熱風(fēng)除雪對(duì)機(jī)場(chǎng)混凝土道面損傷規(guī)律研究

1、2015年第4期(總第306期)Number4in2015(TotalNo306)混凝土Concrete理論研究THEETICALRESEARCHdoi：103969~issn1002—3550201504019熱風(fēng)除雪對(duì)機(jī)場(chǎng)混凝土道面損傷規(guī)律研究趙方冉，劉新琛(中國(guó)民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津300300)摘要：針對(duì)機(jī)場(chǎng)冬季混凝土道面熱吹除冰雪過程，存在的道面損傷問題展開研究；探究了損傷模型并設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)熱風(fēng)沖擊冰雪道面進(jìn)行試驗(yàn)室模擬，詳細(xì)記

2、錄了不同沖擊次數(shù)后的表層損傷狀況和強(qiáng)度，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析與模型進(jìn)行比較驗(yàn)證；熱沖擊應(yīng)力、冰晶汽化產(chǎn)生的熱膨脹力、凍融循環(huán)的綜合作用，較好的闡釋了冬季除雪混凝土道面損傷的根本原因。為進(jìn)一步混凝土道面熱沖擊損傷研究和后續(xù)改進(jìn)道面建設(shè)與維護(hù)技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：熱吹除雪；混凝土道面；熱沖擊；損傷中圖分類號(hào)：TU52801文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1002—3550(2015)04—0074—04Studyonairportconcrete

3、pavementdamagelawofhotwindsnowremovaZHA0FangranLIUXinchen(SchoolofAirpo~，CivilAviationUniversityofChina，Tianjin300300，China)Abstract：Aimingattheairportinwinterconcretepavementthermalblowing—snowprocess，researchedexisting

4、surfacedamageprob—lem；Exploredthedamagemodelanddesignedexperiment，laboratorysimulationwascarriedoutonthehotairimpacticypavement，de—tailedthesurfacedamagestatusandstrengthafterthedifferentimpacttimes，an~yzedthetestresults

5、comparedwithmodelvalidation；Thecomprehensiveeffectofthermalshockstress，thethermalexpansionforceiceofcrystalsvaporizing，thefreezing—thawingcycle，abeRerinterpretationoftherootcauseofconcre~roadsurfacedamagebecauseofthewint

6、ersnowremova1ForthefurtherresearchandconcretepavementthermalshockdamagelaythetheoreticalbasisforsubsequentlyimprovingpavementconstructionandmaintenancetechnologyKeywords：hotblowsnowremoval；concretepavement；thermalshock；d

7、amage0引言1混凝土道面損傷模型的建立我國(guó)地域遼闊，氣候多樣復(fù)雜，降雪影響面積約占四分之三的國(guó)土。特別是在我國(guó)北方和一些高寒地區(qū)，降雪期長(zhǎng)達(dá)56個(gè)月。道路、機(jī)場(chǎng)的積雪給人們的出行帶來了極大不便，甚至?xí)斐蓢?yán)重的交通事故。因此，在我國(guó)北方，冬季除雪是機(jī)場(chǎng)、公路等交通運(yùn)輸或空管部門，甚至是政府部門一項(xiàng)重要的工作任務(wù)。目前我國(guó)城市道路除雪融冰技術(shù)仍以人工除雪、化學(xué)除雪和機(jī)械除雪為主；而在機(jī)場(chǎng)道面除冰雪方面，為減少飛機(jī)航班延誤，多采用高溫?zé)?/p>

8、風(fēng)快速除冰雪方式。雖然后者的除冰雪工作效率很高，但其除雪過程中對(duì)道面的損傷已經(jīng)成為困擾許多機(jī)場(chǎng)的難題，因?yàn)樵诖祾哌^程中噴口達(dá)500700℃的高溫直接沖擊，難以避免對(duì)道面的物理傷害，這些問題反映了目前道面除冰雪方法與現(xiàn)有道面結(jié)構(gòu)和材料之間的不協(xié)調(diào)及不適應(yīng)問題比較嚴(yán)重。因此，有必要深入探討其損傷規(guī)律及其理論，為后續(xù)改進(jìn)道面建設(shè)與維護(hù)技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)收稿日期：2014一O8—2O基金項(xiàng)目：中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)工程研究基地開放基金74混凝土構(gòu)筑物的原生

9、缺陷用一種損傷的概念表述，它是一種異化的微結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能相比于正常的微結(jié)構(gòu)，一般呈劣化態(tài)勢(shì)。在外界因素作用下，損傷概念又涉及昆凝土體中，引起該處力學(xué)性能劣化的界面裂隙的出現(xiàn)。原生缺陷或界面裂隙發(fā)展成微裂紋或宏觀裂縫，則可以看作是損傷累積的結(jié)果，從而混凝土的損傷至斷裂破壞，可概括為因?yàn)榛炷羶?nèi)部不可避免存在著初始損傷，受外界因素影響下，損傷逐步發(fā)展，并進(jìn)一步引發(fā)新的損傷，當(dāng)損傷積累達(dá)一定程度時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)宏觀裂縫，而宏觀裂縫的端部

10、又將誘發(fā)新的損傷積累，再次引起裂縫擴(kuò)展。由此可見，初始損傷、損傷積累、產(chǎn)生宏觀裂縫、宏觀裂縫擴(kuò)展交織發(fā)展過程構(gòu)成混凝土破壞全過程。為此有學(xué)者建議，材料的破壞參量就應(yīng)選擇損傷量，并根據(jù)損傷量累積值判斷其是否破壞o?；炷猎谛∽冃螘r(shí)表現(xiàn)出類似于彈性材料的性質(zhì)，受拉時(shí)，表現(xiàn)出脆性，具有較小的不可逆變形。自1980年開通過對(duì)數(shù)據(jù)分析，得強(qiáng)度一沖擊次數(shù)曲線圖4和質(zhì)量損失一沖擊次數(shù)曲線圖5，試驗(yàn)?zāi)M過程中，從曲線可以看出沖擊次數(shù)達(dá)l5次以前，試塊強(qiáng)

11、度、質(zhì)量損失變化緩慢，對(duì)應(yīng)模型彈性階段；之后隨著沖擊次數(shù)增多，強(qiáng)度呈現(xiàn)出較明顯下降趨勢(shì)，彎拉強(qiáng)度下降呈現(xiàn)更明顯的趨勢(shì)，質(zhì)量損失方面出較明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)；綜合剝落裂紋情況，當(dāng)沖擊次數(shù)達(dá)到40次時(shí)，表層表現(xiàn)出了裂紋縱橫交錯(cuò)、起皮剝落增多、露砂，對(duì)應(yīng)模型曲線階段；由于機(jī)場(chǎng)對(duì)混凝土道面平整度、排水性能、強(qiáng)度要求很高，40次時(shí)損傷程度已達(dá)損傷一沖擊次數(shù)曲線極值的80％，已嚴(yán)重影響道面結(jié)構(gòu)的正常使用。綜合以上對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，原始損傷模型能較好的描述道

12、面結(jié)構(gòu)的損傷積累過程。同時(shí)，從數(shù)據(jù)變化中還可以看出，數(shù)據(jù)中也存在一些跳躍點(diǎn)，這是由于試驗(yàn)缺乏大數(shù)據(jù)效應(yīng)，試驗(yàn)條件的限制，只能做數(shù)量有限的幾組試件，表現(xiàn)出了一些離散性，混凝土材料的非均勻性，也是導(dǎo)致這種宏觀指標(biāo)的離散性和不確定性原因。O25O20《015o100O50沖擊次數(shù)圖4強(qiáng)度一沖擊次數(shù)曲線5101520253035404550沖擊次數(shù)圖5質(zhì)量損失一沖擊次數(shù)曲線3混凝土道面熱吹除雪破壞損傷及其惡化機(jī)理混凝土的損傷無(wú)論是熱損傷還是凍融

13、損傷包含了結(jié)構(gòu)開裂(物理作用)和水化物分解(化學(xué)作用)。盡管這是兩個(gè)截然不同的劣化因素，但是，損傷的概念可以作為一個(gè)將力學(xué)問題與材料科學(xué)問題聯(lián)系在一起的橋梁。水化物分解而引發(fā)的水泥漿體分解和骨料熱變形的不匹配所導(dǎo)致的微裂紋均可用損傷的概念予以描述。結(jié)冰道面除了表面覆蓋冰層之外，表層混凝土內(nèi)部空隙中通常充滿著冰晶；而當(dāng)其遭受高溫氣流沖擊時(shí)，表層內(nèi)外的冰晶也幾乎同時(shí)融化或汽化，從而使道面混凝土產(chǎn)生相應(yīng)的物理力學(xué)反應(yīng)。31道面遭受瞬態(tài)熱沖擊時(shí)

14、沖擊應(yīng)力效應(yīng)分析針對(duì)遭受高溫瞬時(shí)沖擊時(shí)的表層結(jié)構(gòu)物理力學(xué)反應(yīng)，76其中最主要物理反應(yīng)就是局部熱傳導(dǎo)問題，引起的沖擊應(yīng)力場(chǎng)。而關(guān)于國(guó)內(nèi)外研究熱導(dǎo)問題主要是基于傅里葉定律的傳統(tǒng)導(dǎo)熱和對(duì)傅里葉定律作適當(dāng)修正之后，考慮熱擾動(dòng)有限傳播速度的導(dǎo)熱統(tǒng)稱為非傅里葉導(dǎo)熱。隨著科技進(jìn)步，各種高強(qiáng)度、快速的加熱或冷卻手段越來越多地出現(xiàn)于工程實(shí)際當(dāng)中。加熱或冷卻過程的短時(shí)間作用，溫度劇烈變化是這類問題所具有的共同特點(diǎn)，這種強(qiáng)烈變化將產(chǎn)生數(shù)值很高、破壞力很強(qiáng)的動(dòng)

15、態(tài)熱應(yīng)力，因此這一問題的研究越來越受到人們的重視。對(duì)這類問題處理是基于非傅里葉導(dǎo)熱，把熱量傳播速度為有限值的雙曲線型導(dǎo)熱微分方程式，結(jié)合考慮了慣性力作用而得到的運(yùn)動(dòng)微分方程，物理方程和幾何方程進(jìn)行聯(lián)立求解，求的熱沖擊應(yīng)力。下面從熱沖擊應(yīng)力數(shù)學(xué)描述出發(fā)，對(duì)混凝土道面損傷機(jī)理進(jìn)行分析u。如上所說把熱風(fēng)沖擊道面問題簡(jiǎn)化為沖擊熱流快速加熱半無(wú)限體熱沖擊問題。即考慮一彈性半空間x≥0，初始溫度均勻分布為，在時(shí)問t0時(shí)，沖擊式熱流q(t)對(duì)=0表面

16、作用，假設(shè)運(yùn)動(dòng)是單向的，并且認(rèn)為半無(wú)限體是在自然狀態(tài)被加熱，對(duì)于無(wú)內(nèi)熱常物性情況，其內(nèi)部溫度場(chǎng)的確定歸結(jié)為下列定解問題的求解：『。=n。I丁(，t)l：0=Tif≤0q(t)0(2)Ir(x，t)l=丁【。=0式中：r——松弛時(shí)間(溫度場(chǎng)重新建立滯后于邊界條件改變的時(shí)間)，它和熱傳播速度C及熱擴(kuò)散率a=X／pc。之間滿足如下關(guān)系：cr0／a=1。沖擊應(yīng)力問題，原則上已屬動(dòng)力學(xué)范籌，加速度將具有本質(zhì)的影響，因此對(duì)于微小位移情況，控制應(yīng)力、

17、應(yīng)變方程為：=2(Ou~P魯)J=2G(哦一)(i，k=X，Y，z)(3)式中：p——密度；——體積膨脹。通過對(duì)以上溫度場(chǎng)、沖擊應(yīng)力場(chǎng)數(shù)學(xué)問題的求解，可知按瞬態(tài)沖擊處理的熱導(dǎo)問題存在的溫度波效應(yīng)只有在極短時(shí)間，表面極薄一層內(nèi)表現(xiàn)很明顯，溫度、應(yīng)力在物體內(nèi)部沿深度方向存在一階躍式攀升，其結(jié)果是溫度波沿深度方向的熱擾動(dòng)到達(dá)處的溫度、應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于按通常穩(wěn)態(tài)處理的結(jié)果。一旦達(dá)到材料的強(qiáng)度極限，產(chǎn)生表層微裂縫，并逐漸擴(kuò)展至宏觀裂縫。邊界=0處一