水结冰膨胀压力测试方法及实验数据分析

水结冰膨胀压力测试方法及实验数据分析

[摘要]寒区在我国分布面积较广，这些地区的岩体及混凝土工程都不同程度的受到冻融作用的危害。冻融破坏中产生主要影响的是水结冰产生的膨胀压力，根据静态破裂剂膨胀压力测试方法，设计了水结冰膨胀压力测试系统。通过该系统的室内试验，得出了较为理想的实验数据，为岩体及混凝土的冻融实验及模拟起到了一定的指导作用，并提供了具有参考价值的参数。

[关键词]冻融作用膨胀压力测试方法

1引言

寒冷地区，岩石的孔隙或裂隙中的水在冻结成冰时，体积膨大9%左右，因而它对围限它的岩石裂隙壁产生很大的压力，可达960～2000kg/cm2，使岩石裂隙加深加宽。当冰融化时，水沿扩大了的裂隙更深入地渗入岩石的内部，同时水量也可能增加，并再次冻结成冰。这样冻融频繁进行，使裂隙不断扩大，以至使岩石崩裂成为岩屑。这种作用叫冰劈作用[1]。

从岩石的冻融破坏机理上看，造成这种破坏的原因是由于水在结冰时，体积发生膨胀，在岩石矿物颗粒之间产生了巨大的局部拉、压应力（即冻胀力）[2]。

我国地域辽阔，寒区分布面积广泛。随着我国经济的发展，隧道、公路、水库等工程建设项目不断增多，其中很多项目就分布于寒区，这些工程项目都不同程度的受到冻融破坏的影响。影响岩石的冻融破坏的因素多而复杂，比如温度、岩性、孔隙率、含水量、冻融次数等。而这些因素中，温度的影响很大，因为它决定了水结冰的速率，决定了膨胀压力的增大速率，进而控制了岩石破坏的速率。目前国内对冻融破坏的研究很多，但是针对不同温度下水结冰膨胀压力的试验寥寥无几。

为了能够更好的研究温度对冻融破坏的发展过程的影响，并为相关的模拟实验提供参数及指导，本文在借鉴王玉杰[3]静态破裂剂膨胀压力测试方法的基础上，设计出了适用于测试水结冰膨胀压力的系统，得到了较为理想的效果。

2膨胀压力测试方法

2.1理论依据

假设水结冰产生的膨胀压力具有各向同性的性质。将水密封于钢模模拟炮孔中，在水结冰的过程中，除了轴向，其他方向都受到刚性约束，则轴向压力就是水结冰时的膨胀压力。通过活塞将轴向压力传递给耐低温液压油，则用液压油压力表测出的油压值就等效于水结冰产生的膨胀压力。

2.2 刚性炮孔模具及刚性油压管的设计

根据材料力学理论，当模具的壁厚超过模拟炮孔直径的3倍时就可以认为该模具是刚性的。所以炮孔模具参照王玉杰静态破裂剂膨胀压力测试方法中模具的设计方法，采用高碳钢材料，将炮孔模具设计成炮孔直径为2cm，壁厚为孔径的3.5倍，孔深为孔径7倍的圆柱形钢坯。刚性油压管同样采用高碳钢材料，且壁厚与内径比不小于3。

2.3水结冰膨胀压力测试系统

由于实验在低温环境下进行，测力环及一般的压力表在低温环境下无法正常工作，存在较大误差，不予采用。这就需要通过某种方式将水结冰产生的膨胀压力传导到常温下进行测量。该测试系统通过使用耐低温液压油作为压力传导介质，将压力传导至常温下进行测试，该测试系统如图1所示。

油压压强表的测量最大范围为400kg/cm2。水腔和液压油腔体积相等，且水腔中有弹簧，实验完成后可自动恢复到初始位置。

2.4水结冰膨胀压力测试方法

实验前先将等体积的水和液压油分别装入水腔和液压油腔中，并注意排出所有空气，然后将其密封。实验时只将炮孔模放入冰柜中，油压表置于冰柜外。当实验设备放入冰柜时开始计时，试验过程中每两分钟读一次数，当压力表的值接近400kg/cm2时停止读数，并马上停止实验，将实验设备从冰柜中去除，以防压力过大，压力表破裂。

3实验数据分析

实验分为三组，分别在-31℃、-15℃、-11℃三种恒定温度条件下进行测试，得出的水结冰过程中膨胀压力变化曲线如图2所示。

根据实验数据可知，在370kg/cm2范围内，当水开始结冰产生膨胀压力时，压强随时间线性增大，且压强的增长速率随温度的降低而增大，不同温度下的压强增长速率如表1所示。

4结论

通过水结冰膨胀压力测试系统的室内实验得出了较为理想的实验数据，在此基础上总结出了压强随时间变化的关系曲线及压强变化速率与温度的关系，为岩石的冻融作用实验及模拟提供了相应的参数，并起到了一定的指导作用。

参考文献

[1]http：///view/1201620.htm.

[2]徐光苗，刘泉声. 岩石冻融破坏机理分析及冻融力学试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2005，（17）.

[3]王玉杰，田新邦. 静态破裂剂膨胀压力测试方法的研究[J]. 爆破器材，2004，（4）.