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水泥稳定路面材料水分损失模型
Jayantha Kodikara1 and Srijib Chakrabarti2
摘要:
本文提出了一种模型和实验方法,用于模拟含有不同细粒土的天然稳定路面材料在干燥过程中的水分流失过程。水分流失过程的特点是符合各向同性非线性扩散理论。本文采用通用波特兰水泥和包含工业废物的两种不同的粘合剂进行实验。材料特性的测量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用作主体路面材料和细粒土。进行了独立的实验测试来验证所采用的理论方法,该方法显示了实验和预测结果之间的一致。实验结果表明,当混合物中含有粘土时,水分损失减少。随着干燥的进行,水分损失率变慢,这可以通过随着水分含量的降低而降低水分扩散系数来解释。
CE数据库主题标题:水分; 失水;脱水;路面; 细粒土壤; 模型
背景
使用水泥粘合剂的原位稳定化已成为澳大利亚和全世界退化的道路路面修复的常见活动。原位稳定包括旧路面的碎裂,将路面材料与一些水泥添加剂和水混合,然后进行压实以获得再生基底。人们普遍认为,良好的路面材料不应含有过多的细粒,如粘土,这些细粒在湿度变化下具有高收缩/膨胀特性。但是,我们正在处理的旧的道路铺面,由于原始材料是当地采购的,可能含有大量的杂志。在原位稳定过程中,一些路基土也可能混合。本文研究了具有高收缩/膨胀特性的土壤在临界路面稳定中的存在的影响。尽管该研究受到这一问题的推动,但该论文的内容也与稳定通常含有大量细粒土壤的边缘路面材料有关。
当稳定的路面在施工期间和之后失去其相邻材料或大气(即路面干燥)的水分时,可能会发生收缩裂缝,这是一个需要详细研究的问题(Chakrabarti等人 2002; Colombier 1997)。 当由于受限制的收缩引起的拉伸应力超过稳定材料的拉伸强度时,认为裂纹开始。 收缩裂缝会降低路面系统的整体刚度,使水渗入路面基层和路基,并为胶结材料的侵蚀提供路径,从而降低路面性能(Bullen 1994)。 因此,如果可以在路面的设计阶段预测收缩裂缝的可能性,则是很好的实验条件。 因此,在干燥过程中对水分损失的建模是首要条件。
干燥过程中水分损失的理论模型
理论概念
干燥过程中多孔材料中水分运动的模拟已经在地质技术,土壤科学和混凝土技术方面进行了大量的研究工作(Kodikara和Chakrabarti,2001)。在地质技术和土壤科学中,表层土壤中的水分运动被认为是两个可分离的组成部分,即大量水通量和蒸汽通量(例如,Wilson等人,1994)。根据达西定律,体积水通量由水力势(即孔隙水吸力和高度势)梯度和水力传导率控制,水力传导率是吸力势的非线性函数。蒸汽通量由蒸汽压力梯度和不饱和孔隙空间中的蒸汽扩散系数决定。然而,在具体技术中,干燥过程中的水分运动仅被视为一种扩散过程,其中单一的水分扩散系数(D)用于表示大量水和蒸汽扩散。后一种方法更方便,因为只需要一种材料特性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为主时(即,对于混凝土,当孔相对湿度,RH在95%至15%的范围内)时,这种方法更合适( Bazant和Najjar,1972年用于路面施工的稳定材料也主要表现在不饱和状态,除非允许大量水进入路面基质(例如,雨水渗透或毛细上升)。在这些情况下,作者使用了混凝土技术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)可以认为与重量水分含量的梯度成正比(例如,Rahman等人1999; Torrenti等人1999)
(1)
其中D =水分扩散系数,它是水分含量的非线性函数,w是保留孔隙基质内的水分通量
(2)
其中t =干燥时间。 公式(2)给出了等温条件下水分运动的控制方程。 使用这个等式的一个不利之处在于它不适合模拟分层介质上的水分移动,因为水分含量在层边界处可能是不连续的。 如果方程以湿度势(如地质技术)表示,则它们可以很容易地应用于模拟分层系统中的水分流,因为水分势必须在层边界处连续。 Bazant和Najjar(1972)、Xi等人(1994)、Kim和Lee(1998)使用孔RH作为场变量,因为RH通过Kelvin-Laplace方程与水分势dagger;(不包括引力势)相关联,可以表示为
(3)
其中T =温度; R =通用气体常数; Wv =水的分子量。
对于基于RH的配方,公式(2)可以改写为(例如,Xi et al.1994)
(4)
梯度(&w /&RH)是材料特性的斜率,称为湿度等温线,其给出了在水蒸汽热力学平衡下w与孔RH的关系。 在地质技术中,这种特性通常以水分势来表示,被称为土壤 - 水特征曲线。 如果(&w /&RH)近似为常数,则对于某个RH范围,公式(4)可以简化为(例如,Bazant和Najjar 1972; Kim和Lee 1998)
(5)
初始和环境通量边界条件
稳定材料中的初始条件可以被认为是干燥开始时(即,在混合或固化状态下)的初始水分含量,并且这些水分含量可以使用湿度等温线转换为等效RH。
表1.粘合剂的元素分析
材料 |
成分/组成% |
||
波兰特水泥 |
混合水泥 |
含有炉渣的水泥 |
|
SiO2 |
21.30 |
23.88 |
22.49 |
Al2O3 |
4.72 |
7.27 |
7.97 |
Fe2O3 |
3.30 |
2.51 |
1.63 |
CaO |
62.81 |
57.36 |
44.15 |
MgO |
1.30 |
2.76 |
3.56 |
SO3 |
2.85 |
3.01 |
4.04 |
Na2O |
0.19 |
0.14 |
0.71 |
K2O |
0.49 |
0.42 |
4.53 |
LOI |
3.30 |
2.70 |
10.90 |
表面的环境通量边界条件定义了周围环境的水分蒸发(水分损失)。 材料表面(Es)的蒸发可用以下等式表征:
(6)
其中f =表面因子,考虑到风速,表面温度和表面粗糙度; n =垂直于干燥表面的单位矢量; RHen和RH分别是材料表面的环境相对湿度和孔隙相对湿度。 混凝土和土壤研究人员已采用这种通量边界建模方法(Akita等,1997)。 Eqs的解决方案。 (2),(4)或(5)受初始和通量边界条件的影响需要数值方法,因为水分扩散系数是水分含量的非线性函数。
实验室实验
水泥粘合剂
在这些实验中使用的粘合剂包括通用水泥土(GP),普通混合水泥(GB)和包含碱活化炉渣(AAS)的共混物。由不超过5%的其他无机材料的港口水泥组成的水泥被归类为GP水泥,由波特兰水泥和超过5%的一种或多种适当的无机材料组成的水泥被归类为GB水泥(Austroads 1998;内维尔1994)。 GB水泥和AAS包括工业废物如粉煤灰和高炉矿渣,并且在澳大利亚通常用作相对慢的固化粘合剂(Serruto和Pardo 2001)。这种粘合剂相对于传统粘合剂(如GP水泥)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。在当前系列试验中使用的典型粘合剂含量是碎石和细粒土壤的总重量干重的3%。粘合剂含量变化对稳定碎石材料性能的影响可以在其他出版物中找到(Chakrabarti和Kodikara 2003)。
图1.碎石玄武岩的粒度分布曲线
主体材料
选定的主体材料是在澳大利亚墨尔本Deer Park的Boral采石场采样的Boral碎玄武岩。将样品分开并储存在20kg密封塑料袋中。为了测试,通过混合和分裂来自四个袋子的岩石来获得岩石样品,以便最小化袋子之间的变化。对于碎石以及与图1中6%和15%细粒土壤混合的碎石,显示了分级曲线。基本材料特性见表1。
细粒土壤是一种局部可利用的残余玄武岩土壤,来自澳大利亚维多利亚州韦里比水生中心2至8米深的挖掘物质。通过向碎石中添加0%,6%和15%(干重)的细粒土壤来制造碎石和细粒土壤的混合物。这些混合物几乎在Austroads推荐的路面材料的范围(区域B和C)内,如图1所示(Austroads 2001)。表2给出了细粒土壤和混合物的基本材料特性。可以看出,当粘土与碎石混合时,最佳含水量增加,表明孔隙结构能够保留更多的水分。
表2.碎石和碎石/土壤混合物的材料特性
材料 |
最佳含水率 |
干密度 |
收缩重力 |
线性比 |
液体百分比 |
可塑性指数 |
碎石 |
9.80 |
2,204 |
2.97 |
0.8 |
22 |
3 |
细粒土 |
27.50 |
1,420 |
2.66 |
22.0 |
127 |
101 |
碎石和6%土 |
10.70 |
2,220 |
— |
8.0 |
33 |
14 |
碎石和15%的土 |
11.85 |
2,141 |
— |
11.0 |
46 |
24 |
混合制备
将破碎的玄武岩和玄武岩粘土在干燥条件下混合,然后与可饮用的自来水混合,以获得所需的最佳水分含量和混合物内均匀的材料和水分分布。然后加入粘合剂并再混合2分钟。在压实所有类型的测试之前,将混合物保持在容器中,覆盖以防止水分损失,持续2小时。样品的制备采用标准的反应性努力,与最大干密度成比例,对应于所有类型样品的最佳水分含量(Standards Australia 1993)。
测试方法
湿度等温线的测量
湿度等温线表征稳定材料的平衡水分含量和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努力制备直径为105mm和高度为38.5mm的样品。通过用两层湿塑料薄膜包裹它们来固化这些试样,然后将它们保持在RH接近100%和温度在21和24℃之间24小时的受控环境中。在固化之后,然后将每个固化的样品在干燥器中干燥,干燥器保持空气环境,相对湿度由置于碱处的盐溶液控制。盐溶液的浓度和化学组成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达到97%,75%,43%和33%的相对湿度。定期称量试样,直到其含水量实际上恒定。达到平衡水分所需的持续时间从8周到28周不等。通过绘制水分含量或相对水分含量(由初
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