水泥稳定路面材料水分损失模型外文翻译资料

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水泥稳定路面材料水分损失模型

Jayantha Kodikara 和 Srijib Chakrabarti

摘要：本文提出了一种理论和试验方法来模拟含不同细粒土含量的水泥稳定路面材料干燥过程中的水分损失。水分散失过程是用各向同性非线性扩散理论来描述的。实验室试验采用通用波特兰水泥和两种含有工业废料的粘合剂。需要测量的材料特性包括水分扩散系数和湿度等温线。当地可用的玄武岩碎石和粘土分别作为路面材料和细粒土。通过独立的实验室试验，验证了所采用的理论方法，实验结果与预测结果吻合较好。室内试验结果表明，随着混合料中粘土的掺入，水分损失减小。随着干燥过程的进行，水分散失速率变慢，这可以解释为水分散失系数随水分含量的降低而降低。

关键词：水分；水分损失；脱水；路面；细粒土；模型。

背景

在澳大利亚和世界范围内，使用水泥基粘合剂进行原位稳定已成为修复退化路面的常见行为。原位稳定包括旧路面的破碎、将路面材料与一些胶凝添加剂和水混合，以及随后的压实以获得再生基层。一般认为，良好的路面材料不应含有过量的细粉，如粘土，其在水分变化下具有高收缩/膨胀特性。然而，我们可能正在处理一个旧的路面，那里的原始材料是来自当地的，含有大量的细料。在原位稳定过程中，部分路基土也可能发生混合。本文研究了高收缩/膨胀特性土的存在对水泥基路面稳定的影响。尽管这一问题推动了这项研究，但论文的内容也与通常含有大量细粒土的边缘路面材料的稳定性有关。当稳定路面在施工期间和施工之后因邻近材料或大气（即路面干燥）而失去水分时，可能发生收缩裂缝，已被确定为需要进行详细研究的问题（Chakrabarti等人，2002年；科伦坡1997年），裂纹被认为是在拉伸时产生的。由于限制收缩而产生的应力超过了稳定材料的拉伸强度。收缩裂缝会降低路面系统的整体刚度，允许水渗入路面基层和路基，并为水泥材料的侵蚀提供通道，从而降低路面性能（Bullen 1994）。因此，如果可以在路面设计阶段预测收缩开裂的可能性，这是有益的。因此，干燥过程中水分损失的建模是一个先决条件。

干燥过程中水分损失的理论模拟

理论概念

干燥过程中多孔材料中水分运动的建模在岩土工程、土壤科学和混凝土技术方面得到了大量的研究（Kodikara和Chakrabarti，2001）。. 在岩土工程和土壤科学中，土壤水分运动被认为是两个可分离的组成部分，即体积水通量和蒸汽通量（例如Wilson et al，1994）。根据达西定律，体积水通量受水力势（即孔隙水吸力和高程势）梯度和导水率的控制，导水率是吸力势的非线性函数。在非饱和孔隙空间中，蒸汽流量受蒸汽压梯度和蒸汽扩散系数的控制。然而，在混凝土技术中，干燥过程中的水分运动仅被视为一个扩散过程，其中水分扩散系数的单个参数D被用来表示体积水和蒸汽的扩散。后一种方法更方便，因为只有一种材料特性。需要D来表征水分运动。然而，当材料主要是不饱和的，并且以蒸汽通量形式的水分运动占主导地位时（即，对于混凝土，当孔隙相对湿度，RH在95%到15%之间时），这种方法更适合（Bazant和Najjar，1972年）。路面施工中使用的稳定材料在非饱和状态下也有先兆表现，除非允许大量水进入路面基质{例如雨水渗透或毛细上升）。在这种情况下，作者用混凝土技术所采用的方法来模拟稳定材料中的水分运动。

数学建模

水分通量（J）可被认为与重量水分含量的梯度成正比（例如Rahtnan等人。1999年；Torrenti等人。1999年）。

J=-D grad( （1）

式中D是水分扩散系数，它是水分含量的非线性函数。孔隙基质中水分通量的守恒

式中t是干燥时间。式（2）给出了等温条件下水分运动的控制方程。使用该方程的一个缺点是，它不适合模拟层状介质中的水分运动，因为水分含量在层边界处可能是不连续的。如果方程是以水势表示的（如在岩土工程中），它们可以很容易地应用于跨层状系统的水势模型，因为水势必须在层边界处是连续的。Bazant和Najjar（1972年），Xi等人。（1994），Kim和Lee（1998）使用孔隙相对湿度作为场变量，因为相对湿度通过Kelvin-Laplace方程与水势（不包括重力势）相连，可以表示为

式中T是温度；R是通用气体常数；是水的摩尔重量。

以RH为基础的公式，式（2）可以重写为（例如，Xi等人，1994年）

梯度[w/RH]是一种称为湿度等温线的材料特性的斜率，它给出了水蒸气热力学平衡时w与RH的关系。在岩土工程中，这一特性通常以水势的形式表现出来，称为土壤水分特征曲线。如果[w/RH]近似为某一相对湿度范围内的常数，式（4）可简化为（例如Bazant和Najjar 1972，Kim和Lee 1998）

初始和环境通量边界条件

稳定材料内的初始条件可被视为干燥开始时的初始含水量（即在搅拌或固化状态下），这些含水量可使用湿度等温线转换为等效的相对湿度。

表1粘合剂的元素分析

地表环境通量边界条件定义了周围环境的水分蒸发（水分损失）。从材料表面（E_s）蒸发可由以下方程式表征：

其中f表示表面系数，考虑风速、表面温度和表面粗糙度：n表示垂直于干燥表面的单位矢量：和分别是材料表面的环境相对湿度和孔隙相对湿度。这种模拟通量边界的方法已经被混凝土和土壤研究人员采用（Akita等人，1997年）。方程（2）（4）或（5）在初始和通量边界条件下的解需要使用数值解法，因为水分扩散系数是水分含量的非线性函数。

实验室实验

胶凝粘合剂

这些试验中使用的粘合剂包括通用硅酸盐水泥（GP）、通用混合水泥（GB）和包括碱矿渣（AAS）的混合物。由波特兰水泥和不超过5%的其他无机材料组成的水泥被归类为GP水泥，而由波特兰水泥和超过5%的一种或多种适当无机材料组成的水泥被归类为GB水泥（Austroads 1998,Neville 1994）。GB水泥和AAS包括工业废料，如粉煤灰和高炉矿渣，在澳大利亚通常用作相对慢凝的粘合剂（Serruto和Pardo 2001）。与传统粘合剂（如GP水泥）相比，这种粘合剂的一个重要优势是可以获得更长的工作时间。表1显示了粘合剂的元素分析结果。当前系列试验中使用的典型粘合剂含量为碎石和细粒土总混合物干重的3%。粘合剂含量的变化对稳定碎石的力学性能的影响可在其他出版物（Cbakrabarti和Kodikara 2003）中找到。

图1破碎玄武岩粒度分布曲线

累计%

粒径（mm）

碎石

碎石 6%细粒土

碎石 15%细粒土

Austroads B区

Austroads C区

主体材料

选定的主体材料是在澳大利亚墨尔本鹿公园博拉尔采石场取样的一块硼砂压碎的玄武岩。样品被分成两份，并存放在20公斤的密封塑料袋中。为了测试，岩石样品取自4个袋子中混合和分裂的岩石，以减少袋子之间的变化。图1显示了碎石和碎石与6%和15%细粒土混合的级配曲线。基本材料特性见表1。

细粒土是一种在当地可获取的残留玄武岩土，来源于澳大利亚维多利亚州韦里贝水生中心2至8米深处的挖掘材料。将0、6和15%（干重）的细粒土加入到碎石中，制成碎石和细粒土的混合物。这些混合料几乎在Austroads推荐的路面材料范围内（B区和C区），如图1所示（Austroads 2001）。细粒土和混合物的基本材料特性见表2。结果表明，当粘土与碎石混合时，最佳含水量增加，说明孔隙结构具有较强的保水能力。

表2碎石和碎石/土混合料的材料特性

混合料制备

将破碎的玄武岩和玄武岩粘土在干燥条件下混合，然后与饮用自来水混合，以达到所需的最佳含水量，以及混合物中均匀的材料和水分分布。然后加入粘合剂，再搅拌2分钟。在所有类型的试验中，在压实之前，将混合物保存在覆盖的容器中2小时，以防止水分损失。用标准压实度制备试样，与所有类型试样的最佳含水量对应的最大干密度成比例（澳大利亚标准1993）。

试验方法

湿度等温线的测量

湿度等温线描述了稳定材料的平衡含水量与环境湿度之间的关系。使用具有指定粘合剂和粘合剂含量的稳定混合物，并使用标准压实力制备直径为105mm、高度为38.5mm的试样。用两层湿塑料薄膜包裹试样，然后将其置于相对湿度接近100%、温度介于21至24℃的受控环境中养护24小时。固化后，将每个固化的试样置于干燥器中干燥，干燥器保持空气环境，相对湿度由置于底部的盐溶液控制。盐溶液的浓度和化学成分决定了干燥器内的相对湿度。例如，使用硫酸钾、氯化钠、碳酸钾和氯化镁的饱和溶液分别获得97%、75%、43%和33%的相对湿度。定期对试样进行称重，直到其含水量几乎保持恒定。达到平衡湿度所需的时间从8周到28周不等。通过绘制含水量或相对含水量（通过初始含水量标准化的含水量theta;）与相对湿度的关系，建立了湿度等温线。

水分扩散系数的测定

混凝土技术中使用的

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