冰-混凝土相互作用及其对结构影响研究

孙雪伟，唐 雷，高培伟，张万磊，张 俊，陈李峰

（1.南京航空航天大学民航学院，江苏 南京 211106；2.中路交科科技股份有限公司，江苏 南京 211808；3.中交第三公路工程局有限公司，北京 101300）

引 言

冰与混凝土的相互作用是寒冷地区海洋结构经常需处理的一个重要因素，移动的海冰或河冰可能会导致混凝土磨损，因为冰与水坝、码头或近海结构的吃水线区域持续或间歇的相互作用，这种持续的或季节性的冰磨损会导致材料的逐渐损耗和混凝土性能退化，并可能导致结构的严重破坏。冰引起的磨损程度依赖于冰的特性、混凝土特性以相互作用的性质，已有研究表明接触压力和表面粗糙度等是影响磨损的重要参数。

磨损的其中一个物理机制是冰与混凝土的粘结，粘结破裂时会导致材料损失。如，冰被压在一个结构上一段时间，然后由于环境条件（如风或潮汐）的变化而被迫移动，这种磨损模式尚未得到广泛的研究，大多数前期工作只考虑了滑移磨损，即冰和混凝土相互作用是连续的相对运动模式。本文分析研究了冰摩擦、磨损和粘附方面的特点，特别是与混凝土的相互作用，以期为后续研究提供方向。

1 冰-混凝土相互作用

冰-混凝土中存在两种不同的作用：冰对混凝土的磨损作用和冰对结构的荷载作用。冰层附着在混凝土结构上，当冰沿着混凝土滑移并产生摩擦后，能够观察到混凝土有明显的磨损。研究表明，这种磨损是冰沿着混凝土滑动距离的函数，当混凝土和冰层粘结破坏时，会有混凝土颗粒从冰中掉落［1］。

冰与结构的附着会引起结构的附加荷载，在近海建筑中，当水位变化时，冰与混凝土结构的粘附可能会对结构产生水平和垂直力，如图1所示。

图1 冰的粘结力产生附加荷载示意图

由于冰和混凝土的非均质特性，冰和混凝土之间的相互作用非常复杂。表面的微观和宏观结构、温度、污染物、冰类型和混凝土类型等因素都会对其相互作用产生影响。为了更深入地了解冰和混凝土之间的相互作用，开展了理论分析和试验研究。首先对冰-混凝土相互作用中的不同接触区进行了界定，然后讨论了冰载荷对混凝土的磨损，分析了冰和混凝土间的摩擦，并进一步地分析冰-混凝土粘结与磨损的关系。

2 冰-混凝土接触区域

当冰层与混凝土结构产生相互作用时，作用范围内存在三个不同的接触区域［2］，如图2所示。区域1为主要接触区，该区域正应力最大；区域2为粘滑区，由于该区域混凝土表面产生了冰屑，导致正应力减小，切应力增大，冰出现不稳定的滑动速度。区域3是稳定滑动区，该区域累积的碎屑量最大，作用力最小。区域1内，正应力超过了混凝土的抗力，从而导致破坏。区域2的磨损减少，而冰的速度，接触角度和混凝土的类型等将决定粘滑性能。区域3应力较低，磨损较少。

图2 冰-混凝土表面不同磨损效果的区域

3 冰对混凝土表面产生的磨损

冰-混凝土磨损是混凝土与浮冰相互作用，可引起混凝土表面性能退化，调查表明：在滑动冰的作用下，混凝土会受到严重的破坏。在不同的压力下，在相同的位置测量不同的磨损率，发现磨损主要是由于混凝土的抗冻性低和冰的磨损［3］。

通过对混凝土与冰磨损机理分析研究，可总结为六种不同机制［4-8］：（1）循环荷载：冰在与混凝土结构发生碰撞时产生冲击力，移动的冰既可产生拉伸力，也可产生压缩力，取决于冰的特性（晶体的大小、加载速率、温度、冰的类型和骨料的大小）。（2）冻融循环：由于混凝土中的水反复冻融，压力增加，导致微裂缝，最终导致混凝土破坏。研究表明，低渗透掺引气剂混凝土的抗冻融损伤性能有所提高，影响的因素主要有气孔体积和空隙、水灰比和混凝土的饱和度。（3）海水的化学侵蚀：由于海水中氯化物的相互作用，混凝土的力学性能可能会发生退化。（4）混凝土的碳化：由于二氧化碳与混凝土中石灰的相互作用，会改变混凝土的孔隙结构。（5）混凝土收缩：造成混凝土开裂，使水分和盐分渗透。（6）温度梯度和温度变化：潮湿的混凝土表面在波浪作用下反复冻结，使混凝土暴露在高温梯度下。当温度变化超过dT=40°时，水泥-骨料粘结性能也会弱化，水泥开裂增加。

冰-混凝土表面的试验研究表明，摩擦导致的磨损小尺度效应，磨损会导致混凝土颗粒进入界面，从而影响混凝土与冰之间的摩擦［9］，试验装置如图3所示。在水泥浆体被侵蚀后，测量了恒定的磨损率，该磨损率与滑动速度和压力有关，但与平均粗糙度无关。

图3 摩擦测量装置［9］

使用两种高性能混凝土和一种轻质混凝土不同的混凝土配合比，对混凝土-冰磨损进行了试验研究［2，10］，在寒冷的房间中，磨损机器以0.16 m/s的速度滑动，滑动3 km后抗压强度最低的混凝土试样磨损0.35 mm。

研究表明，对于特定组成的混凝土，混凝土磨损有一般磨损和突变磨损两种机制，这两种机制是循环发生的。

（1）一般磨损：一般磨损是冰和少量磨损颗粒沿混凝土板表面流动，引起水泥浆体和小骨料部分的逐渐侵蚀。一般的磨损有初始和永久阶段。初始阶段的特征是较高的平均和最大磨损量，在这个阶段，水泥浆体的上层被磨蚀，磨蚀速度更快，取决于粗糙度；永久阶段磨损率较低，不依赖于粗糙度，在后期阶段，骨料和砂粒暴露，强度高于水泥。当这种情况发生时，实际接触面积减少，应力增加，颗粒上拉应力高于材料抗拉强度，导致材料磨损。

（2）突变磨损：发生在一般磨损削弱了水泥-骨料粘结后，突然发生骨料颗粒喷射。如图4所示：图4（a）中为一般磨损，磨损混凝土的外层，直到骨料颗粒暴露出来；图4（b）中一般磨损速率减慢，直到突变磨损导致骨料颗粒喷射出来；图4（c）为一般磨损的循环起点。

图4 磨损示意图

混凝土碎片颗粒可作为尖锐的磨料颗粒，在冰的拖拽下，增强了混凝土的磨损［2］，冰在混凝土上滑动时产生的拉应力足以产生微裂缝，水被迫进入微裂缝会产生压力，导致裂缝扩展，如图5所示，混凝土磨损不需要冻融循环。

图5 水渗透导致混凝土微裂缝示意图

4 冰-混凝土的摩擦

前期研究多集中在冰以不同的速度在某种材料上滑动时的动摩擦，不同的研究结果有很大的分歧，当冰被摩擦加热时，水会起到润滑剂的作用，降低了摩擦系数［11］；当滑动速度相对“低”，摩擦系数更高，与垂直载荷大小无关。

通过研究冰的摩擦可确定多晶冰的蠕变行为，圆锥形冰的尖端在测试表面上滑动，此时出现了较强的界面黏附［12］。试验观察到摩擦与法向压力和接触面积间接近成比例，摩擦加热导致表面的冰融化，摩擦减少，滑动时的温差可由以下方法估计：

式中μ为摩擦系数，N为法向力，g为重力加速度，r为圆形接触面积的半径；v为表面相对速度；ki为表面之间的速度，k为相互作用材料的导热系数。

研究还表明，在非常低的滑动速度下，靠近临界面的薄冰区会再次结冰，底面更易产生滑动。通过户外船体穿过天然冰试验和室内金属板穿过冰块试验发现，在0.25～1.75 m/s的速度范围内，摩擦力与速度无关；随荷载增加，摩擦系数逐渐减小；表面粗糙度对摩擦几乎没影响，而粗糙类型对摩擦影响显著［13］。淡水冰和海冰上钢板摩擦试验，也有类似的试验结果，当压力在10 kPa以下减小时，动摩擦系数增大，超过10 kPa后，摩擦系数与压力无关［14］。Oksanen［15］认为，冰与材料间的摩擦所引起的热量耗散是通过向固体的传导和界面处融水的吸热来实现的，摩擦系数取决于环境温度，增加正压力引起摩擦系数减小。

此外，冰和混凝土间的摩擦已在实验室中使用不同的方法进行测试，大多数测试装置都有自己的测试设备，测试的重点是不同压力和滑动速度下的动摩擦系数。Bruno［16］采用小型混凝土板和实验室生产的柱状冰进行循环摩擦试验，试验结果用摩擦系数表示。摩擦装置的示意图如图6所示。它是一种改进的直接剪切箱机，能进行界面剪切。采用一个带有混凝土板的车厢，可以水平移动，淡水冰制成圆柱状固定在仪器中。

图6 摩擦装置示意图

结果表明，正应力对最终摩擦系数的影响呈现出正相关关系，且在较高的滑动速度下具有更强的相关性，结果如图7所示。

图7 摩擦系数结果

由以上分析可见冰-混凝土产生摩擦主要有两种机制：（1）冰的黏塑性；（2）冰-混凝土的黏附性。冰的黏塑性可解释滑动速度和摩擦表面平均粗糙度的影响。冰块表面和混凝土板之间的实际接触次数是由平均粗糙度决定的。在给定的滑动速度和压力下，实际接触的次数会随平均粗糙度的减小而减小，平均粗糙度的增大会导致实际应力的增大，导致更多的冰渗透在混凝土的凹凸体中，增加凹凸体附近的冰应变速率；由于冰的黏塑性，在较高的平均粗糙度下，切向应力和摩擦力更高，如图8所示。

图8 摩擦系数结果

在低正应力下，冰-混凝土的黏附力是摩擦力的主要组成部分，此时破坏粘接所需的剪应力控制着摩擦力，随着时间的推移，由于冰的黏塑性，实际接触面积增加，摩擦系数增加。

5 总 结

冰-混凝土界面上的磨损存在冻融循环、荷载两种主要的作用机制，界面磨损程度是由两个界面间的摩擦和粘附控制的。研究表明：冰对混凝土粘附与混凝土磨损密切相关。粘接剂粘结可直接产生强大的拉应力，导致混凝土表面和骨料颗粒磨损。磨损率取决于温度、接触压力、相对速度和冰盖沿混凝土表面的总滑动距离。滑动造成的磨损部分取决于摩擦系数，而在冰沿混凝土的滑动中，摩擦取决于附着力。压力、持续时间和浸没等参数与冰-混凝土黏附强度的关系及其最终产生的磨损程度还有待更详细深入的研究。