寒區(qū)路用水泥混凝土磨耗機(jī)理及試驗(yàn)

摘要:在對(duì)路面水泥混凝土磨耗機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，模擬路面結(jié)構(gòu)實(shí)際磨耗狀態(tài)，設(shè)計(jì)了路面混凝土磨耗試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，確定了敏感性因素。經(jīng)驗(yàn)證，在該方法下獲得的試塊，磨耗現(xiàn)象明顯，可用于評(píng)價(jià)路面水泥混凝土磨耗性能。

關(guān)鍵詞:混凝土；磨耗；機(jī)理；試驗(yàn)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(zhǎng)為最大優(yōu)勢(shì)得以沿用至今并繼續(xù)發(fā)展。因此，對(duì)路用混凝土的使用環(huán)境作正確的設(shè)計(jì)，使混凝土路面在嚴(yán)重的侵蝕環(huán)境中工作而避免過(guò)多的破壞就顯得尤為重要。混凝土耐久性因素見(jiàn)表1^{[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(wú)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(wú)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(gè)耐久性問(wèn)題而得到進(jìn)一步的研究就顯得尤為重要。對(duì)混凝土耐磨因素的研究尚少，很多內(nèi)容需要進(jìn)一步探討。

 

1          水泥混凝土路面磨耗機(jī)理

 

    工程中常見(jiàn)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(duì)工程造成的損失最大^{[2 ]} 。磨粒磨損可進(jìn)一步分為二體磨損和三體磨損。

 

    當(dāng)輪胎在路面上滾動(dòng)時(shí)，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F_f 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?yàn)橄鹉z輪胎的硬度遠(yuǎn)小于混凝土，粘著性磨損對(duì)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(huì)給混凝土表層造成較大磨耗。另外，通過(guò)對(duì)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F_f 就發(fā)生在表層，因此由于F_f 的往復(fù)作用，在混凝土同一單位表面拉壓應(yīng)力交替進(jìn)行，擴(kuò)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(jìn)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(dòng)，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(dòng)，此時(shí)磨料對(duì)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(shí)的磨損形式對(duì)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。

 

   

 

   

 

   

 

    如圖4 ，該試驗(yàn)所采用的鋼輪式耐磨試驗(yàn)機(jī)。摩擦鋼輪直徑200mm、寬度70mm；機(jī)器開(kāi)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(guò)0116mm 方孔篩除塵，磨料下落密度通過(guò)節(jié)流閥控制^{[6 ]} 。試塊尺寸采用10cm ×10cm ×40cm長(zhǎng)方體試件，配比如表2。