路面的冻融与冻结课件【高级课堂】

1、抑制冻结(融冰雪)路面,张春辉 道路与铁道工程,1,课件教育,一、路面的冻融 二、路面的冻结,2,课件教育,冻结： 指流体（包括液体、气体）因为低温而凝固（成为固体）。 冻融： 在寒冷气候条件下，土壤或岩层中冻结的冰在白天融化，晚上冻结，或者夏季融化，冬季冻结。这种融化、冻结的过程称为冻融作用,3,课件教育,1.冻土工程技术研究历史 。 2.我国冻土分布区域及特点。 3.混凝土路面冻融破坏概况。 4.混凝土路面破坏机理。 5.冻融破坏的控制方法,路面的冻融,4,课件教育,冻土工程技术有着160多年的发展历史 早在1891年,俄罗斯就修建了西伯利亚大铁路 20世纪初, 伴随着阿拉斯加和加拿大西北

2、部采矿、伐木业的发展, 美、加修建了最早的一批公路; 17世纪后期, 人们就已经注意到冰冻作用下的冻胀现象, 但随着人类活动足迹的延伸, 直到20世纪才开始对冻融现象及其对建筑工程的影响开展研究,5,课件教育,6,课件教育,季冻区：年平均气温较低, 冻结期较长, 冻融作用对建筑工程的影响较严重的区域。 特点： 冬季寒冷干燥漫长。 夏季高温多雨且短促。 春秋两季气候多变。 年平均气温较低。 负温时间较长、温差大。 冬季冰冻深度较大。 夏季太阳辐射较强,7,课件教育,8,课件教育,9,课件教育,概况 混凝土的冻融破坏是道路工程老化的重要标志之一，也是我国混凝土工程最常见的病害之一,10,课件教育,

3、混凝土路面破坏机理,盐溶液,加剧,11,课件教育,混凝土是由硬化水泥浆体和骨料组成的含毛细孔的复合材料,混凝土,含水原因,为了获得混凝土所必要的和易性，其拌和水量总要多于水泥水化所需的水量，那部分多余水便以游离水的形式滞留于混凝土中，形成占有一定体积的连通毛细孔。 这些连通毛细孔就是导致混凝土遭受冻害的主要原因,12,课件教育,新拌水泥混凝土易于各工序施工操作（搅拌、运输、浇灌、捣实等）并能获得质量均匀、成型密实的性能。也称混凝土的工作性,和易性,13,课件教育,一、膨胀压力。当混凝土中的毛细孔在某负温下发生物态变化，由水转化成冰时体积膨胀9%，因受毛细孔的约束产生拉应力； 二、渗透压力。由于

4、表面张力作用，混凝土中毛细孔水的冰点随着孔径的减少而降低，因而在粗孔中的水结冰后，由冰与过冷水的饱和蒸汽气压差和过冷水之间盐分浓度差引起水分迁移而形成渗透压。 过冷水迁移渗透结果必然会使毛细孔中冰的体积不断增大，从而形成更大的膨胀压力,主要破坏力,14,课件教育,一是混凝土必须接触水或混凝土中有一定的含水量。 另一个必要条件是混凝土所处的环境必须存在反复交替的正负温度,冻融破坏的两个必要条件,15,课件教育,一、材料对抗冻性的影响。 二、配合比对抗冻性的影响。 三、施工工艺对抗冻性的影响,冻融破坏的控制方法,16,课件教育,外加剂的影响 掺合料的影响 水泥品种的影响,17,课件教育,外加剂的影

5、响,引气剂,减水剂,木钙,减水 引气,18,课件教育,木钙（木质素磺酸钙）是一种多组分高分子聚合物阴离子表面活性剂，外观为棕黄色粉末物质，略有芳香气味，具有很强的分散性、粘结性。目前木质素磺酸钙系列产品已被广泛用做水泥减水剂、耐火材料结合剂等,木钙,19,课件教育,搅拌时产生的大量细腻气泡，附着在水泥颗粒周围，使之表面包围了一层牢固而富有弹性的泡膜(类似肥皂膜)。若引气剂属离子系时，产生的气泡带电，彼此相斥，阻止了它们的聚集，因而增加了稳定性，同时将水排除在气泡之外，达到减水目的。引气剂为混凝土引进了大量微小且独立的气泡，这些球形气泡如滚珠一样，起着润滑作用，使混凝土的工作性大大改善。混凝土含

6、气量增加，内部气泡间距变小是抵抗除冰盐剥蚀的有效措施。因此对于道路工程，采用掺引气剂的混凝土对抗冻融是有利的,引气剂的作用原理,20,课件教育,掺用粉煤灰。 掺用硅粉。 高活性高细度，因此促进水泥的二次水化，增加水化产物，使水化产物均匀分布，改善水泥与骨料结合面的状态,掺合料的影响,21,课件教育,在其他因素相同的情况下，不同水泥品种混凝土的抗冻性排列大致如下： 硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥火山灰质硅酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥,水泥品种的影响,22,课件教育,水灰比的影响 骨灰比的影响,23,课件教育,混凝土的水灰比越大，毛细孔越多，密实度越差，而吸水率越大，在冻融过程中产生的冰胀压力

7、和渗透压力也就越大，因此混凝土的抗冻性越差,水灰比的影响,24,课件教育,骨灰比是混凝土中砂石用量与水泥用量的比例。在水灰比相同的条件下，混凝土的抗冻性随着骨灰比的增大而下降,骨灰比的影响,25,课件教育,拌和工艺的影响 成型工艺的影响 养护的影响,26,课件教育,准确地按设计配合比拌制出均匀的混凝土混合料是保证混凝土各项性能的基础，实践证明，现场机械搅拌混凝土明显优于商品混凝土。 优越性,拌和工艺的影响,27,课件教育,主要表现在以下几方面： 1.含气量优于商品混凝土； 2. 更容易控制配合比、计量偏差、投料顺序、搅拌时间以及各种原材料合格等因素。 3.由于现场搅拌缩短了运距，减少了混凝土的

8、运输时间和转运的次数，使混凝土不宜发生分层、离析现象，同时可以确保混凝土在初凝前浇筑完毕，施工比较灵活,28,课件教育,采用新工艺引起混凝土水灰比或含气量的变化。例如真空吸水成型工艺，将使混凝土拌合物中的一部分水被抽吸排除，从而提高了混凝土的抗冻性,成型工艺的影响,29,课件教育,混凝土如果得不到及时的养护，混凝土表层水分散失、体积收缩产生干缩裂缝（一般称龟裂缝）。龟裂缝会对混凝土外表面遭受冻融破坏提供空隙,养护的影响,30,课件教育,路面的冻结,1.当前现状。 2.抗冻结路面分类。 3.路面的适用范围。 4.冻结抑制路面主要特点,31,课件教育,32,课件教育,常见方法： 将各种化学类冻结抑

9、制材料， 比如氯化钠、 氯化钙等氯盐类融雪剂直接撒布到路面表面,33,课件教育,抗 冻 结 路 面 分 类,添加剂吸着型,物理类,物理化学类,添加材混入型,添加材混入、吸着型,化学类,弹性体混入型,弹性体混入、散布型,弹性体压入型,空隙填充型,刻槽填充型,弹性体、添加材混入型,刻槽填充型,空隙填充型,34,课件教育,1.对冻结抑制材料颗粒表面作憎水化处理， 能够降低冰点下降剂的吸湿性能； 同时， 憎 水颗粒周围分布亲水性颗粒， 能够增加盐分 的析出速度，确保冻结抑制效果的发挥； 2.醋酸类 、 磷酸类等复盐作为新的冰点下降 剂， 使冻结抑制效果大幅增加， -9条件下 仍然能够发挥冻结抑制的功能

10、； 3.冻结抑制路面的冻结抑制效果可以维持67 年， 且夏季盐分析出量比冬季少,35,课件教育,在路面铺装材料中掺加抗冻消融化学材料,通过毛细 作用化学材料缓释溶出,达到路面冰点下降和冻结体 破坏的目的。从而在一定程度上降低路面水的结冰 率。由于融雪化学材料混入的是整个铺装体,即使表 面层被不断消耗,体内的化学材料也会不断出现,能保 持冻结抑制效果的持续性。良好的材料能达到6年以 上的抑制冻滑期,化学法抑制机理,36,课件教育,主要是通过在路面铺装材料内添加一定量的 弹性材料,改变路面与轮胎的接触状态和路面 的变形特性。利用添加的弹性材料变化能力 较强的特性,通过路面在外荷载作用下产生的 自应

11、力,使路面冰雪破碎融化,从而有效抑制路 面积雪的结冰,这种方法主要是通过面层变形 达到防冻结目的,物理法抑制机理,37,课件教育,水泥固化型 表面裹油型 粉末型,添加材混入型,水泥固化型的盐分以水泥固化成粒状、圆球状物体,表面裹油型的盐分以颗粒形式表面裹油后置换混合料中的细集料,粉末型盐化物以粉体形式置换混合料中的石粉,38,课件教育,39,课件教育,采用水泥固化的氯化物与保水性材料填充混合料的空隙，形成半柔性的抗冻结路面。 吸着型 混合料空隙中，填充高聚物盐类（如醋酸钾）等抑制冻结的材料，达到抑制冰雪的目的,添加材混入型、吸着型,40,课件教育,橡胶颗粒沥青混合料 聚氨基甲酸乙酯弹性层,将废

12、旧橡胶轮胎破碎成一定形状和粒径的颗粒，以骨料的形式直接添加于沥青混合料中，代替部分集料,弹性体混入型,采用聚氨基甲酸乙酯将坚硬石料与弹性橡胶颗粒黏结形成弹性层，铺筑于路面上，通过其弹性避免了冰雪的附着，从而提高了破冰的能力,41,课件教育,在空隙率较高的沥青混合料中掺加橡胶颗粒进行铺筑，铺筑完成后在路表撒布橡胶颗粒并马上进行碾压。这种路面可以起到排水、降噪和抗冻结等多种作用,弹性体混入、散布型,42,课件教育,在刚 完 工 的 沥 青 混 凝 土 路 面 上 铺 撒 直 径的五角形橡胶颗粒，用压路机将其压入沥青混凝土路面。压入路面内的橡胶颗粒有小部分露出路面，增加了路面的摩擦力。同时，车辆荷载

13、的作用使橡胶颗粒变形，车辆通过后的反弹力使冰破碎，从而防止路面打滑,弹性体压入型,43,课件教育,在沥青混合料中，用聚氨基甲酸乙酯浸透后铺筑，或在薄面层铺筑后以刻槽形式压入聚氨基甲酸乙酯弹性层。通过其弹性和光滑避免了冰雪的附着，从而提高了抗冰冻的能力,空隙填充型,44,课件教育,在铺筑的沥青混凝土表面按一定间距开一直径、深的小洞，然后压入同样尺寸的橡胶小圆柱体，并同时用纤维隙料填充。在结冰后只要经过行车的碾压，由于橡胶的弹性，冰层就会自动破裂,刻槽填充型,45,课件教育,46,课件教育,物理化学类抗冻结路面是同时掺加弹性体与盐化物后形成的路面结构，在积雪结冰的情况下发挥物理化学综合作用，有效地

14、进行除雪化冰,物理化学类抗冻结路面,47,课件教育,掺加橡胶颗粒与盐化物后形成的路面结构，其橡胶颗粒替换部分细集料，盐化物替换部分或全部的矿粉，在积雪结冰的情况下同时发挥物理、化学作用，达到更加有效地除雪化冰的目的,弹性体、添加材混入型,48,课件教育,由橡胶颗粒与防冻剂组成的混合物填充多空隙排水性路面,空隙填充型,49,课件教育,在铺筑的沥青混凝土表面按一定间距开一直径、深的小洞，然后由橡胶颗粒与盐化物组成的材料填充,刻槽填充型,50,课件教育,51,课件教育,在降雪量较小或路面冻结开始阶段， 这一路面与普通路面相比具有明显的冻结抑制效果， 但当短时间内降雪量较大或者温度变化特别显著时， 却不能够达到如热力学融雪、 机械除雪、 撒布融雪剂等除雪方法带