试述半刚性材料温度收缩和干燥收缩的基本原理

试述半刚性材料温度收缩和干燥收缩的基本原理。(一)半刚性基层材料温度收缩机理半刚性基层材料是由固相(组成其空间骨架结构的原材料的颗粒和其间的胶结构)、液相(存在于固相表面与空隙中的水和水溶液)和气相(存在于空隙中的气体)组成。所以，半刚性基层材料的外观胀缩性是由其基本体的固、液、气相的不同温度收缩性的综合效应结果。一般气相大部分与大气贯通，在综合效应中影响较小，可以忽略，故半刚性基层材辑的胀缩性可主要从固相胀缩、液相胀缩，以及两者的综合作用三个方面进行研究．1．固相复合材料的热胀缩性分析半刚性基层材料中的面相颗粒大部分为结晶体及部分非结晶体，其热学性质由质点的键性和热运动以及结构组成所决定。组成晶体的质点(原子、分子、离子)间的键性一般较强，质点的热运动只是在其平衡位置附近的热震荡。晶体的势能曲线是不严格对称的左陡、右缓的复杂函数曲线。影响晶体热胀缩性的因素主要有：晶体内质点间的键力、离子电荷及质点间距、晶体与晶体类型以及晶体的空间结构等。质点间的键力越强、离子的间距越小以及电子电荷越大时，热胀缩系数就越小，晶体质点的配位数越大，则热胀缩系数越大，层状晶体，垂直于层面方向的热胀缩系数要大于层向的热胀缩系数，紧密堆积结构比敞旷式结构有较大的热胀缩系数。由于组成固相复合材料的各矿物有不同的热胀缩性，但又是胶结为整体的材料，所以，其热胀缩性是各组成单元体间相互作用的“综合效应”。2.水对半刚性基层材料热胀缩性的影响半刚性基层材料内部广泛分布有空隙，包括大空隙、毛细孔和凝胶孔。自由水存在于大空隙中；毛细水存在于毛细孔和凝胶孔中；表面结合水存在于一切固体表面；层间水存在于晶胞及凝胶物层间；结构水和结晶水存在于矿物晶体结构内部。水对半刚性基层材解热胀缩性的影响主要是通过三种作用过程而实现的，即扩张作用、毛细管张力作用和冰冻作用。温度升高时，水的扩张压力使颗粒间距离增大面产生膨胀；反之，则产生收缩。毛细管张力作用有两个方面的影响；其一，温度下降时，毛细管中水的表面张力增大，从而加大了材料的收缩系数；其二是由于毛细管弯液面的内外存在压力差，以压的形式作用于管壁之间。温度下降时，对管壁的压力增大，从而引起整体材料的收缩。各孔隙中的水在其冰点温度以下冻结肘，体积增大9％，从而引起材料膨胀。同时，由于冰具有较大约收缩系效，又会使整体材料的温缩系数增大。(二)半刚性基层材料干燥收缩机理干燥收缩是指半刚性基层材科因内部含水量变化(水分蒸发)而引起的体积收缩现象。干燥收缩的基本原理是由于水分蒸发而发生的“毛细管张力作用”、“吸附水及分子间力作用”、矿物品体成胶轻体的“层间水作用”、以及“碳化脱水作用”而引起的整体宏观体积的变化。1．毛细管张力作用半刚性基层材料毛细管中水的弯液面存在着内外压力差(即毛细管张力)，以压的形式作用于毛细管壁，其大小与毛细管的半径成反比。当水分蒸发时，毛细管水面下降，弯液面的曲率半径变小，致使毛细管压力增大，从而产生收缩。2．吸附水和分子间力作用毛细水蒸发完结后，随着相对温度的继续变小，半刚性基层材料中的吸附水开始蒸发，使颗粒表而水膜变薄，颗粒间距变小，分子力增大，导致其宏观体积的进一步收缩。这一阶段的收缩量要比毛细管作用的影响大得多。当吸附水膜减薄到一定程度以后，收缩量逐渐减小，直至终止收缩。3.层间水作用随着相对温度的进一步下降，层间水蒸发，致使晶体间距减小，从而引起整体材料的收缩。4.碳化收缩作用所谓碳化收缩是指Ca（OH）2与CO2反应生成CaCO3过程中析出水分而引起的体积收缩。试述影响疲劳寿命的因素影响沥青路面疲劳寿命的因素有很多方面，除了荷载条件的影响外，还包括材料性质与种类、环境变量等的影响。1荷载条件1)荷载历史。材料的疲劳寿命可按不同的荷载条件测定。对于相同的沥青混合料,试件在承受简单荷载或是复合荷载的情况下所表现出来的疲劳反映是不同的。采不同的加载模式作用于试件的实际受荷状况是不同的。2)加载速率。在沥青混合料疲劳加载试验中,混合料的劲度量随着加载作用次数增加呈下降的趋势。在试验过程中,加载率越高,则劲度模量也就越大。虽然速率不同,但是劲度模量着作用次数下降的趋势却是相近的,即不同速率的几条曲线在到疲劳破坏的作用次数以前,基本上保持了平行的关系。3)荷载间歇时间。路面在承受车辆荷载时,在车辆前后轮之间或前后车辆轮载之间都有间隔时间。由于沥青材料具有粘弹性性质,故在荷载之间的间歇时间内沥青路面将产生有利于疲劳微细裂缝愈合的内部应力,因而可以延长其疲劳寿命。研究表明,荷载之间的间歇时间对疲劳性能的影响是很大的。2材料性质1)混合料劲度。从疲劳观点来看,沥青混合料的劲度模量是一个重要的材料特性。任何影响混合料劲度的变量,诸如集料与沥青的性质、沥青用量、混合料的压实度与空隙率,以及反映车辆行驶速度的加载时间和所处的环境温度条件等都会影响到它的疲劳寿命。2)混合料中沥青的种类及用量。沥青种类和稠度对沥青混合料疲劳寿命的影响基本上可以用它对混合料劲度的作用来衡量。通常,在控制应力加载模式中疲劳寿命随沥青硬度的增大而增长,在控制应变加载模式中则出现相反的情况,即沥青越软,疲劳寿命越长。沥青混合料的疲劳性能受沥青用量的影响很大,沥青用量大,混合料的空隙率就小,疲劳寿命也长。3)集料的表面性状与混合料的空隙率。由于集料的表面纹理、形状和级配可以影响混合料中的空隙结构,即空隙的大小、形状与连贯状况以及沥青的适宜用量和沥青同集料的相互作用情况,可以对疲劳寿命表现出不同的影响。3环境条件1)温度。温度对于疲劳性能的影响可以用混合料劲度来解释。温度在一定限度内下降时,沥青混合料的劲度增大,试件在承受一定应力的条件下所产生的应变就小,因而在控制应力加载模式的试验中导致有较长的疲劳寿命;而在控制应变加载模式的试验中,温度增加引起混合料劲度降低,使裂缝扩展速度变慢而导致疲劳寿命得以增长。2)湿度。湿度和大气因素对路面寿命影响这方面的研究工作进行得比较少。预计湿度的作用可使混合料的劲度减小,沥青混合料在大气因素作用下的老化过程可使其劲度增大。沥青混合料在这些因素作用下的疲劳反应可以通过劲度的变化而得到体现。沥青路面疲劳性能的影响因素是多方面的,除了以上分析的各种因素之外,还包括路面设计、施工及工程所在地的地质条件等很多因素。在具体的实际工程中,要从各个环节入手,针对工程特点,采取有针对性的有效措施,提高沥青混合料的抗疲劳性能、延长其使用寿命。评述疲劳试验的方法。第三章试论述土体的强度构成土体是由不同尺寸和不同成分的土粒所组成的多相分散体系．就其结构强度而言，土体属于松散介质，即其基本粒子(土粒)本身的强度远大于它们之间的连接强度，因此土体的强度主要由土粒(或微团粒)之间的连接强度所决定。从构成土体的整体强度来讲，起决定性作用的是土粒之间的粘聚力和土拉之间的内摩阻力。对于无粘性土，土体强度主要来源于内摩阻力，其摩擦性质是控制抗剪强度发展的主要物理分量。无粘性土的摩擦性质涉及到颗粒之间的相对移动，其物理过程包含两部分：一是颗粒的滑动，产生滑动摩擦；另一是颗粒与相邻颗粒脱离咬合而移动，产生咬合摩擦。滑动摩擦是由于颗粒接触面粗糙不平而形成的微细咬合作用，它并不产生明显的体积膨胀。咬合摩擦是由于相邻颗粒对相对移动起约束作用而形成的。因为颗粒相互咬合，阻碍相对移动，颗粒必须首先竖立，跨过相邻颗钮才能移动，所以随着咬合作用的破坏，一般都发生体积增大——即剪脓。通常认为，粘性土的强度由粘聚力和内摩阻力构成，且粘聚力占有重要地位。粘聚力又可分为原始粘聚力和固化粘聚力。原始粘聚力通过土粒之间的相互作用形成，而固化钻聚力是通过土中天然胶结物质的作用而产生的。对于粘性土，含水量对原始粘聚力起决定性作用。粘性土由湿变开始放出松弛结合水后，土粒所固有的、用于形成结合水的分子力起了作用，各颗粒间开始可能有分子引力，也就是说其原始粘聚力开始出现。随着结合水含量的减少，分布在土粒表面很近的结合水层相互接触，再加上离土粒较近的结合水层具有较大的粘滞性，使钻聚力进一步增大。相反，当含水量增加时，由于水膜增厚而产生解离作用和分子力的减弱，致使原始粘聚力降低。固化粘聚力除了有引起原始粘聚力的分子间力和阳离子键以外，还存在着第一价键力(即分子内力)和氢键的作用。固化粘聚力来源于土中原先存在的天然胶结物，包括凝胶和非水镕性盐类。从以上对土体强度构成的分析可知，土体的强度在很大程度上随其含水量的不同而变化，即随土中含水量的增大面强度降低。影响土体强度和水稳定性的土质学原理是什么？通常，土中粘土矿物都具有不同程度的亲水件，水的侵入使其与水发生强烈的相互作用，致使土被周围的结合水模加厚，特别是扩散层中松弛结合水的增多而引起土体膨胀。由于粘土胶粒周围出现厚的结合水膜使土粒疏远，以致脱离相互分子吸力的范围，致使原始粘聚力减弱。此外。形成固化钻聚力的某些水溶性胶结物质遇水后也会溶解，导致固化粘聚力减弱；与此同时，水还起着润滑作用，降低土粘之间的内摩阻力。大量水的浸入最终使土体离散，形成湿坍和水化现象。土体的膨胀性和湿坍性可以用来表征其水稳定性，即土体浸水后其保持力学强度的能力。总之，粘性土遇水后的体积变化和强度变化通常是由于物理作用(润滑)、物理化学作用(吸附)和化学作用(溶解)造成的。物理化学作用与土粒表面的亲水性能有关；化学作用则取决于水对土中防结物的消解能人及其相互发生化学反应的能力。影响土体水稳性的因素主要有土的分散度、土的成分、土中天然胶结物质的性质，以及土体的密实度等。土中粘土胶粒的含量越多，遇水后膨胀越剧烈，强度降低也越多，粘土矿物中蒙脱石类矿物的亲水性强，遇水后膨胀量大；而高岭石类矿物的亲水性较小，遇水膨胀量小；有机质的存在对土体的水稳性不利；吸附阳离子的电价越高，土体的膨胀里越小。水溶性的胶结物遇水后则丧失其胶结能力，抗水性较强的胶结物质受水的影响较小。土体的密实度越大，则孔隙率越小，水不易浸入土体，因而水稳性较好。加固土的基本过程有哪些？加固土时所出现的各种作用过程是非常复杂和多种多样的，视土的性质和结合料的种类不同而异，但可概括为化学过程、物理化学过程和物理力学过程三种。化学过程又可分为结合料自身的化学反应、结合料与土粒之间的化学反应，以及土粒自身的化学反应等三种情况。矿质结合科的水解与硬化反应、高分于化合物的聚合与缩聚反应等均系结合料自身的化学反应；结合料与土粒相互作用生成新的不溶于水的化合物，如石灰与土中活性硅铝矿物作用生成含水硅铝酸钙的反应等用于结合料与土粘之间的化学反应，在高温作用下，土粒缩水再结晶则属于土粒自身的化学反应。物理化学过程主要指土粒对结合料的各种吸附过程，其中物理吸附、物理化学吸附和化学吸附对加固土具有特别重要的意义。物理吸附是在分于力的作用下土粒将结合料吸附在其表面，使其表面自由能得以降低的过程，如土粒对沥青等有机结合料的吸附属物理吸附；物理化学吸附是结合料中的某些成分与土粒表面吸附的阳离于交换的过程，如用某些金属盐类和矿质结合料加固土时均可发生离于交换反应，化学吸附是吸附剂与被吸附物质之间发生化学反应而生成新的不溶性物质，并在吸附剂与被吸附物质之间形成化学键的联系时的反应过程，如当用沥青加固土时，沥青中的表面活性物质与土粒表面所吸附的高价离子之间常发生这种反应过程。物理力学过程主要包括粉碎土团、拌和及压实混合料等过程。根据加固方法的不同，上述的每一过程部可能占主导地位，但是上述三种过程是处于相互联系、彼此配合和相互促进之中的。一般来说，只有产生化学过程和物理化学过程才能使土的强度与稳定性得到根本的改善，而物理力学过程可加速并保证化学程和物理化学过程的充分发生。第五章试述石灰加固土的基本原理。土中掺入石灰后，石灰与土之间发生强烈的相互作用，从而使土的性质发生根本的改变。在初期表现在土的结团、塑性降低、最佳含水量的增大和最大密实度的减小等；后期变化主要表现在结晶结构的形成，从而板体性、强度及稳定性提高。根据目前国内外对石灰加固土强度形成机理的研究成果，可以认为：石灰加入土中后发生一系列的化学反应和物理化学反应，主要有离子交换反应、ca(