风沙环境下混凝土路面受冲蚀形貌、损伤机理及工况预测

发布时间：2019-07-14 19:38

【摘要】：为探究水泥混凝土路面长期遭受风沙环境下的冲蚀磨损损伤机理,根据中国西北地区风沙环境的特征,利用模拟风沙环境侵蚀试验系统研究水泥砂浆在风沙环境下的冲蚀磨损行为。通过冲蚀率来评价水泥砂浆受风沙冲蚀磨损程度,分析了不同冲蚀速度、不同冲蚀角度下水泥砂浆冲蚀率的变化规律;采用扫描电子显微镜(SEM)和激光共聚焦扫描显微镜(LSCM)观测水泥砂浆受冲蚀损伤的表面微观形貌,研究水泥砂浆受冲蚀损伤机理;运用相似理论分析实际工况冲蚀时间和室内模拟冲蚀时间的对应转化关系。研究结果表明:冲蚀角度恒定时,冲蚀率随着冲蚀速度的增大而增大;下沙率恒定、冲蚀角度在30°~90°时,冲蚀率的增长比较明显,近似成正比例变化,90°时冲蚀率达到最大;冲蚀角度是影响冲蚀行为的重要因素,低角度冲蚀时水泥砂浆表现为塑性变形,主要由水平方向的沙粒切削作用导致变形,高角度冲蚀时水泥砂浆表现为脆性破坏,主要由沙粒垂直方向的冲击作用导致材料表面产生冲蚀坑;试验中下沙率越大,由计算结果推算的实际工况中冲蚀磨损时间越长;研究结果可为风沙环境下水泥混凝土路面受磨损损伤研究提供依据。
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图片说明： ９％，沙粒的粒径分布不均匀且单一。利用ＦＥＩＱｕａｎｔａ４００型扫描电子显图１沙粒形状Ｆｉｇ．１ＳｈａｐｅｏｆＳａｎｄ微镜对风沙粒子的形状进行观察和分析，观测结果如图１所示。沙粒的形状基本呈尖角粒子，只有少数为圆形或椭圆形，这主要是由于沙粒在沙漠中长时间运动过程中相互撞击和磨损造成的。１．３试验方法及设备试验采用气流挟沙喷射法，该试验方法可有效模拟实际风沙环境特征，可以高效率控制冲蚀角度，冲蚀速度以及下沙率。模拟风沙环境侵蚀试验系统的原理示意如图２所示。试验设备由高压气源、沙源系统、冲蚀控制系统和沙回收室四部分组成。试验过程中通过气压控制阀和风速仪来调节风沙流冲蚀速度，通过沙源系统的下沙率控制阀调节沙浓度，通过侵蚀系统的试件夹具调整冲蚀角度。图２模拟风沙环境侵蚀实验系统原理示意Ｆｉｇ．２ＳｉｍｕｌａｔｅｄＣｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆＳａｎｄＥｒｏｓｉｏｎＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍＰｒｉｎｃｉｐｌｅ１．４冲蚀磨损程度评价通过冲蚀率来评价砂浆试件冲蚀磨损程度。试验采用ＯＵＨＡＵＳ—ＥＰ２１４Ｃ电子精密分析天平（精度０．１ｍｇ，量程２００ｇ）测量冲蚀前后试件质量变化，计算冲蚀率。损失质量Δｍ可表示为Δｍ＝ｍ１－ｍ２（１）冲蚀率α可表示为α＝Δｍｍｓｔ×１００％＝ｍ１－ｍ２ｍｓｔ×１００％（２）式中：ｍ１为冲蚀前试件质量；ｍ２为冲蚀后试件质量；ｍｓ为下沙率；ｔ为冲蚀时间。１．５试验数据分析试验方案为水泥砂浆试样在不同下沙率（６０，９０，１１０ｇ·ｍｉｎ－１）、不同
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图片说明： 遭到严重破坏，冲蚀率逐渐增大，同脆性材料的冲蚀规律一致［１６］。图４不同下沙率时水泥砂浆冲蚀率与冲蚀角度的关系曲线Ｆｉｇ．４ＲｅｌａｔｉｏｎＣｕｒｖｅｓｏｆＣｅｍｅｎｔＭｏｒｔａｒＥｒｏｓｉｏｎＲａｔｅｓａｎｄＥｒｏｓｉｏｎＡｎｇｌｅＵｎｄｅｒＤｉｆｆｅｒｅｎｔＳａｎｄＦｌｏｗＲａｔｅｓ２试件表面冲蚀损伤形貌与损伤机理采用扫描电子显微镜对水泥砂浆试件受冲蚀损伤形貌进行观测，分析水泥砂浆受冲蚀磨损特性和冲蚀磨损机理。２．１试件冲蚀磨损的ＳＥＭ微观形貌及其损伤机理图５为冲蚀速度３０ｍ·ｓ－１、冲蚀时间为１０ｍｉｎ，冲蚀角度分别为３０°和９０°条件下，试件表面冲蚀磨损的ＳＥＭ微观形貌。由图５（ａ）观察到：低角度冲蚀造成试件表面产生明显的分层现象，说明水泥砂浆随着冲蚀时间的增加，水泥砂浆被一层层剥落；同时观察到有较多明显的短程切削痕迹和平行于冲蚀磨损面的微裂纹，微裂纹扩展至分层处造成微破坏，微破坏区有材料堆积；在随后的冲击过程中，这部分材料容易流失并产生剥落坑，，导致水泥砂浆材料破坏。表明在低角图５不同冲蚀条件下水泥砂浆的ＳＥＭ微观形貌Ｆｉｇ．５ＳＥＭＭｉｃｒｏ－ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆＣｅｍｅｎｔＭｏｒｔａｒＵｎｄｅｒＤｉｆｆｅｒｅｎｔＥｒｏｓｉｏｎＣｏｎｄｉｔｉｏｎｓ度冲蚀作用下，水泥砂浆破坏的主要原因是微切削作用，而微切削作用取决于风沙流作用于试件表面的水平剪切作用力。随着冲蚀角度的增大，水泥砂浆受沙粒水平方向上的剪切作用力逐渐减小，而垂直方向上的作用力逐渐增大，使得切削作用逐渐减弱。由图５（ｂ）观察到：高角度冲蚀造成试件表面产３０中
【作者单位】： 内蒙古工业大学内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室;内蒙古工业大学土木工程学院;
【基金】：国家自然科学基金项目(51468049,11162011,11662012) 内蒙古自治区人才开发基金项目
【分类号】：U416.216;U418.6


本文编号：2514468