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(中國民航大學機場學院，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，對試驗結果進行分析與模型進行比較驗證；熱沖擊應力、冰晶汽化產生的熱膨脹力、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)改進道面建設與維護技術奠定理論基礎。關鍵詞：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。目前我國城市道路除雪融冰技術仍以人工除雪、化學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)有道面結構和材料之間的不協(xié)調及不適應問題比較嚴重。因此，有必要深入探討其損傷規(guī)律及其理論，為后續(xù)改進道面建設與維護技術奠定理論基礎收稿日期：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構，其力學性能相比于正常的微結構，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果，從而混凝土的損傷至斷裂破壞，可概括為因為混凝土內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，混凝土結構將出現(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、產生宏觀裂縫、宏觀裂縫擴展交織發(fā)展過程構成混凝土破壞全過程。為此有學者建議，材料的破壞參量就應選擇損傷量，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，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和質量損失一沖擊次數(shù)曲線圖5，試驗模擬過程中，從曲線可以看出沖擊次數(shù)達l5次以前，試塊強

11、度、質量損失變化緩慢，對應模型彈性階段；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％，已嚴重影響道面結構的正常使用。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、面結構的損傷積累過程。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，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、損傷包含了結構開裂(物理作用)和水化物分解(化學作用)。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問題與材料科學問題聯(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致的微裂紋均可用損傷的概念予以描述。結冰道面除了表面覆蓋冰層之外，表層混凝土內部空隙中通常充滿著冰晶；而當其遭受高溫氣流沖擊時，表層內外的冰晶也幾乎同時融化或汽化，從而使道面混凝土產生相應的物理力學反應。31道面遭受瞬態(tài)熱沖擊時

14、沖擊應力效應分析針對遭受高溫瞬時沖擊時的表層結構物理力學反應，76其中最主要物理反應就是局部熱傳導問題，引起的沖擊應力場。而關于國內外研究熱導問題主要是基于傅里葉定律的傳統(tǒng)導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熱統(tǒng)稱為非傅里葉導熱。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，這種強烈變化將產生數(shù)值很高、破壞力很強的動

15、態(tài)熱應力，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熱，把熱量傳播速度為有限值的雙曲線型導熱微分方程式，結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，求的熱沖擊應力。下面從熱沖擊應力數(shù)學描述出發(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，對于無內熱常物性情況，其內部溫度場的確定歸結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。之間滿足如下關系：cr0／a=1。沖擊應力問題，原則上已屬動力學范籌，加速度將具有本質的影響，因此對于微小位移情況，控制應力、

17、應變方程為：=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、沖擊應力場數(shù)學問題的求解，可知按瞬態(tài)沖擊處理的熱導問題存在的溫度波效應只有在極短時間，表面極薄一層內表現(xiàn)很明顯，溫度、應力在物體內部沿深度方向存在一階躍式攀升，其結果是溫度波沿深度方向的熱擾動到達處的溫度、應力值遠遠高于按通常穩(wěn)態(tài)處理的結果。一旦達到材料的強度極限，產生表層微裂縫，并逐漸擴展至宏觀裂縫。邊界=0處一