李志軍,賈 青,2

(1.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧 大連 116024;2.黑龍江大學 水利電力學院,哈爾濱150080)

0 引 言

冰對水工結構物和安全運行管理的物理模擬在中國淡水冰領域和海冰領域均有開展。最先報道水庫和河冰冰凌物理模擬的來自水利電力部東北勘測設計院[1]和水電部天津勘測設計研究院[2]等單位;在海冰方面的成果主要來自天津大學[3]和大連理工大學[4]。在這些冰物理模擬試驗研究中,只有大連理工大學使用了具有自主知識產(chǎn)權的新型模擬材料[5]。該材料是在總結國際各種模型冰優(yōu)缺點基礎上[6],以渤海遼東灣海冰物理和力學性質(zhì)為基礎發(fā)展的新型復合材料,屬于非凍結模型冰[5,7]。針對該功能材料開展了系列模型冰的理想物理和力學性質(zhì)測試,并尋求該模型冰物理和力學性質(zhì)的控制因子[8],以便調(diào)整模型冰參數(shù),實現(xiàn)對各種天然冰的模擬。發(fā)展該模型冰還考慮符合無毒、無害、無腐蝕、可回收原則的環(huán)保要求,最終確定了DUT-1模型冰制備技術。該模型冰的主要成分是聚丙稀料、水泥和水,三者混合攪拌并抹成平整薄板。制備過程是將聚丙稀料和水泥混合均勻,加入適量的水攪拌。由于模型冰密度小于水,所以對攪拌有特殊要求?；旌虾蟮牟牧戏湃朐O計深度的模具內(nèi)壓實并抹平、養(yǎng)生成產(chǎn)品,產(chǎn)品周期7 d。它屬于粒狀結構,其骨架材料為圓球形,膠結材料僅僅在骨架材料的結合部位存在,保留了骨架之間的部分孔隙,這些孔隙可以相互貫通。模型冰浸水后,整體結構不發(fā)生變化,孔隙之間被水充填,膠結劑的強度迅速降低并趨于穩(wěn)定[9]。

DUT-1模型冰的性能指標主要指物理性質(zhì)-密度和力學性質(zhì)-彎曲強度、彈性模量、壓縮強度和摩擦系數(shù)。本文分析這些試驗指標同模型冰材料和外界受力的關系,模型冰力學性質(zhì)同物理性質(zhì)之間的關系以及控制模型冰性能指標的因子、試驗統(tǒng)計關系式。

1 DUT-1模型冰的密度

DUT-1模型冰內(nèi)存在與空氣直接貫通的微孔隙。為了消除毛細孔隙對濕密度測試的影響,采用原位浮力法,這與現(xiàn)場天然冰和凍結模型冰密度測量原理相同[10]。圖1是一組DUT-1模型冰試樣不同浸水時間后的濕密度。由圖1可見,模型冰在浸水后的0.5 h內(nèi)迅速吸水。1 h后趨于穩(wěn)定,并且在9 h時仍保持穩(wěn)定狀態(tài)。圖1中測試的數(shù)據(jù)為同一配方4次不同時間制備的模型冰。由于當時夯實工藝上的差異,雖然不同批次的密度有差異,但均落入渤海天然冰密度的變化范圍。

圖1 DUT-1模型冰平均密度隨浸水時間的變化Fig.1 Density variation with wetted time in DUT-1 Model Ice

2 DUT-1模型冰的力學性質(zhì)

2.1 彎曲強度

彎曲強度采用原位懸臂梁法。懸臂梁長為(4.0～7.5)h,寬為(1.75～2.10)h,其中h為模型冰厚度。試驗時,6至10根懸臂梁為一組,在同一壓頭運動速度下進行。懸臂梁加載方式分向下加載破壞(表面拉伸)和向上加載破壞(底面拉伸),一般進行3～5個不同壓頭運動速度的實驗。用4次不同日期加工的同一種配方的200余試樣的彎曲強度試驗檢驗DUT-1模型冰的各向同性以及應力速率效應和濕密度對彎曲強度的影響。

同天然冰和凍結模型冰類似,DUT-1模型冰的彎曲強度也依賴于彎曲應力速率,即彎曲強度隨應力速率增加首先增加,到達某一彎曲應力速率時彎曲強度對應著最大值,而后彎曲強度隨應力速率增加而減小。峰值彎曲強度發(fā)生在60～65 kPa/s,對應的壓頭運動速度為2.46 mm/s;對應的彎曲破壞時間是0.50～0.76 s,它與凍結細粒酒精模型冰的彎曲破壞時間范圍一致[11],具體結果見圖2。

DUT-1模型冰不像天然冰那樣具有明顯的溫度和結構差異,屬于各向同性材料。判斷模型冰冰層各向同性的宏觀依據(jù)是消除浮力效應后,懸臂梁下彎和上彎彎曲強度基本一致[12]。這一點同樣從圖2的向上彎曲和向下彎曲的數(shù)據(jù)點中體現(xiàn)出來,它反映DUT-1模型冰屬于各向同性,同凍結細粒酒精模型冰的性能一致[13]。

圖2 彎曲強度與彎曲應力速率的關系Fig.2 Relation of flexural strength with stress rate

不同浸水時間試樣的彎曲強度實驗結果表明: DUT-1模型冰浸水1 h后,性質(zhì)處于穩(wěn)定并且在此后的4 h無變化。這一特點充分保證了冰物理模擬試驗所需時間。

2.2 彈性模量

實驗采用彈性薄板撓曲法測試DUT-1模型冰冰排的彈性模量。實測時,對同一冰排的3個不同部位用3種不同質(zhì)量的砝碼進行。

天然冰是一種粘彈性復合材料,它只有名義上的彈性模量。所以只有在嚴格的實驗條件下,才可能表現(xiàn)出彈性,測得彈性模量。對于凍結模型冰,無論是什么添加劑,其絕大部分溶液是水,蠕變也是不可回避的現(xiàn)象,如細粒酒精模型冰 22～62 mm的冰排,當砝碼質(zhì)量＞500 g就發(fā)生蠕變現(xiàn)象[14]。DUT-1模型冰是一種非凍結合成材料,從物質(zhì)結構上講不具備發(fā)生蠕變的條件。實測DUT-1模型冰的厚度只有1～2 cm,所以砝碼一般質(zhì)量最大為200 g,個別采用到500 g。定量分析每條試驗位移—歷時曲線,DUT-1模型冰不存在蠕變。

DUT-1模型冰的彈性模量作為力學參數(shù)必定與其對應的物理參數(shù)有關。凍結模型冰的控制物理指標為冰內(nèi)未凍結液體[10],DUT-1模型冰的控制物理指標為吸水率或與之密切相關的濕密度。圖3給出模型冰吸水率與彈性模量的實驗關系[9,15]。雖然圖中因?qū)崪y精度存在數(shù)據(jù)分散現(xiàn)象,但整體趨勢符合物理意義。在濕密度為880～920 kg/m3,吸水率為35%～55%,對應著模型冰骨料的毛細吸附作用,模型冰的彈性模量隨吸附水量的增加而增加。但當吸水率再增加時,模型冰內(nèi)存在重力水,這時其對應的彈性模量趨于下降。

圖3 彈性模量與吸水率的關系Fig.3 Relation of elastic modulus with water content

2.3 壓縮強度

DUT-1模型冰的壓縮強度也是物理模擬實驗需要的參數(shù)之一。在3批物理模擬實驗中,以同一速度進行了102件試樣實驗。為了獲得變形速度的影響,在另一速度下進行6件試樣的壓縮實驗。同時進行彎曲強度實驗。每組實驗使用4～6個試樣。

利用試驗數(shù)據(jù)分析壓縮強度同彎曲強度以及壓縮強度與彎曲強度比同彎曲強度之間的關系。圖4和圖5分別給出這些關系的散點圖。圖中反映出兩種強度值之間的對應關系,特別是圖5說明彎曲強度越大,壓縮強度與彎曲強度比越低,最小值約為2。這比細粒酒精模型冰的情況略好,但彎曲強度＞30 kPa的情況還不清楚。壓縮強度與彎曲強度比偏小是粒狀模型冰的共同特點,對DUT-1模型冰而言也不例外。

圖4 壓縮強度同彎曲強度的實驗關系Fig.4 Experimental relationship of compressive strength with flexural strength

2.4 摩擦系數(shù)

實驗對模型冰自身之間和模型冰與水工物理模擬實驗常用的鋁板、刷漆(INATA-160)木板、有機玻璃板之間的摩擦進行了考察。用3～4個上覆質(zhì)量,3個速度分別進行3～5次往復運動,測出摩擦力過程。取動摩擦力區(qū)段的平均值與接觸面上的正壓力計算動摩擦系數(shù)。

圖5 壓縮強度/彎曲強度比同彎曲強度的實驗關系Fig.5 Experimental relationship of the ratio of compressive strength and flexural strength with flexural strength

圖6是模型冰粗糙面之間的摩擦力同正壓力的試驗關系,它給出模型冰碎塊間的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力,并表明這些值同運動速度無關。統(tǒng)計結果獲得DUT-1模型冰碎塊間的內(nèi)聚力為4～14 Pa,內(nèi)摩擦角為24°～26°。DUT-1模型冰碎塊的摩擦系數(shù)與正壓應力呈遞減關系。此外,由于碎塊的剪切力與加載速率有關,所以摩擦系數(shù)對運動速度有依賴性,表現(xiàn)為遞減關系。這同細粒酒精模型冰-模型冰之間摩擦系數(shù)隨速度增加而減小的關系一致[16]。統(tǒng)計結果表明DUT-1模型冰-模型冰之間的平均摩擦系數(shù)為0.49,比塑料微珠模型冰的動摩擦系數(shù)0.53略低[17],與報道的天然冰碎塊之間的摩擦系數(shù)0.50接近[7,18]。

圖6 DUT-1模型冰摩擦力同正壓應力的關系Fig.6 Relationship of friction force with normal stress for DUT-1 Model Ice

模型冰與其它幾種材料的摩擦系數(shù)也表現(xiàn)為隨著正壓應力和速度的增加呈衰減趨勢。這種趨勢同遼東灣天然冰與鋼板、刷漆鋼板、木板、刷漆木板、混凝土板之間的摩擦系數(shù)規(guī)律一致[19]。DUT -1模型冰不屬于溫度敏感型材料,所以發(fā)生的現(xiàn)象與環(huán)境溫度無關。它同材料之間的摩擦系數(shù)隨正壓應力、相對運動速度的衰減關系不及天然冰明顯。統(tǒng)計表明,DUT-1模型冰同以下材料之間的平均摩擦系數(shù)分別是:鋁-0.37;刷漆木板-0.57;有機玻璃-0.38。這比天然冰在低速度下與鋼板的0.36,與刷漆木板的0.26偏高。

3 DUT-1模型冰的力學性質(zhì)控制指標

不同水泥含量在不同養(yǎng)生期的模型冰物理和力學實驗研究結果歸納為表1。由于模型實驗使用的冰排只能在室內(nèi)條件養(yǎng)生,所以實驗所有小試件都在室內(nèi)條件養(yǎng)生。每一水泥含量的配方中,粗細骨料的比值保持不變,因此模型冰混合材料的級配基本一致,水泥的密度直接影響模型冰的密度。表1中的濕密度反映出當水泥含量＞15%,相應的模型冰密度比天然冰過高,不能被接受[8]。

表1 模型冰物理和力學指標隨水泥含量和養(yǎng)生時間的變化Table 1 Variation of model ice physical and mechanical prameters with concret contents and curing times

在分析水泥含量對密度和力學指標效應時,水泥含量為10%～15%。在實驗養(yǎng)生時間范圍內(nèi),相同養(yǎng)生環(huán)境下,模型冰的密度表現(xiàn)為隨水泥含量的增加而明顯增加。對每一水泥含量,濕密度隨養(yǎng)生時間增加而增加到一峰值,然后下降,這種關系用曲面擬合最佳,見圖7。它表明選擇濕密度既可根據(jù)水泥含量也可根據(jù)養(yǎng)生時間來進行。雖然濕密度在冰對結構物作用力模擬中不起決定性作用,但選擇合理的濕密度對冰-水力學模擬和確定其它模型冰力學指標范圍是有益的。對表1數(shù)據(jù)進行多元多項式擬合,得到最佳濕密度擬合多項式為:

式中a、b、c、d、e、f、g是擬合系數(shù);w是水泥含量,為10%～15%;t是養(yǎng)生時間,h,在65～240 h。

隨著水泥含量由干重量的10%增加到15%,任意養(yǎng)生時間的模型冰彎曲強度、彈性模量、壓縮強度明顯增加。同一水泥含量下的系列實驗結果反映養(yǎng)生時間對模型冰彎曲強度、彈性模量、壓縮強度的效應與對密度的效應相同。這歸結于彎曲強度、彈性模量、壓縮強度取決于水泥的膠結能力,該能力可以通過濕密度表征。結果還表明同水泥含量相比,養(yǎng)生時間對彎曲強度、彈性模量、壓縮強度有顯著的影響。這說明可以首先利用養(yǎng)生條件控制設想的彎曲強度、彈性模量、壓縮強度。同理,對表1的實驗數(shù)據(jù)進行多元多項式擬合,得到彎曲強度、彈性模量、壓縮強度相同形式的統(tǒng)計式。具體系數(shù)和相關系數(shù)匯總于表2。

圖7 水泥含量和養(yǎng)生時間對濕密度的效應Fig.7 Effects of concret amount and curing time on the wetted density

表2 多項式擬合系數(shù)和相關系數(shù)匯總表Table 2 Statistical coefficients and correlation coefficient in the best fitted form

彈性模量和彎曲強度比是模型冰質(zhì)量的一個重要指標。天然冰的比值約為6 000,但多數(shù)模型冰的這個比值較小。該比值越小,模型冰彎曲破壞現(xiàn)象越差。為保證模擬天然冰現(xiàn)象,要求該比值＞2 000[20]。用表1數(shù)據(jù)計算該比值,得到模型冰的彈性模量和彎曲強度比為2 000～3 400。它反映模型冰的質(zhì)量良好并且適合進行冰以彎曲方式破壞的物理模擬試驗。實驗還獲得模型冰力學參數(shù)同濕密度的關系。這些結果同天然冰和凍結模型冰物理參數(shù)控制其力學參數(shù)的結論一致[7,21]。由此建立了DUT–1非凍結合成模型冰濕密度同彎曲強度的統(tǒng)計關系(圖8),以及濕密度同單軸壓縮強度和彈性模量的統(tǒng)計關系。這些統(tǒng)計關系分別由式(2)、式(3)和式(4)給出。它們說明水泥含量越高,模型冰的密度越高,其強度也越高。

圖8 彎曲強度和濕密度的實驗關系Fig.8 Experimental relationship of flexural strength with wetted density

4 結 論

DUT-1模型冰從結構上講,它屬于粒狀多孔復合材料。其特點同凍結粒狀冰相似,通過調(diào)整膠結材料的比例和配方,實現(xiàn)對模型冰物理和力學性能的控制?，F(xiàn)已具備的基本特征參數(shù)為:

1)DUT-1模型冰浸水1 h后,密度值趨于穩(wěn)定,濕密度范圍為876～926 kg/m3;向上和向下彎曲強度結果表明該模型冰具有各向同性;實測彎曲強度為20～70 kPa;浸水1 h后,性質(zhì)處于穩(wěn)定并且可以持續(xù)4 h;彈性模量與彎曲強度之比為2 000～3 400。模型冰的力學指標受水泥含量、養(yǎng)生時間控制,它們也與模型冰的濕密度具有良好的統(tǒng)計關系。

2)碎冰塊的內(nèi)聚力為4～14 Pa,內(nèi)摩擦角為24°～26°。模型冰與模型冰的摩擦系數(shù)為0.49,與鋁板的平均摩擦系數(shù)為0.37;與刷漆木板的摩擦系數(shù)為0.57;與有機玻璃板的摩擦系數(shù)為0.38。

DUT-1模型冰能夠開展冰與斜面結構、冰與波浪、冰堆積、冰脊和冰塞物理模擬實驗,但未來還需要開展性能改進工作:

1)同凍結粒狀模型冰類似,該模型冰的壓縮強度與彎曲強度的比值略＞1,小于天然冰的比值2～3。因此在物理模擬試驗中不得不根據(jù)研究對象決定采用哪個力學指標做標準。

2)與各種模型冰相似,其脆性表現(xiàn)不足。雖然DUT-1模型冰具有壓縮強度隨應變速率的變化關系,但利用其研究結構物變形響應問題存在缺陷。

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