路面的凍融與抑制凍結(jié)(融冰雪)課件

1、路面的凍融與抑制凍結(jié)(融冰雪)課件張春輝道路與鐵道工程一、路面的凍融二、路面的凍結(jié)凍結(jié)：指流體（包括液體、氣體）因?yàn)榈蜏囟蹋ǔ蔀楣腆w）。凍融：在寒冷氣候條件下，土壤或巖層中凍結(jié)的冰在白天融化，晚上凍結(jié)，或者夏季融化，冬季凍結(jié)。這種融化、凍結(jié)的過(guò)程稱(chēng)為凍融作用。1.凍土工程技術(shù)研究歷史 。2.我國(guó)凍土分布區(qū)域及特點(diǎn)。3.混凝土路面凍融破壞概況。4.混凝土路面破壞機(jī)理。5.凍融破壞的控制方法。路面的凍融凍土工程技術(shù)有著160多年的發(fā)展歷史早在1891年,俄羅斯就修建了西伯利亞大鐵路20世紀(jì)初, 伴隨著阿拉斯加和加拿大西北部采礦、伐木業(yè)的發(fā)展, 美、加修建了最早的一批公路;17世紀(jì)后期, 人們就

2、已經(jīng)注意到冰凍作用下的凍脹現(xiàn)象, 但隨著人類(lèi)活動(dòng)足跡的延伸, 直到20世紀(jì)才開(kāi)始對(duì)凍融現(xiàn)象及其對(duì)建筑工程的影響開(kāi)展研究。季凍區(qū)：年平均氣溫較低, 凍結(jié)期較長(zhǎng), 凍融作用對(duì)建筑工程的影響較嚴(yán)重的區(qū)域。特點(diǎn)：冬季寒冷干燥漫長(zhǎng)。夏季高溫多雨且短促。春秋兩季氣候多變。年平均氣溫較低。負(fù)溫時(shí)間較長(zhǎng)、溫差大。冬季冰凍深度較大。夏季太陽(yáng)輻射較強(qiáng)。裂縫、沉陷等病害, 使用壽命短路面混泥土路面瀝青路面材料概況混凝土的凍融破壞是道路工程老化的重要標(biāo)志之一，也是我國(guó)混凝土工程最常見(jiàn)的病害之一?；炷谅访嫫茐臋C(jī)理鹽溶液可凍水 受凍結(jié)冰體積膨脹保水度達(dá)到或超過(guò)臨界保水度混凝土受拉開(kāi)裂凍融循環(huán)開(kāi)裂不斷加劇破壞加劇混凝土是

3、由硬化水泥漿體和骨料組成的含毛細(xì)孔的復(fù)合材料。混凝土：含水原因：為了獲得混凝土所必要的和易性，其拌和水量總要多于水泥水化所需的水量，那部分多余水便以游離水的形式滯留于混凝土中，形成占有一定體積的連通毛細(xì)孔。這些連通毛細(xì)孔就是導(dǎo)致混凝土遭受凍害的主要原因。新拌水泥混凝土易于各工序施工操作（攪拌、運(yùn)輸、澆灌、搗實(shí)等）并能獲得質(zhì)量均勻、成型密實(shí)的性能。也稱(chēng)混凝土的工作性。和易性一、膨脹壓力。當(dāng)混凝土中的毛細(xì)孔在某負(fù)溫下發(fā)生物態(tài)變化，由水轉(zhuǎn)化成冰時(shí)體積膨脹9%，因受毛細(xì)孔的約束產(chǎn)生拉應(yīng)力；二、滲透壓力。由于表面張力作用，混凝土中毛細(xì)孔水的冰點(diǎn)隨著孔徑的減少而降低，因而在粗孔中的水結(jié)冰后，由冰與過(guò)冷水的

4、飽和蒸汽氣壓差和過(guò)冷水之間鹽分濃度差引起水分遷移而形成滲透壓。過(guò)冷水遷移滲透結(jié)果必然會(huì)使毛細(xì)孔中冰的體積不斷增大，從而形成更大的膨脹壓力。主要破壞力一是混凝土必須接觸水或混凝土中有一定的含水量。另一個(gè)必要條件是混凝土所處的環(huán)境必須存在反復(fù)交替的正負(fù)溫度。凍融破壞的兩個(gè)必要條件：一、材料對(duì)抗凍性的影響。二、配合比對(duì)抗凍性的影響。三、施工工藝對(duì)抗凍性的影響。凍融破壞的控制方法外加劑的影響摻合料的影響水泥品種的影響外加劑的影響引氣劑微小氣泡緩解壓力減水劑木鈣減水引氣木鈣（木質(zhì)素磺酸鈣）是一種多組分高分子聚合物陰離子表面活性劑，外觀為棕黃色粉末物質(zhì)，略有芳香氣味，具有很強(qiáng)的分散性、粘結(jié)性。目前木質(zhì)素磺

5、酸鈣系列產(chǎn)品已被廣泛用做水泥減水劑、耐火材料結(jié)合劑等。木鈣攪拌時(shí)產(chǎn)生的大量細(xì)膩氣泡，附著在水泥顆粒周?chē)怪砻姘鼑艘粚永喂潭挥袕椥缘呐菽?類(lèi)似肥皂膜)。若引氣劑屬離子系時(shí)，產(chǎn)生的氣泡帶電，彼此相斥，阻止了它們的聚集，因而增加了穩(wěn)定性，同時(shí)將水排除在氣泡之外，達(dá)到減水目的。引氣劑為混凝土引進(jìn)了大量微小且獨(dú)立的氣泡，這些球形氣泡如滾珠一樣，起著潤(rùn)滑作用，使混凝土的工作性大大改善?；炷梁瑲饬吭黾?，內(nèi)部氣泡間距變小是抵抗除冰鹽剝蝕的有效措施。因此對(duì)于道路工程，采用摻引氣劑的混凝土對(duì)抗凍融是有利的。引氣劑的作用原理：摻用粉煤灰。摻用硅粉。高活性高細(xì)度，因此促進(jìn)水泥的二次水化，增加水化產(chǎn)物，使水化

6、產(chǎn)物均勻分布，改善水泥與骨料結(jié)合面的狀態(tài)。摻合料的影響在其他因素相同的情況下，不同水泥品種混凝土的抗凍性排列大致如下： 硅酸鹽水泥普通硅酸鹽水泥礦渣硅酸鹽水泥火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥粉煤灰硅酸鹽水泥.水泥品種的影響水灰比的影響骨灰比的影響混凝土的水灰比越大，毛細(xì)孔越多，密實(shí)度越差，而吸水率越大，在凍融過(guò)程中產(chǎn)生的冰脹壓力和滲透壓力也就越大，因此混凝土的抗凍性越差。水灰比的影響骨灰比是混凝土中砂石用量與水泥用量的比例。在水灰比相同的條件下，混凝土的抗凍性隨著骨灰比的增大而下降。骨灰比的影響拌和工藝的影響成型工藝的影響?zhàn)B護(hù)的影響準(zhǔn)確地按設(shè)計(jì)配合比拌制出均勻的混凝土混合料是保證混凝土各項(xiàng)性能的基礎(chǔ)，實(shí)踐證

7、明，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械攪拌混凝土明顯優(yōu)于商品混凝土。優(yōu)越性拌和工藝的影響主要表現(xiàn)在以下幾方面：1.含氣量?jī)?yōu)于商品混凝土；2. 更容易控制配合比、計(jì)量偏差、投料順序、攪拌時(shí)間以及各種原材料合格等因素。3.由于現(xiàn)場(chǎng)攪拌縮短了運(yùn)距，減少了混凝土的運(yùn)輸時(shí)間和轉(zhuǎn)運(yùn)的次數(shù)，使混凝土不宜發(fā)生分層、離析現(xiàn)象，同時(shí)可以確保混凝土在初凝前澆筑完畢，施工比較靈活。采用新工藝引起混凝土水灰比或含氣量的變化。例如真空吸水成型工藝，將使混凝土拌合物中的一部分水被抽吸排除，從而提高了混凝土的抗凍性。成型工藝的影響混凝土如果得不到及時(shí)的養(yǎng)護(hù)，混凝土表層水分散失、體積收縮產(chǎn)生干縮裂縫（一般稱(chēng)龜裂縫）。龜裂縫會(huì)對(duì)混凝土外表面遭受凍融破壞提

8、供空隙。養(yǎng)護(hù)的影響路面的凍結(jié)1.當(dāng)前現(xiàn)狀。2.抗凍結(jié)路面分類(lèi)。3.路面的適用范圍。4.凍結(jié)抑制路面主要特點(diǎn)。常見(jiàn)方法： 將各種化學(xué)類(lèi)凍結(jié)抑制材料， 比如氯化鈉、 氯化鈣等氯鹽類(lèi)融雪劑直接撒布到路面表面； 抗凍結(jié)路面分類(lèi)添加劑吸著型物理類(lèi)物理化學(xué)類(lèi)添加材混入型添加材混入、吸著型化學(xué)類(lèi)彈性體混入型彈性體混入、散布型彈性體壓入型空隙填充型刻槽填充型彈性體、添加材混入型刻槽填充型空隙填充型1.對(duì)凍結(jié)抑制材料顆粒表面作憎水化處理， 能夠降低冰點(diǎn)下降劑的吸濕性能； 同時(shí)， 憎水顆粒周?chē)植加H水性顆粒， 能夠增加鹽分的析出速度，確保凍結(jié)抑制效果的發(fā)揮；2.醋酸類(lèi) 、 磷酸類(lèi)等復(fù)鹽作為新的冰點(diǎn)下降劑， 使凍結(jié)

9、抑制效果大幅增加， -9條件下仍然能夠發(fā)揮凍結(jié)抑制的功能；3.凍結(jié)抑制路面的凍結(jié)抑制效果可以維持67年， 且夏季鹽分析出量比冬季少。在路面鋪裝材料中摻加抗凍消融化學(xué)材料,通過(guò)毛細(xì)作用化學(xué)材料緩釋溶出,達(dá)到路面冰點(diǎn)下降和凍結(jié)體破壞的目的。從而在一定程度上降低路面水的結(jié)冰率。由于融雪化學(xué)材料混入的是整個(gè)鋪裝體,即使表面層被不斷消耗,體內(nèi)的化學(xué)材料也會(huì)不斷出現(xiàn),能保持凍結(jié)抑制效果的持續(xù)性。良好的材料能達(dá)到6年以上的抑制凍滑期?；瘜W(xué)法抑制機(jī)理主要是通過(guò)在路面鋪裝材料內(nèi)添加一定量的彈性材料,改變路面與輪胎的接觸狀態(tài)和路面的變形特性。利用添加的彈性材料變化能力較強(qiáng)的特性,通過(guò)路面在外荷載作用下產(chǎn)生的自應(yīng)力

10、,使路面冰雪破碎融化,從而有效抑制路面積雪的結(jié)冰,這種方法主要是通過(guò)面層變形達(dá)到防凍結(jié)目的。物理法抑制機(jī)理水泥固化型表面裹油型粉末型添加材混入型水泥固化型的鹽分以水泥固化成粒狀、圓球狀物體表面裹油型的鹽分以顆粒形式表面裹油后置換混合料中的細(xì)集料粉末型鹽化物以粉體形式置換混合料中的石粉采用水泥固化的氯化物與保水性材料填充混合料的空隙，形成半柔性的抗凍結(jié)路面。吸著型混合料空隙中，填充高聚物鹽類(lèi)（如醋酸鉀）等抑制凍結(jié)的材料，達(dá)到抑制冰雪的目的。添加材混入型、吸著型橡膠顆粒瀝青混合料聚氨基甲酸乙酯彈性層將廢舊橡膠輪胎破碎成一定形狀和粒徑的顆粒，以骨料的形式直接添加于瀝青混合料中，代替部分集料。彈性體混

11、入型采用聚氨基甲酸乙酯將堅(jiān)硬石料與彈性橡膠顆粒黏結(jié)形成彈性層，鋪筑于路面上，通過(guò)其彈性避免了冰雪的附著，從而提高了破冰的能力。在空隙率較高的瀝青混合料中摻加橡膠顆粒進(jìn)行鋪筑，鋪筑完成后在路表撒布橡膠顆粒并馬上進(jìn)行碾壓。這種路面可以起到排水、降噪和抗凍結(jié)等多種作用。彈性體混入、散布型在剛 完 工 的 瀝 青 混 凝 土 路 面 上 鋪 撒 直 徑的五角形橡膠顆粒，用壓路機(jī)將其壓入瀝青混凝土路面。壓入路面內(nèi)的橡膠顆粒有小部分露出路面，增加了路面的摩擦力。同時(shí)，車(chē)輛荷載的作用使橡膠顆粒變形，車(chē)輛通過(guò)后的反彈力使冰破碎，從而防止路面打滑。彈性體壓入型在瀝青混合料中，用聚氨基甲酸乙酯浸透后鋪筑，或在薄面

12、層鋪筑后以刻槽形式壓入聚氨基甲酸乙酯彈性層。通過(guò)其彈性和光滑避免了冰雪的附著，從而提高了抗冰凍的能力。空隙填充型在鋪筑的瀝青混凝土表面按一定間距開(kāi)一直徑、深的小洞，然后壓入同樣尺寸的橡膠小圓柱體，并同時(shí)用纖維隙料填充。在結(jié)冰后只要經(jīng)過(guò)行車(chē)的碾壓，由于橡膠的彈性，冰層就會(huì)自動(dòng)破裂。刻槽填充型物理化學(xué)類(lèi)抗凍結(jié)路面是同時(shí)摻加彈性體與鹽化物后形成的路面結(jié)構(gòu)，在積雪結(jié)冰的情況下發(fā)揮物理化學(xué)綜合作用，有效地進(jìn)行除雪化冰。物理化學(xué)類(lèi)抗凍結(jié)路面摻加橡膠顆粒與鹽化物后形成的路面結(jié)構(gòu)，其橡膠顆粒替換部分細(xì)集料，鹽化物替換部分或全部的礦粉，在積雪結(jié)冰的情況下同時(shí)發(fā)揮物理、化學(xué)作用，達(dá)到更加有效地除雪化冰的目的。彈性體、添加材混入型由橡膠顆粒與防凍劑組成的混合物填充多空隙排水性路面空隙填充型在鋪筑的瀝青混凝土表面按一定間距開(kāi)一直徑、深的小洞，然后由橡膠顆粒與鹽化物組成的材料填充。刻槽填充型在降雪量較小或路面凍結(jié)開(kāi)始階段， 這一路面與普通路面相比具有明顯的凍結(jié)抑制效果， 但當(dāng)短時(shí)間內(nèi)降雪量較大或者溫度變化特別顯著時(shí)， 卻不能夠達(dá)到如熱力