熱風除雪對機場混凝土道面損傷規(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熱風除雪對機場混凝土道面損傷規(guī)律研究趙方冉，劉新琛(中國民航大學(xué)機場學(xué)院，天津300300)摘要：針對機場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)計試驗對熱風沖擊冰雪道面進行試驗室模擬，詳細記

2、錄了不同沖擊次數(shù)后的表層損傷狀況和強度，對試驗結(jié)果進行分析與模型進行比較驗證；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。為進一步混凝土道面熱沖擊損傷研究和后續(xù)改進道面建設(shè)與維護技術(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：TU52801文獻標志碼：A文章編號：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土。特別是在我國北方和一些高寒地區(qū)，降雪期長達56個月。道路、機場的積雪給人們的出行帶來了極大不便，甚至會造成嚴重的交通事故。因此，在我國北方，冬季除雪是機場、公路等交通運輸或空管部門，甚至是政府部門一項重要的工作任務(wù)。目前我國城市道路除雪融冰技術(shù)仍以人工除雪、化學(xué)除雪和機械除雪為主；而在機場道面除冰雪方面，為減少飛機航班延誤，多采用高溫熱

8、風快速除冰雪方式。雖然后者的除冰雪工作效率很高，但其除雪過程中對道面的損傷已經(jīng)成為困擾許多機場的難題，因為在吹掃過程中噴口達500700℃的高溫直接沖擊，難以避免對道面的物理傷害，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)改進道面建設(shè)與維護技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)收稿日期：2014一O8—2O基金項目：中國民航機場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。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，可概括為因為混凝土內(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，并進一步引發(fā)新的損傷，當損傷積累達一定程度時，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表現(xiàn)出類似于彈性材料的性質(zhì)，受拉時，表現(xiàn)出脆性，具有較小的不可逆變形。自1980年開通過對數(shù)據(jù)分析，得強度一沖擊次數(shù)曲線圖4和質(zhì)量損失一沖擊次數(shù)曲線圖5，試驗?zāi)M過程中，從曲線可以看出沖擊次數(shù)達l5次以前，試塊強

11、度、質(zhì)量損失變化緩慢，對應(yīng)模型彈性階段；之后隨著沖擊次數(shù)增多，強度呈現(xiàn)出較明顯下降趨勢，彎拉強度下降呈現(xiàn)更明顯的趨勢，質(zhì)量損失方面出較明顯增長趨勢；綜合剝落裂紋情況，當沖擊次數(shù)達到40次時，表層表現(xiàn)出了裂紋縱橫交錯、起皮剝落增多、露砂，對應(yīng)模型曲線階段；由于機場對混凝土道面平整度、排水性能、強度要求很高，40次時損傷程度已達損傷一沖擊次數(shù)曲線極值的80％，已嚴重影響道面結(jié)構(gòu)的正常使用。綜合以上對試驗數(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，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，這是由于試驗缺乏大數(shù)據(jù)效應(yīng)，試驗條件的限制，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)致這種宏觀指標的離散性和不確定性原因。O25O20《015o100O50沖擊次數(shù)圖4強度一沖擊次數(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理混凝土的損傷無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)。盡管這是兩個截然不同的劣化因素，但是，損傷的概念可以作為一個將力學(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；而當其遭受高溫氣流沖擊時，表層內(nèi)外的冰晶也幾乎同時融化或汽化，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

14、沖擊應(yīng)力效應(yīng)分析針對遭受高溫瞬時沖擊時的表層結(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。而關(guān)于國內(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)熱和對傅里葉定律作適當修正之后，考慮熱擾動有限傳播速度的導(dǎo)熱統(tǒng)稱為非傅里葉導(dǎo)熱。隨著科技進步，各種高強度、快速的加熱或冷卻手段越來越多地出現(xiàn)于工程實際當中。加熱或冷卻過程的短時間作用，溫度劇烈變化是這類問題所具有的共同特點，這種強烈變化將產(chǎn)生數(shù)值很高、破壞力很強的動

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動微分方程，物理方程和幾何方程進行聯(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)，對混凝土道面損傷機理進行分析u。如上所說把熱風沖擊道面問題簡化為沖擊熱流快速加熱半無限體熱沖擊問題。即考慮一彈性半空間x≥0，初始溫度均勻分布為，在時問t0時，沖擊式熱流q(t)對=0表面

16、作用，假設(shè)運動是單向的，并且認為半無限體是在自然狀態(tài)被加熱，對于無內(nèi)熱常物性情況，其內(nèi)部溫度場的確定歸結(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——松弛時間(溫度場重新建立滯后于邊界條件改變的時間)，它和熱傳播速度C及熱擴散率a=X／pc。之間滿足如下關(guān)系：cr0／a=1。沖擊應(yīng)力問題，原則上已屬動力學(xué)范籌，加速度將具有本質(zhì)的影響，因此對于微小位移情況，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。通過對以上溫度場、沖擊應(yīng)力場數(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到達處的溫度、應(yīng)力值遠遠高于按通常穩(wěn)態(tài)處理的結(jié)果。一旦達到材料的強度極限，產(chǎn)生表層微裂縫，并逐漸擴展至宏觀裂縫。邊界=0處一