冻融胁迫下浆体材料弱化因子灰色关联探析

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1 前 言

水泥混凝土路面板底基层在车辆的不断作用下将发生累积塑性变形，使得路面板底与基层间发生脱空现象。同时，雨水沿横缝渗入板底，加之面板的抽吸作用，其与基层之间的空隙面积和深度会逐渐变大，从而加剧板底脱空的损伤破坏。压浆处治技术是在不损坏路面板的条件下，采用非破坏性方法来弥补结构层的弱化减缓路面病害、降低维修费用、保证路面正常使用性能的常用修补技术[1]。

我国北方大部分地域均处于寒冷地带，冻融循环已经成为该地区在冬季时节道路发生破坏的主要因素，一直是道路工程界研究的重点[2-4]。近年来国外在冻融破坏方面的研究成果较少[5-7]，而国内关于冻融破坏的研究成果较多， 张云清等[8]研究了盐冻作用下混凝土受弯构件承载能力的衰减规律，但未曾涉及盐渍浓度、冻融温度以及冻融次数对混凝土承载能力衰减的影响；汪劲丰等[9]对比分析了不同加载速率下有机类水泥砂浆的力学性能变化规律，但未涉及无机类水泥砂浆且未曾考虑外部环境对水泥砂浆力学性能的影响。现有冻融损伤研究主要集中于沥青混合料及混凝土等方面，而对板底脱空压浆处治材料冻融破坏研究涉猎不多，亟需进行此方面的研究。

本课题选取两种典型灌浆材料，以灰色关联为基本方法、实验数据统计分析为基础，综合考虑盐渍浓度、冻融温度、冻融循环次数、橡胶粉目数四种因素，通过研究冻融作用下不同影响因子对灌浆材料力学指标的破坏程度，为提高灌浆材料抗冻融性能确立理论指导依据，同时也可作为实体工程中的指导技术。

2 材料配合比确定

2.1 板底灌浆材料的选择

水泥宜采用42.5R水泥，有助于灌浆材料强度的早期形成；乳化沥青选用具有一定柔性的慢裂型阳离子乳化沥青，可减缓混凝土板发生疲劳断裂，其基本性能见表1；选用一级粉煤灰不仅能提高浆体流动性和硬化后强度，而且可降低泌水率及减少干缩变形。由于砂可以降低水泥用量，因此选用细度模数为1.21的特细砂；橡胶粉可增强砂浆的抗压性能以及抗疲劳性能等[10]，故掺入适量的橡胶粉。

表1 乳化沥青的主要技术指标 Table 1 Technical indicators of emulsified asphalt

在添加剂方面，采用甲酸钙早强剂、聚羧酸高性能减水剂及UEA型膨胀剂以提升浆体材料的早期性能。

2.2 灌浆材料配合比

灌浆材料浆体配合比的确定是浆液配制的关键，要保证浆液在注浆时有较好的流动性，硬化后具有足够的强度、稳定性和抗压抗弯拉能力，并且使用过程中干缩性和耐久性良好。为了保证浆体的各性能要求，参考有关文献[11-14]并结合试验实际情况，确定配合比如表2所示(以水泥用量的比例为100%作为参考，其他各材料用量的百分比均为相对于水泥的用量计算)。

表2 材料浆体配合比Table 2 Material mixture ratio

3 试验过程

3.1 试件制备与养护

参考《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)进行本次试验，试件采用70.7×70.7×70.7mm的立方体试块，材料成型过程如图1，经本文试验验证采用该尺寸试件所得的试验结果具有较高可靠度。

图1 有机试件成型照片Fig.1 Making process of organic grouting material

将养护至指定龄期的试件随机分成两组，每组试件数目不少于4个，试验组置于指定环境下养护至标准龄期28d，对比组置于标准养护室内继续养护，养护室温度控制在20±5℃，相对湿度在95%以上。

3.2 试验因素筛选

3.2.1橡胶目数及浓度因子 在浆体材料中掺入适量橡胶颗粒，有利于增强砂浆的抵抗变形能力、抗开裂性以及提高韧性等力学性能。在掺入橡胶颗粒时，橡胶目数的大小是尤为重要的因素，如目数过低则施工工艺过于复杂，会产生过多经济费用，目数过高，灌浆效果不好。基于以上因素本文采用15目、20目以及25目的橡胶粉作为本课题的第一个影响因子。

在我国北方部分地区，盐渍现象成为此类地域的特殊环境条件，特别是在冬季，在盐渍与冻融腐蚀耦合作用下，路面结构会发生严重破坏，甚至产生裂缝以及疲劳开裂。为了考虑北方盐渍地区冻融破坏的特殊条件，文章将氯化钠溶液浓度控制为0.0%、2.5%、5.0%,并以此作为本课题探究的第二个弱化因子。

3.2.2温度与冻融次数因子 由于我国地域面积辽阔，即使坐落于相同纬度的不同地区其温度差异性也较大，而温度的变化对材料破坏起着主要影响作用。为了更系统全面地研究冻融破坏下的浆体材料的损伤规律，选取温度为-25、-15及-5℃三种温度作为本文浆体材料研究的第三个劣伤因子。

在低温环境下，浆体材料的破坏主要来源于冻-融-冻-融此类反复循环作用，使得材料内部结构发生细微变化，在循环次数的不断增长下，内部细微结构表现愈加明显，从而使得材料发生结构破坏。为了模拟冬季气温变化的随机性，本文将冻融5、10及15次作为第四个损伤因子。

3.3 试验过程

(1)取试验组中的立方体试块，并根据试验要求将试件置于指定环境下进行冻融循环实验，每次冻融前检查试件外观尺寸，在进行冷冻之前，应将浸泡后的试件表面擦干放入冷冻室内。

(2)将冻融后的试件放在试验机压板的中心位置，将试件成型时的顶面与压板中心对准，调节上压板直至接触试件。进行试验时，控制加载速率为每秒0.5～0.8MPa，当试件发生破坏且加载速率显示为负值时，立即打开回油阀门，记录此时的破坏荷载。

(3)三种试验均取一组三个试件的平均值作为其试验结果的最终值，三个测试值中的最大或最小值，如有一个超过中间值的15%，则去除最大和最小值，取中间值作为该组试件的最终值。

4 试验研究与分析

4.1 灰色关联原理

(3)关联系数计算：按ξi(K)=(Δmin+ρΔmax)/(Δi(K)+ρΔmax)，计算两序列指标的关联系数，其中ρ为分辨系数，一般取ρ=0.5[15-16]；

根据关联度的大小，对比较序列指标进行排序，Xi与X0的关联度γi越大，则两者变化趋势越紧密，从而可以推断Xi对X0的影响程度越大。

4.2 灰色关联模型建立

4.3 灰色关联试验

根据前文所述，以浆体材料冻融循环试验为基础，选取若干组试验结果进行分析研究，形成如表3～8所示的灰色关联分析系列表。

表3 有机类材料抗压强度试验结果Table 3 Test results of compressive strength of organic materials

表4 无机类材料抗压强度试验结果Table 4 Test results of compressive strength of inorganic materials

表5 有机类材料参考序列及比较序列原始数据表Table 5 Raw date table of reference sequence and comparison sequence of organic grouting

表6 有机类材料灰色关联度Table 6 Grey entropy correlation of organic grouting

表7 无机类材料参考序列及比较序列原始数据表Table 7 Raw data table of reference sequence and comparison sequence of inorganic grouting

表8 无机类材料灰色关联度Table 8 Grey entropy correlation of inorganic grouting

根据灰色关联度所示，以参考序列指标为横坐标，灰色关联度为纵坐标做出曲线图如图2所示。

图2 各影响因素的灰色关联度Fig.2 Grey correlation degree of each influencing factor

根据以上试验结果以及灰色关联分析结论可以看出：在相同的外部环境下，橡胶粉的目数越大，其在冻融腐蚀环境下的力学性能越好；影响两种浆体材料抗冻融腐蚀性能的程度大小排序依次均为冻融循环次数X4>冻融温度X3>NaCl浓度X2>橡胶粉目数X1，即外部因素对浆体材料抗冻性能影响最大；两种浆体材料相比较而言，NaCl浓度对有机类材料影响最大，橡胶粉目数、冻融温度、冻融循环次数对无机类材料影响最明显。

5 结 论

1.对浆体材料抗冻性的影响作用从大到小排序依次为：冻融循环次数>冻融温度>Nacl浓度>橡胶粉目数。

2.橡胶粉目数越大，抗冻融腐蚀性能越好。在实际工程中，可酌情掺入目数较大的橡胶粉以增加材料抗冻性能。

3.NaCl浓度对有机类材料影响最大。橡胶粉目数、冻融温度、冻融循环次数对无机类材料影响最明显。

4.在富含盐渍的冻融环境条件下，应首选无机类灌浆材料作为板底脱空的修补材料；反之，应选取有机类材料。

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