寒區(qū)路用水泥混凝土磨耗機理及試驗
2006-05-07 00:00
摘要:在對路面水泥混凝土磨耗機理分析的基礎(chǔ)上，模擬路面結(jié)構(gòu)實際磨耗狀態(tài)，設(shè)計了路面混凝土磨耗試驗。通過對數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，確定了敏感性因素。經(jīng)驗證，在該方法下獲得的試塊，磨耗現(xiàn)象明顯，可用于評價路面水泥混凝土磨耗性能。
關(guān)鍵詞:混凝土；磨耗；機理；試驗方法
0 引言
混凝土是一種耐久性材料，水泥混凝土路面更是以其耐久性好、使用壽命長為最大優(yōu)勢得以沿用至今并繼續(xù)發(fā)展。因此，對路用混凝土的使用環(huán)境作正確的設(shè)計，使混凝土路面在嚴(yán)重的侵蝕環(huán)境中工作而避免過多的破壞就顯得尤為重要?；炷聊途眯砸蛩匾姳?[1 ] 。
凍融破壞是寒區(qū)路面結(jié)構(gòu)破壞的主要形式，而表層的磨耗無疑加劇了路面結(jié)構(gòu)凍融破壞的程度。寒冷地區(qū)凍融循環(huán)是成為路面剝蝕破壞的主要原因，但混凝土表面的磨耗卻無處不在地導(dǎo)致上述破壞的加速和惡化。因此，就水泥混凝土路面而言，尤其在凍融環(huán)境下工作的混凝土，耐磨性作為一個耐久性問題而得到進一步的研究就顯得尤為重要。對混凝土耐磨因素的研究尚少，很多內(nèi)容需要進一步探討。
1 水泥混凝土路面磨耗機理
工程中常見的磨損有磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損等。其中尤以磨粒磨損對工程造成的損失最大[2 ] 。磨粒磨損可進一步分為二體磨損和三體磨損。
當(dāng)輪胎在路面上滾動時，以路面為被磨損材料，則在此磨損系統(tǒng)中路面為第一體，汽車輪胎作為第二體。車輪與路面間的切向作用力Fq (分解為縱向力和側(cè)向力) 等于法向力Ff 與車輪與路面間附著系數(shù)μ的乘積，力Fq 的存在，使兩體表面發(fā)生刮擦，產(chǎn)生粘著性磨損。因為橡膠輪胎的硬度遠小于混凝土，粘著性磨損對混凝土造成的傷害在短期內(nèi)應(yīng)微乎其微，然而因混凝土砂漿層表面“拉毛”及內(nèi)部存在氣泡、微裂紋等原生缺陷，在這些拉毛邊緣及缺陷處形成應(yīng)力集中，就會給混凝土表層造成較大磨耗。另外，通過對路面表層應(yīng)力狀態(tài)分析可知，混凝土路面所承受的最大法向應(yīng)力Ff 就發(fā)生在表層，因此由于Ff 的往復(fù)作用，在混凝土同一單位表面拉壓應(yīng)力交替進行，擴大了混凝土內(nèi)部裂紋的發(fā)展，最終引起表層的斷裂，此種磨耗形式可歸結(jié)為混凝土的疲勞磨損。疲勞磨損產(chǎn)生的脫落物及砂石等異物進入到兩體之間，變成為二者的磨料，由于輪胎花紋與地面間的嵌擠使磨料被瞬間卡在兩體之間，而不能自由滾動，另一方面磨料為使自己以最低的能量狀態(tài)存在又要在兩磨面之間發(fā)生滾動，此時磨料對路面結(jié)構(gòu)形成切削磨損。綜上，如圖1 (a)和(b) ，三體磨損是微切削和塑變的雙重作用[3 ] 。此時的磨損形式對路面造成的磨損要大于兩體磨損的情況。路面磨損，大多可歸結(jié)為有磨料存在的三體磨損的范疇。
一般認(rèn)為提高混凝土表面硬度或可理解為降低混凝土的水灰比，提高其抗壓強度，與其抗磨耗性能成線性關(guān)系[4 ] ，即硬度越高，抗磨耗性能越好，因此往往通過降低水灰比、提高混凝土的強度來增加混凝土的抗磨性。如圖2 為尺寸 30×10cm的不同水灰比C40 混凝土試塊，采用水下沖磨方式取得的磨耗損失量曲線圖。從圖中可看出隨WPC 的增大，混凝土的磨損量隨之增加。因此，降低水灰比是一種提高混凝土耐磨性能的途徑。從三體磨損的理論來分析，如圖3 為根據(jù)方亮等人研究成果繪制的剛性材料在切削與塑變雙重作用下的硬度與磨損量的關(guān)系圖。從圖中可知，隨材料硬度的增加因切削引起的磨損量在減小，而由塑變引起的磨損量則在增加。因此，在試驗室對路面混凝土抗磨性能進行考察，不應(yīng)局限于對切削磨損的模擬，塑變磨損同樣影響磨損量曲線的形狀。
2 試驗方案設(shè)計
2.1 試驗方法的選擇
因在試驗室不容易模擬現(xiàn)場磨損條件，目前評價路面混凝土耐磨性的試驗并無明確標(biāo)準(zhǔn)可循。根據(jù)受到的磨損形式，ASTM C418、ASTM C779、ASTM C944 三個標(biāo)準(zhǔn)分別闡明了三個耐磨性試驗，包括了平磨、噴砂、碾磨、啄磨四個耐磨性試驗方法[5 ] 。然而，針對路面混凝土的磨損形式，上述試驗方法都不能在近似模擬其實際工作情況下進行磨耗測試。
針對上述對混凝土路面磨耗機理的分析，我們借用了無機地面材料耐磨性試驗方法(GBPT 12988 - 91) ，并加以改進，設(shè)計了路面混凝土抗磨性試驗，使其能最大程度的模擬路面混凝土的切削與塑變磨損同時發(fā)生的實際磨耗情況，以求對混凝土抗磨耗性能進行更準(zhǔn)確的評價。
2.2 試驗裝置及取值方法
如圖4 ，該試驗所采用的鋼輪式耐磨試驗機。摩擦鋼輪直徑200mm、寬度70mm；機器開啟后鋼輪轉(zhuǎn)速75r/min ；配重砣質(zhì)量14kg ；磨料采用標(biāo)準(zhǔn)砂并經(jīng)過0116mm 方孔篩除塵，磨料下落密度通過節(jié)流閥控制[6 ] 。試塊尺寸采用10cm ×10cm ×40cm長方體試件，配比如表2。
試驗數(shù)據(jù)以磨坑體積v 作為磨耗量Δm 代表值。
如上式，為讀取數(shù)據(jù)的方便，又可以磨坑寬度L 作為混凝土磨坑量體積v 的代表值。
3 試驗方案的進一步驗證
為驗證該試驗方法的可行性，用此方法進行了寒區(qū)路面混凝土凍后磨耗性能試驗，所得數(shù)據(jù)離散性較小。以該試驗方法所做的混凝土磨耗試驗效果明顯。若將該方法應(yīng)用于路面混凝土抗磨性試驗中，可通過改變配重砣質(zhì)量，模擬不同等級水泥混凝土路面的磨耗，評價路面水泥混凝土的抗磨性能。
4 結(jié)語
(1) 混凝土路面的磨耗形式除考慮其與輪胎間二體磨損引起的粘著及疲勞磨損外，砂、石、一次磨耗殘留物等雜質(zhì)以第三體的形式進入到磨耗系統(tǒng)中，構(gòu)成路面、輪胎、磨料為主體的三體磨損系統(tǒng)，極大地加劇了混凝土路面的磨損程度。在試驗室對路面混凝土抗磨性能進行考察，不應(yīng)局限于對切削磨損的模擬，還應(yīng)考慮到塑變磨損的作用。
(2) 將“無機地面材料耐磨性試驗方法”引入到路面混凝土耐磨性試驗中，能較大程度地模擬路面實際磨損狀態(tài)。對與試驗結(jié)果相關(guān)性極大的敏感性因素加以控制，可供試驗研究人員作為評測路面混凝土耐磨性的方法加以借用。
(3) 因混凝土材料的各向異性及磨料磨損現(xiàn)象的復(fù)雜性，混凝土磨耗試驗方法還有待于進一步的研究和改進。
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