凍融循環(huán)
關(guān)注創(chuàng)建者：Masson 創(chuàng)建時間：2023-02-06
凍融循環(huán)的實例教程
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另外，有數(shù)模技術(shù)問題歡迎大家多交流~
計算說明書：
（1）案例背景：我國寒區(qū)面積約為國土面積的75%，其中季節(jié)性凍土區(qū)占國土面積的58.9%，主要集中在東北和西部地區(qū)，在極端氣溫下南方地區(qū)也存在季節(jié)性凍土（如2008年），近年來隨著東北振興、西部大開發(fā)及中部崛起戰(zhàn)略的實施，寒區(qū)巖體工程建設(shè)活動越來越多，面臨更多的巖體凍融破壞問題。如在寒區(qū)危巖體或者邊坡工程中，地表水滲透到巖體內(nèi)部，滲透水在低溫作用下對巖體產(chǎn)生凍脹破壞，并且在反復(fù)凍融作用下，整個邊坡或危巖體的穩(wěn)定性持續(xù)劣化進而產(chǎn)生滑移破壞。
（2）計算任務(wù)：在2D平面內(nèi)實現(xiàn)凍融循環(huán)作用下危巖體的破壞判斷，考慮凍融循環(huán)作用下由于水分凍脹產(chǎn)生的應(yīng)力對危巖體結(jié)構(gòu)面的作用，考慮凍融循環(huán)作對危巖體組成材料的力學(xué)性能弱化（如抗剪強度參數(shù)的弱化），在雙重作用影響下，危巖體極有可能出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。該模型可以準備判斷危巖體是否發(fā)生破壞，具有科研和工程實踐價值。
（3）設(shè)備基本參數(shù)：CPU為“Intel(R) Xeon(R) CPU i5-6300HQ @ 2.30GHz”;內(nèi)存為“8.0GB”；顯卡為“Nvdia MX150”,64為驅(qū)動系統(tǒng)
（4）采用Standard求解器進行模擬；模型利用2D可變形殼型平面模型；用Mohr—Coulomb準則作為破壞準則，利用非對稱矩陣求解器求解，考慮土體自重力。所有單元類型采用平面應(yīng)變單元（CPE4），網(wǎng)格控制屬性為四邊形掃掠技術(shù)。
（5）計算耗時：依據(jù)危巖體尺寸的不同計算時間有長有短，但都遠低于3D模型模擬所需時間。
（6）分析：
（a）利用2D可變形模型，將3維危巖體降維成2維平面，極大地提高了計算效率；
（b）凍融循環(huán)作用在ABAQUS可通過用戶子程序umat對材料的抗剪強度參數(shù)定義，或者利用場變量定義，實現(xiàn)方式較為便捷。
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另外，有數(shù)模技術(shù)問題歡迎大家多交流~
為研究凍融循環(huán)作用對寒區(qū)礦山邊坡危巖穩(wěn)定性的影響，首先，利用有限元分析軟件ABAQUS和強度折減法，并結(jié)合Mohr-Coulomb破壞準則對礦山邊坡危巖算例進行數(shù)值分析。其次，以數(shù)值計算不收斂作為模型失穩(wěn)破壞判據(jù)，分別計算不同凍融循環(huán)次數(shù)下的邊坡危巖安全系數(shù)。最后，通過與極限平衡法計算所得的理論安全系數(shù)比較驗證有限元分析結(jié)果的可靠性。結(jié)果表明：邊坡危巖安全系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)增加呈下降趨勢，其初期下降趨勢較其他階段要更快；且有限元計算與極限平衡法計算所得安全系數(shù)相差較小，分析結(jié)果可為寒區(qū)礦山邊坡安全分析提供參考。
計算說明書：
（1）案例背景：我國寒區(qū)面積約為國土面積的75%，其中季節(jié)性凍土區(qū)占國土面積的58.9%，主要集中在東北和西部地區(qū)，在極端氣溫下南方地區(qū)也存在季節(jié)性凍土（如2008年），近年來隨著東北振興、西部大開發(fā)及中部崛起戰(zhàn)略的實施，寒區(qū)巖體工程建設(shè)活動越來越多，面臨更多的巖體凍融破壞問題。如在寒區(qū)危巖體或者邊坡工程中，地表水滲透到巖體內(nèi)部，滲透水在低溫作用下對巖體產(chǎn)生凍脹破壞，并且在反復(fù)凍融作用下，整個邊坡或危巖體的穩(wěn)定性持續(xù)劣化進而產(chǎn)生滑移破壞。
（2）計算任務(wù)：在2D平面內(nèi)實現(xiàn)凍融循環(huán)作用下危巖體的破壞判斷，考慮凍融循環(huán)作用下由于水分凍脹產(chǎn)生的應(yīng)力對危巖體結(jié)構(gòu)面的作用，考慮凍融循環(huán)作對危巖體組成材料的力學(xué)性能弱化（如抗剪強度參數(shù)的弱化），在雙重作用影響下，危巖體極有可能出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。該模型可以準備判斷危巖體是否發(fā)生破壞，具有科研和工程實踐價值。
展開 3 外摻氧化鎂對混凝土抗凍性的影響
混凝土抗凍性是指混凝土處于反復(fù)凍融循環(huán)條件下抵抗膨脹開裂的能力，可用相對動彈模和質(zhì)量損失率兩指標來衡量。
對外摻氧化鎂的混凝土抗凍性的研究結(jié)果目前并不統(tǒng)一。李方賢采用慢凍法進行抗凍試驗，氧化鎂采用內(nèi)摻方式，取代水泥用量，結(jié)果表明摻MgO 膨脹劑混凝土較普通混凝土的抗凍性有較大的提高。李承木采用快速凍融法試驗，研究顯示氧化鎂混凝土在凍融33 次以后，相對動彈模損失在50%以下，重量損失在1. 5% 左右，而未摻氧化鎂混凝土在凍融23 次后，相對動彈模損失在60% 以下，重量損失在2. 4%左右。由于外摻氧化鎂膨脹劑使混凝土結(jié)構(gòu)更加密實，明顯提高了混凝土的抗凍性。李鵬輝的氧化鎂抗凍性能試驗按照快凍法進行，試驗結(jié)果為氧化鎂摻量越大，相對動彈模下降越大，說明氧化鎂的摻入對此種混凝土的抗凍性能有不利影響。李鵬輝對氧化鎂和水泥的水化過程進行細觀觀察試驗，指出氧化鎂水化過程伴隨的顆粒崩解造成了微觀結(jié)構(gòu)強度的損傷甚至破壞。
為確定氧化鎂對混凝土抗凍性能的影響，作者依據(jù)SL 352 - 2006《水工混凝土試驗規(guī)程》中相關(guān)規(guī)定進行混凝土抗凍試驗，當相對動彈模下降至初始值的60% 或質(zhì)量損失率達5% 時，試件判定為破壞。設(shè)計進行氧化鎂摻量分別為0、2%、4% 和6% 的混凝土抗凍試驗結(jié)果如下: 混凝土凍融循環(huán)次數(shù)為0 時，相對動彈模都是100%，質(zhì)量損失都是0; 混凝土凍融循環(huán)次數(shù)為100 次時，相對動彈模分別為92. 4%、96. 1%、97. 4%、97. 0%，質(zhì)量損失分別為1. 3%、0. 7%、0. 5%、0. 5%;混凝土凍融循環(huán)次數(shù)為200 次時，相對動彈模分別為71. 5%、81. 7%、82. 2%、84. 8%，質(zhì)量損失分別為5. 8%、2. 2%、1. 8%、1. 5%。
展開 二
抗凍混凝土
抗凍混凝土是指結(jié)構(gòu)設(shè)計要求混凝土具有長期抵抗凍融循環(huán)的耐久性能，即滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定的抗凍級別。
當抗凍混凝土在冬期環(huán)境下澆筑時，還必須采取冬期施工的技術(shù)措施。抗凍混凝土無論在什么季節(jié)施工，都必須摻引氣劑來達到結(jié)構(gòu)設(shè)計的抗凍級別要求，提高混凝土含氣量（4%～6%）是提高混凝土抗凍性能最有效的技術(shù)措施。應(yīng)用抗凍混凝土的工程主要有：水工、港口、橋梁及公路等。
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抗凍等級和抗凍標號
根據(jù)GB/T50082-2009標準，混凝土抗凍性能按試驗方法不同，分抗凍等級和抗凍標號。抗凍等級用符號F表示，而抗凍標號是用符號D表示，兩種方法均采用齡期28d的試件在吸水飽和后，檢測其承受反復(fù)凍融循環(huán)下的性能變化。抗凍等級是以試件相對動彈性模量下降至不低于60％或者質(zhì)量損失率不超過5％時的最大凍融循環(huán)次數(shù)來確定；抗凍標號是以抗壓強度損失率不超過25％或者質(zhì)量損失率不超過5％時的最大凍融循環(huán)次數(shù)來確定。常用的混凝土抗凍等級有：F50、F100、F150、F200、F250、F300等，分別表示混凝土能夠承受反復(fù)凍融循環(huán)次數(shù)為50、100、150、200、250和300次。
展開 ⑵不同配比灰土試件，7天無側(cè)限抗壓強度在1.0mpa左右；而不同配比水穩(wěn)試件7天無側(cè)限抗壓強度在4～7mpa之間（采用325號普通水泥，水泥摻量5%～6%）
⑶不同配比灰土試件經(jīng)幾次凍融循環(huán)后，抗壓強度幾乎沒有；而摻有水泥和粉煤灰的不同配比的水穩(wěn)試件，經(jīng)10次凍融循環(huán)后，仍可測得一定的強度。
通過觀測、分析不同配比的灰土基層板體性教差，干縮、溫縮系數(shù)大，這樣的基層表層受水浸泡后強度降低，在行車荷載反復(fù)作用下，容易被面層材料啃噬成粉末狀，極易被滲進的水混合成泥漿流走，逐漸使面層脫空，造成油面沉陷、龜裂、脫落，這就是瀝青路面病害產(chǎn)生的主要原因。而由水泥、粉煤灰、碎石、砂、石屑等組成的水穩(wěn)基層，具有強度高、面層薄、板體性、水穩(wěn)定性、抗凍性好等特性，正好彌補了灰土基層的缺陷，從而大大提高瀝青混凝土道路的使用壽命。
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凍融循環(huán)的最新內(nèi)容
（2）計算任務(wù)：在2D平面內(nèi)實現(xiàn)凍融循環(huán)作用下危巖體的破壞判斷，考慮凍融循環(huán)作用下由于水分凍脹產(chǎn)生的應(yīng)力對危巖體結(jié)構(gòu)面的作用，考慮凍融循環(huán)作對危巖體組成材料的力學(xué)性能弱化（如抗剪強度參數(shù)的弱化），在雙重作用影響下，危巖體極有可能出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。該模型可以準備判斷危巖體是否發(fā)生破壞，具有科研和工程實踐價值。
抗凍等級用符號F表示，而抗凍標號是用符號D表示，兩種方法均采用齡期28d的試件在吸水飽和后，檢測其承受反復(fù)凍融循環(huán)下的性能變化。抗凍等級是以試件相對動彈性模量下降至不低于60％或者質(zhì)量損失率不超過5％時的最大凍融循環(huán)次數(shù)來確定；抗凍標號是以抗壓強度損失率不超過25％或者質(zhì)量損失率不超過5％時的最大凍融循環(huán)次數(shù)來確定。
目前影響風化作用最為強烈的過程主要有凍融循環(huán)風化和干濕循環(huán)風化，那么衡量風化的指標就可以確定為季節(jié)溫差和干濕季節(jié)的降水量差異，特別是對于泥石流災(zāi)害，這也就解決了為什么泥石流在我國干旱河谷區(qū)特別集中，同時冰川泥石流在我國青藏高原東緣特別集中的現(xiàn)象。具體可以選擇冬春降水和夏季降水量的差異值作為干濕循環(huán)風化的強度指標，也可以參考春夏兩季的降水差異。
2）石子體積穩(wěn)定性差：
有些由多孔燧石、頁巖、帶有膨脹黏土的石灰?guī)r等制成的碎石，在干濕交替或凍融循環(huán)作用下，常表現(xiàn)為體積穩(wěn)定性差，而導(dǎo)致混凝土強度下降。
3）石子形狀與表面狀態(tài)不良：
針片狀石子含量高影響混凝土強度。
（2）計算任務(wù)：在2D平面內(nèi)實現(xiàn)凍融循環(huán)作用下危巖體的破壞判斷，考慮凍融循環(huán)作用下由于水分凍脹產(chǎn)生的應(yīng)力對危巖體結(jié)構(gòu)面的作用，考慮凍融循環(huán)作對危巖體組成材料的力學(xué)性能弱化（如抗剪強度參數(shù)的弱化），在雙重作用影響下，危巖體極有可能出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。該模型可以準備判斷危巖體是否發(fā)生破壞，具有科研和工程實踐價值。
抗凍標號以試塊所能承受的最大反復(fù)凍融循環(huán)次數(shù)表示。根據(jù)凍融循環(huán)次數(shù)，混凝土抗凍標號一般分為：F15、F25、F50、F100、F150和F200。
抗侵蝕性：指混凝土在各種侵蝕性液體和氣體中，抵抗侵蝕的性能。對混凝土起侵蝕作用的介質(zhì)主要是硫酸鹽溶液、酸性水、活動和或帶水壓的軟水、海水、堿類的濃溶液等。
抗凍標號以試塊所能承受的最大反復(fù)凍融循環(huán)次數(shù)表示。根據(jù)凍融循環(huán)次數(shù)，混凝土抗凍標號一般分為：F15、F25、F50、F100、F150和F200。
抗侵蝕性：指混凝土在各種侵蝕性液體和氣體中，抵抗侵蝕的性能。對混凝土起侵蝕作用的介質(zhì)主要是硫酸鹽溶液、酸性水、活動和或帶水壓的軟水、海水、堿類的濃溶液等。
二、高低溫循環(huán)
主要參考標準：GB/T 2423，JG/T 25建筑涂料涂層耐凍融循環(huán)性測定法等標準，可以按照不同產(chǎn)品標準中，關(guān)于高低溫循環(huán)、凍融循環(huán)的相關(guān)測試方法來開展試驗。主要用于建筑涂料、特殊環(huán)境使用設(shè)備等檢測。
三、熱老化
主要參考標準：GB/T 7141、ASTM D3045、JIS K 6257等。
⑵不同配比灰土試件，7天無側(cè)限抗壓強度在1.0mpa左右；而不同配比水穩(wěn)試件7天無側(cè)限抗壓強度在4～7mpa之間（采用325號普通水泥，水泥摻量5%～6%）
⑶不同配比灰土試件經(jīng)幾次凍融循環(huán)后，抗壓強度幾乎沒有；而摻有水泥和粉煤灰的不同配比的水穩(wěn)試件，經(jīng)10次凍融循環(huán)后，仍可測得一定的強度。
由于混凝土橋面板具有所處環(huán)境惡劣的特點，經(jīng)常受到融雪劑、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、冷熱循環(huán)等作用的共同影響，因此可視為對混凝土的加速試驗，在耐久性方面具有一定的代表性。1987年，美國
U.S. National Materials Advisory
Board開展了一項調(diào)查，關(guān)注建于1940年后的橋面板。
