对以上温度场 、 冲击应力场数 学问题 的求解 ， 可 知按瞬态冲击处理 的热导问题存 在的温度波效应只有在 极短时间， 表面极薄一层内表现很明显 ， 温度 、 应力在物体 内部沿深度方 向存在一阶跃式攀升 ， 其结果是温度波沿深 度方向的热扰动到达处 的温度 、 应力值 远远高 于按通常稳 态处理的结果 。 一旦达到材料 的强度极 限， 产生表层微裂 缝 ， 并逐渐扩展至宏观裂缝 。 边界 = 0处一个 阶跃式 温度 变化在物体内将产生一个以速度 C运动的温度波 ， 经过这 个温度波的波 面时 ， 温度 出现不连续性 ， 有一跃升 。 随着 增大 ， 即深度增加 ， 这一跃变值 急剧衰减。 由于此点将连续 接受热流 ， 表现为温 度在跃变值基 础上连续上 升 ， 并逐渐 接近弱瞬态结果 。 同时 ， 表层混凝土内部空隙中充满 的冰晶在高温作用 下快速汽化 ， 由于膨 胀空 间受 到限制 ， 会产生一种 膨胀压 应力 。 由热力学定律 P V： n R T ， 知 当空隙中的冰晶快速汽化 为气体时， 其体积瞬间增大为 ， 空隙体积不变， 故空隙受 内部膨胀压力变为 ： P =v P 。 ( 4 ) 式 中： 空隙体积 ； P 。 空隙内冰晶对空隙壁的压力。 冲击热应力 和膨胀 压应力 的共 同作用下 ， 混凝土 材料一旦达到其极 限应力 ， 就会产 生裂纹。 但作 为非均匀 多相复合材料 ， 混凝土材料力学和热力 学属性 的空 间差异 ( 非均匀性 ) 导致 了其开裂位置的随机性 ， 也正是这种随机 分 布导致 了混凝土爆裂不确定性的发生 。 3 2 附加 冻融时的道面混凝土疲 劳损伤机理 受冻融循环作用影 响 ， 混凝土 内部水泥石 和骨料 、 水 泥石黏结界面之间产生微裂缝及微裂 缝逐渐 发展 ， 逐渐劣 化混凝土材料性能 。 宏观方面表现为相对动弹性模量 的降 低 、 质量损失率增大和抗 压 、 抗拉强度的下降 ， 其中弯拉强 度反应最为敏感 。 相关试验表 明， 当相对动 弹性模量下 降 至 6 0 时 ， 弯拉强度将下降 约 5 0 7 0 。 大量研究表 明 ， 混凝土冻融剥蚀 破坏 主要是 由于混凝土 中孔隙水在冻融 循环作用下 ， 由于温度正负交替 变化 ， 产生交替 出现 的拉 压应力 ， 导致混凝 土发生疲 劳损伤 ， 使混凝 土产 生 由表及 里的剥蚀破坏。 对经受冻融作用后 的混凝土进行显微结构 分析表 明， 混凝 土水化产物在 冻融循环作用 下 ， 将 造成其 结构状态 由密实 向疏松状态 的退化 ， 一旦冻融循环次数达 到界值 ， 在水泥石和骨料 、 水 泥石接触面将有微 裂缝 的产 生和发展 ； 并最终 导致骨料 与水泥石逐渐分 离 ， 形成大量 微裂纹导致破坏 。 这种附加 的冻融疲劳损伤也加剧了道面 的损伤程度 。 4 结 论 ( 1 ) 热冲击应 力 、 冰 晶汽化产 生 的热 膨胀 力 、 冻融循 环的综合作用 ， 较好 的阐释了冬季除雪混凝土道面损 伤的 根本原 因。 同时 ， 由于混凝土材料力学 和热力学属性 的空 间差异 ( 非均匀性 ) ， 也导致了其开裂及 内部损伤位置 的随 机性 。 ( 2 ) 研究 中探究 建立 的冬季 除雪混凝 土道 面损伤模 型 ， 试验过程只进 行 了单一标 号 、 单 一配合 比的试 块进行 试验 ， 同时试验过程没有对 冲击气流的温度 、 速度 、 加速度 的影响充分考虑在 内， 测得 的试 验数据单一 ， 今后 还需进 行大量将其考虑在 内的试 验 ， 对模 型进行修正完善 。 本模 型较好的基于了容易测量的材料参数表征损伤程度 ， 以更 好 的应用 于工程实践但 和以往混凝土损伤 的理论研究 和 数学模型一样 ， 存在 的一个共 同问题就是 ， 对材料 的不均 匀性和损伤 的时间效应考虑不够充分 ， 本研究以后的研究 方 向即试着修正完善这一损伤模型 ， 充分考虑材料不均 匀 性 和损伤时间效应 ， 更好的应用于工程实践。 参考文献 ： 1 许元杰国内外公路除冰雪技术现状及加热除冰雪方式探讨 J 四川建筑 ， 2 0 1 2 ， 3 2 ( 3 ) ： 2 8 1 2 8 3 2 R E E S S J ， S P I T L E R J D， X I A O X T r a n s i e n t a n a l y s i s o f s n o w me l t i n g s y s t e m p e r f o r ma n c e Z A S H R AE T r a n s a c t i o n s ， 2 0 0 2 3 Y U We n b i n g ， Y I X i n ， G U O Mi n g ， e t a 1 S t a t e o f t h e a r t a n d p r a c t i c e o f p a v e m e n t a n t i i c i n g and d ei c i n g t e c h n i q u e s J S c i e n c e s i n C o l d and A r i d R e g i o n s ， 2 0 1 4 ( 1 ) 4 Z WA R Y C Z K S n o w m e l ti n g a n d h e a t i n g s y s t e m s b a s e d o n g e o t h e r ma l h e a t p u m p s a t g o l e n i o w a i r p o r t p o l a n d z J 2 0 0 2 5 杨有为 军用机场除雪车工作装置设计方案研究 D 哈尔滨 ： 哈尔滨工业大学， 2 0 1 0 6 王振波 混凝土温度损伤模型研究 D 南京： 河海大学， 2 0 0 1 7 3 L O L A N D K E C o n ti n u o u s d a ma g e mo d e l f o r l o a d r e s p o n e s e s t i m i o n o f c o n c r e t e J C e m e n t and C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 1 9 8 0 8 3 J T G E 3 0 -2 0 0 5 ， 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程 s 北 京 ： 人民交通出版社， 2 0 0 5 9 宁作君 冻融作用下混凝土的损伤与断裂研究 D 哈尔滨： 哈 尔滨工业大学 ， 2 0 0 9 1 O Z O U C h a o y i n g ， L U O J i a n l i n ，Z H A O J u a n ， e t a 1 E x p e r i m e n t a l s t u d y o n the me c h a n i c a l b e h a vi o r o f fro s t r e s i s t a n t c o n c r e t e un - d e r t h e r e p e t i ti v e l o a d a c t i o n c P r o c e e d i n g o f t h e N i n t h I n t e r n a ti o n a l Sy mp os i u m o n S t r u c t u r a l En g i n e e r i n g f o r Yo u n g Ex po rts ， 2 0 0 6 1 1 王振波， 徐道远， 等 混凝土热损伤试验研究 J 河海大学学 报 ， 2 0 0 1 ， 2 9 ( 6 ) ： 9 4 9 8 1 2 王向东， 徐道远 ， 朱为玄 混凝土结构 的损伤模型及损伤场分 析 J 北方交通大学学报 ， 2 0 0 3 ， 2 7 ( 1 ) ： 3 2 3 5 1 3 刘顺隆， 姜任秋， 中 击加热半无限物体温度波效应 J 哈尔滨 工程大学学报 ， 1 9 9 3 ， 1 4 ( 4 ) ： 1 9 2 3 1 4 姜任秋 ， 董红星 ， 孔祥谦 ； 中 击热流快速加热 半无限体热j 中击 问题非傅立叶效应研究 J 应用基础与工程科学学报， 1 9 9 6 ， 4 ( 1 ) ： 7 3 7 8 1 5 傅宇方 ， 黄玉龙 ， 等 高温条件下混凝土爆裂机理研究进展 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 6 ， 9 ( 3 ) ： 3 2 3 3 2 8 作者简介： 联 系地址 ： 联 系电话： 赵 方冉 ( 1 9 6 0一) ， 男， 教授 ， 长期从事机场工程研究 工作 。 天津市东丽区津北公路 2 8 9 8 号( 3 0 0 3 0 0 ) 1 5 8 0 2 2 5 4 7 35 77