半刚性基层温度收缩机理分析

【摘要】0 引言 不管是温度收缩裂缝还是温度疲劳裂缝，都与半刚性基层的自身温度收缩系数有着密切相关。把半刚性基层材料作为系统来研究，各种半刚性基层材料的基本组成和结构都是有固相、...

摘要： 半刚性基层材料是由固相（矿物颗粒、颗粒之间的胶结物）、液相（水溶液）和气相（气体）组成的，其温度收缩主要由固相、液相引起的，其中液相的水是通过“扩张作用”、“毛细管张力作用”和“冰冻作用”三个作用过程对半刚性基层材料的热胀缩性产生影响，而且半刚性基层材料温缩性主要受组成材料的矿物成分、含水量、最大干密度、空隙率、龄期、结构强度等的影响。

Abstract： Semi—rigid base material is formed by solid—state （mineral particle， cement between particles）， liquid （aqueous solution）， gas phase （gas）. Temperature shrinkage is mainly caused by solid—state and liquid. Liquid water influences hot swell—shrink characteristics of semi—rigid base material through 3 processes： expansion effect， capillary tension effect， frost effect. And the temperature shrinkage of semi—rigid base material is influenced by the mineral composition of composed material， water content， maximum dry density， porosity， age， structural strength and so on.

关键词： 半刚性基层；温度收缩；机理；胀缩性；固相；液相

Key words： semi—rigid base；temperature shrinkage；mechanism；swell—shrink characteristics；solid—state；liquid

中图分类号：U41 文献标识码：A 文章编号：1006—4311（2012）28—0115—03

0 引言

不管是温度收缩裂缝还是温度疲劳裂缝，都与半刚性基层的自身温度收缩系数有着密切相关。把半刚性基层材料作为系统来研究，各种半刚性基层材料的基本组成和结构都是有固相、液相和气相组成的，只是组成不同。固相部分可以概括地认为是由组成其空间骨架结构的各种原材料矿物颗粒、颗粒之间的胶结物组成的；液相是存在于固相表面与孔隙中的水和水溶液；气相是存在于孔隙中的气体。

1 固相外观胀缩性

固相外观胀缩性是指在干燥状态下的半刚性整体材料的热胀缩性。干燥的半刚性基层材料是由以下四大部分组成：原材料颗粒中的各种结晶体、矿物及集料、经过化学反应过程而在这些颗粒之间所生成的起胶结作用的结晶体[CaCO3、Ca（OH）2·nH2O和各种水化物结晶]、经过化学反应过程而在这些颗粒之间所生成的起胶结作用的凝胶体[C—S—H、C—A—H、C—A—S—H等系列物质]。

就半刚性基层材料的主要矿物组成可分为原材料矿物和新生胶结物两大类。

1.1 石灰石：CaO为正方形晶体，各向同性，其线胀系数？琢t=12.9×10—6/℃；而Ca（OH）2和Mg（OH）2结晶为扩展到二维空间的层状结构，层间为范德华力键，故热胀缩性呈各向异性，具有较大的值：沿层向？琢t=9.8×10—6/℃，垂直于层向？琢t=33.4×10—6/℃。

1.2 粉煤灰：矿物组成主要是SiO2（40～60%）和Al2O3（20～35%）。由于玻璃体结构为空心结构，虽说SiO2和Al2O3都具有较大的热胀缩性，但整体材料的热胀缩性较小，一般？琢t≤8×10—6/℃。

1.3 火山灰及水泥水化反应的生成物中，C—S—H凝胶体是主要成份，它是由微小晶体组成。在微观上无序而宏观上有序的层状体，这种晶体的热胀缩性系数一般在？琢t=10～20×10—6/℃。

综上所述，就组成矿物颗粒而言，原材料一般具有较小的热胀缩性，其中粉煤灰的热胀缩性最小；而新生胶结物则具有较大热胀缩性。

由于组成固相复合材料的矿物具有不同的热胀缩性，但又是胶结为整体材料，所以其热胀缩性是各组成单元体间相互作用的“综合效应”。由于各颗粒单位的收缩必然引起内应力，所以可作如下假设：

①半刚性基层材料作为一整体；

②收缩时无裂纹产生；

③颗粒的收缩与整体收缩相同；

④半刚性基层材料的整体收缩性各向同性；

⑤所有内应力能变为压应力或拉应力。

在上述的假设下，则每个固相单元所受应力为：

？滓i=Fi（？茁r—？茁i）？驻t（1）

式中：Fi——材料单元i体积弹性模量，Fi=Ei/3（1—2μ）；

Ei——材料单元i弹性模量；

μ——材料单元i泊桑比；

βr——材料的平均体积热胀缩系数；

βi——材料单元i的体积热胀缩系数；

t——温度差。

由假设②，对整体而言，所有内应力总和应为零，即：

F1（？茁r—？茁1）V1？驻t+F2（？茁r—？茁1）V2？驻t+…=0（2）

式中：V1、V2、…Vi——是各单元的体积率，即：Vi=Wi/ρi；

Wi——单元的重量；

ρi——单元的密度。

所以有：

？茁γ=■（3）

根据假设⑤，整体材料为各向同性，所以？茁r=3αr，于是式（3）可以化为：