孫雪偉，唐 雷，高培偉，張萬磊，張 俊，陳李峰

（1.南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，江蘇 南京 211106；2.中路交科科技股份有限公司，江蘇 南京 211808；3.中交第三公路工程局有限公司，北京 101300）

引 言

冰與混凝土的相互作用是寒冷地區(qū)海洋結(jié)構(gòu)經(jīng)常需處理的一個重要因素，移動的海冰或河冰可能會導(dǎo)致混凝土磨損，因為冰與水壩、碼頭或近海結(jié)構(gòu)的吃水線區(qū)域持續(xù)或間歇的相互作用，這種持續(xù)的或季節(jié)性的冰磨損會導(dǎo)致材料的逐漸損耗和混凝土性能退化，并可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞。冰引起的磨損程度依賴于冰的特性、混凝土特性以相互作用的性質(zhì)，已有研究表明接觸壓力和表面粗糙度等是影響磨損的重要參數(shù)。

磨損的其中一個物理機(jī)制是冰與混凝土的粘結(jié)，粘結(jié)破裂時會導(dǎo)致材料損失。如，冰被壓在一個結(jié)構(gòu)上一段時間，然后由于環(huán)境條件（如風(fēng)或潮汐）的變化而被迫移動，這種磨損模式尚未得到廣泛的研究，大多數(shù)前期工作只考慮了滑移磨損，即冰和混凝土相互作用是連續(xù)的相對運動模式。本文分析研究了冰摩擦、磨損和粘附方面的特點，特別是與混凝土的相互作用，以期為后續(xù)研究提供方向。

1 冰-混凝土相互作用

冰-混凝土中存在兩種不同的作用：冰對混凝土的磨損作用和冰對結(jié)構(gòu)的荷載作用。冰層附著在混凝土結(jié)構(gòu)上，當(dāng)冰沿著混凝土滑移并產(chǎn)生摩擦后，能夠觀察到混凝土有明顯的磨損。研究表明，這種磨損是冰沿著混凝土滑動距離的函數(shù)，當(dāng)混凝土和冰層粘結(jié)破壞時，會有混凝土顆粒從冰中掉落［1］。

冰與結(jié)構(gòu)的附著會引起結(jié)構(gòu)的附加荷載，在近海建筑中，當(dāng)水位變化時，冰與混凝土結(jié)構(gòu)的粘附可能會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平和垂直力，如圖1所示。

圖1 冰的粘結(jié)力產(chǎn)生附加荷載示意圖

由于冰和混凝土的非均質(zhì)特性，冰和混凝土之間的相互作用非常復(fù)雜。表面的微觀和宏觀結(jié)構(gòu)、溫度、污染物、冰類型和混凝土類型等因素都會對其相互作用產(chǎn)生影響。為了更深入地了解冰和混凝土之間的相互作用，開展了理論分析和試驗研究。首先對冰-混凝土相互作用中的不同接觸區(qū)進(jìn)行了界定，然后討論了冰載荷對混凝土的磨損，分析了冰和混凝土間的摩擦，并進(jìn)一步地分析冰-混凝土粘結(jié)與磨損的關(guān)系。

2 冰-混凝土接觸區(qū)域

當(dāng)冰層與混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相互作用時，作用范圍內(nèi)存在三個不同的接觸區(qū)域［2］，如圖2所示。區(qū)域1為主要接觸區(qū)，該區(qū)域正應(yīng)力最大；區(qū)域2為粘滑區(qū)，由于該區(qū)域混凝土表面產(chǎn)生了冰屑，導(dǎo)致正應(yīng)力減小，切應(yīng)力增大，冰出現(xiàn)不穩(wěn)定的滑動速度。區(qū)域3是穩(wěn)定滑動區(qū)，該區(qū)域累積的碎屑量最大，作用力最小。區(qū)域1內(nèi)，正應(yīng)力超過了混凝土的抗力，從而導(dǎo)致破壞。區(qū)域2的磨損減少，而冰的速度，接觸角度和混凝土的類型等將決定粘滑性能。區(qū)域3應(yīng)力較低，磨損較少。

圖2 冰-混凝土表面不同磨損效果的區(qū)域

3 冰對混凝土表面產(chǎn)生的磨損

冰-混凝土磨損是混凝土與浮冰相互作用，可引起混凝土表面性能退化，調(diào)查表明：在滑動冰的作用下，混凝土?xí)艿絿?yán)重的破壞。在不同的壓力下，在相同的位置測量不同的磨損率，發(fā)現(xiàn)磨損主要是由于混凝土的抗凍性低和冰的磨損［3］。

通過對混凝土與冰磨損機(jī)理分析研究，可總結(jié)為六種不同機(jī)制［4-8］：（1）循環(huán)荷載：冰在與混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞時產(chǎn)生沖擊力，移動的冰既可產(chǎn)生拉伸力，也可產(chǎn)生壓縮力，取決于冰的特性（晶體的大小、加載速率、溫度、冰的類型和骨料的大?。＃?）凍融循環(huán)：由于混凝土中的水反復(fù)凍融，壓力增加，導(dǎo)致微裂縫，最終導(dǎo)致混凝土破壞。研究表明，低滲透摻引氣劑混凝土的抗凍融損傷性能有所提高，影響的因素主要有氣孔體積和空隙、水灰比和混凝土的飽和度。（3）海水的化學(xué)侵蝕：由于海水中氯化物的相互作用，混凝土的力學(xué)性能可能會發(fā)生退化。（4）混凝土的碳化：由于二氧化碳與混凝土中石灰的相互作用，會改變混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)。（5）混凝土收縮：造成混凝土開裂，使水分和鹽分滲透。（6）溫度梯度和溫度變化：潮濕的混凝土表面在波浪作用下反復(fù)凍結(jié)，使混凝土暴露在高溫梯度下。當(dāng)溫度變化超過dT=40°時，水泥-骨料粘結(jié)性能也會弱化，水泥開裂增加。

冰-混凝土表面的試驗研究表明，摩擦導(dǎo)致的磨損小尺度效應(yīng)，磨損會導(dǎo)致混凝土顆粒進(jìn)入界面，從而影響混凝土與冰之間的摩擦［9］，試驗裝置如圖3所示。在水泥漿體被侵蝕后，測量了恒定的磨損率，該磨損率與滑動速度和壓力有關(guān)，但與平均粗糙度無關(guān)。

圖3 摩擦測量裝置［9］

使用兩種高性能混凝土和一種輕質(zhì)混凝土不同的混凝土配合比，對混凝土-冰磨損進(jìn)行了試驗研究［2，10］，在寒冷的房間中，磨損機(jī)器以0.16 m/s的速度滑動，滑動3 km后抗壓強(qiáng)度最低的混凝土試樣磨損0.35 mm。

研究表明，對于特定組成的混凝土，混凝土磨損有一般磨損和突變磨損兩種機(jī)制，這兩種機(jī)制是循環(huán)發(fā)生的。

（1）一般磨損：一般磨損是冰和少量磨損顆粒沿混凝土板表面流動，引起水泥漿體和小骨料部分的逐漸侵蝕。一般的磨損有初始和永久階段。初始階段的特征是較高的平均和最大磨損量，在這個階段，水泥漿體的上層被磨蝕，磨蝕速度更快，取決于粗糙度；永久階段磨損率較低，不依賴于粗糙度，在后期階段，骨料和砂粒暴露，強(qiáng)度高于水泥。當(dāng)這種情況發(fā)生時，實際接觸面積減少，應(yīng)力增加，顆粒上拉應(yīng)力高于材料抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致材料磨損。

（2）突變磨損：發(fā)生在一般磨損削弱了水泥-骨料粘結(jié)后，突然發(fā)生骨料顆粒噴射。如圖4所示：圖4（a）中為一般磨損，磨損混凝土的外層，直到骨料顆粒暴露出來；圖4（b）中一般磨損速率減慢，直到突變磨損導(dǎo)致骨料顆粒噴射出來；圖4（c）為一般磨損的循環(huán)起點。

圖4 磨損示意圖

混凝土碎片顆?？勺鳛榧怃J的磨料顆粒，在冰的拖拽下，增強(qiáng)了混凝土的磨損［2］，冰在混凝土上滑動時產(chǎn)生的拉應(yīng)力足以產(chǎn)生微裂縫，水被迫進(jìn)入微裂縫會產(chǎn)生壓力，導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展，如圖5所示，混凝土磨損不需要凍融循環(huán)。

圖5 水滲透導(dǎo)致混凝土微裂縫示意圖

4 冰-混凝土的摩擦

前期研究多集中在冰以不同的速度在某種材料上滑動時的動摩擦，不同的研究結(jié)果有很大的分歧，當(dāng)冰被摩擦加熱時，水會起到潤滑劑的作用，降低了摩擦系數(shù)［11］；當(dāng)滑動速度相對“低”，摩擦系數(shù)更高，與垂直載荷大小無關(guān)。

通過研究冰的摩擦可確定多晶冰的蠕變行為，圓錐形冰的尖端在測試表面上滑動，此時出現(xiàn)了較強(qiáng)的界面黏附［12］。試驗觀察到摩擦與法向壓力和接觸面積間接近成比例，摩擦加熱導(dǎo)致表面的冰融化，摩擦減少，滑動時的溫差可由以下方法估計：

式中μ為摩擦系數(shù)，N為法向力，g為重力加速度，r為圓形接觸面積的半徑；v為表面相對速度；ki為表面之間的速度，k為相互作用材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

研究還表明，在非常低的滑動速度下，靠近臨界面的薄冰區(qū)會再次結(jié)冰，底面更易產(chǎn)生滑動。通過戶外船體穿過天然冰試驗和室內(nèi)金屬板穿過冰塊試驗發(fā)現(xiàn)，在0.25～1.75 m/s的速度范圍內(nèi)，摩擦力與速度無關(guān)；隨荷載增加，摩擦系數(shù)逐漸減??；表面粗糙度對摩擦幾乎沒影響，而粗糙類型對摩擦影響顯著［13］。淡水冰和海冰上鋼板摩擦試驗，也有類似的試驗結(jié)果，當(dāng)壓力在10 kPa以下減小時，動摩擦系數(shù)增大，超過10 kPa后，摩擦系數(shù)與壓力無關(guān)［14］。Oksanen［15］認(rèn)為，冰與材料間的摩擦所引起的熱量耗散是通過向固體的傳導(dǎo)和界面處融水的吸熱來實現(xiàn)的，摩擦系數(shù)取決于環(huán)境溫度，增加正壓力引起摩擦系數(shù)減小。

此外，冰和混凝土間的摩擦已在實驗室中使用不同的方法進(jìn)行測試，大多數(shù)測試裝置都有自己的測試設(shè)備，測試的重點是不同壓力和滑動速度下的動摩擦系數(shù)。Bruno［16］采用小型混凝土板和實驗室生產(chǎn)的柱狀冰進(jìn)行循環(huán)摩擦試驗，試驗結(jié)果用摩擦系數(shù)表示。摩擦裝置的示意圖如圖6所示。它是一種改進(jìn)的直接剪切箱機(jī)，能進(jìn)行界面剪切。采用一個帶有混凝土板的車廂，可以水平移動，淡水冰制成圓柱狀固定在儀器中。

圖6 摩擦裝置示意圖

結(jié)果表明，正應(yīng)力對最終摩擦系數(shù)的影響呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，且在較高的滑動速度下具有更強(qiáng)的相關(guān)性，結(jié)果如圖7所示。

圖7 摩擦系數(shù)結(jié)果

由以上分析可見冰-混凝土產(chǎn)生摩擦主要有兩種機(jī)制：（1）冰的黏塑性；（2）冰-混凝土的黏附性。冰的黏塑性可解釋滑動速度和摩擦表面平均粗糙度的影響。冰塊表面和混凝土板之間的實際接觸次數(shù)是由平均粗糙度決定的。在給定的滑動速度和壓力下，實際接觸的次數(shù)會隨平均粗糙度的減小而減小，平均粗糙度的增大會導(dǎo)致實際應(yīng)力的增大，導(dǎo)致更多的冰滲透在混凝土的凹凸體中，增加凹凸體附近的冰應(yīng)變速率；由于冰的黏塑性，在較高的平均粗糙度下，切向應(yīng)力和摩擦力更高，如圖8所示。

圖8 摩擦系數(shù)結(jié)果

在低正應(yīng)力下，冰-混凝土的黏附力是摩擦力的主要組成部分，此時破壞粘接所需的剪應(yīng)力控制著摩擦力，隨著時間的推移，由于冰的黏塑性，實際接觸面積增加，摩擦系數(shù)增加。

5 總 結(jié)

冰-混凝土界面上的磨損存在凍融循環(huán)、荷載兩種主要的作用機(jī)制，界面磨損程度是由兩個界面間的摩擦和粘附控制的。研究表明：冰對混凝土粘附與混凝土磨損密切相關(guān)。粘接劑粘結(jié)可直接產(chǎn)生強(qiáng)大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土表面和骨料顆粒磨損。磨損率取決于溫度、接觸壓力、相對速度和冰蓋沿混凝土表面的總滑動距離。滑動造成的磨損部分取決于摩擦系數(shù)，而在冰沿混凝土的滑動中，摩擦取決于附著力。壓力、持續(xù)時間和浸沒等參數(shù)與冰-混凝土黏附強(qiáng)度的關(guān)系及其最終產(chǎn)生的磨損程度還有待更詳細(xì)深入的研究。