天然石材的抗凍性

結(jié)冰現(xiàn)象

結(jié)冰時(shí)巖石的性狀出現(xiàn)一系列變化，對(duì)這些變化，至今仍舊沒(méi)有一個(gè)很明確的科學(xué)解釋。

但是，結(jié)冰的后果卻非常明顯，可導(dǎo)致石材較嚴(yán)重的解體，因水結(jié)成冰，體積增加9%，因而加大了石材微孔中的壓力。

但是這一說(shuō)法也許過(guò)于簡(jiǎn)單。需要進(jìn)行更加深入的分析，才能夠?qū)@一現(xiàn)象有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。

即對(duì)以下方面進(jìn)行分析：

巖石中有與外界相通的微孔，因此可充滿水；而另外一些則與外界隔絕，里面充滿空氣。

這些與外界隔絕的微孔越是比與外界相通的微孔大，冰的作用當(dāng)然也就越大。這種關(guān)系即所謂的“飽和系數(shù)”。

如果“飽和系數(shù)”值大于95%，便構(gòu)成一個(gè)危險(xiǎn)的因素。

結(jié)冰所造成的損壞在很大程度上取決于巖石的微孔結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，微孔越小，結(jié)冰所產(chǎn)生的影響也就越大。

有些學(xué)者還考慮到，在某些壓力條件下，微孔內(nèi)冰碴增長(zhǎng)的理論，而壓力又會(huì)因毛吸現(xiàn)象而加大。時(shí)間長(zhǎng)了，還會(huì)引起更嚴(yán)重的損壞。

隨著時(shí)間的推移，結(jié)冰會(huì)導(dǎo)致石材的老化，這表現(xiàn)為質(zhì)量的減少、聚合力的喪失，以及機(jī)械抗力的下降，最終導(dǎo)致石材破裂。

目前，確定一種石材是否易結(jié)冰，人們經(jīng)常把吸水性作為一個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但吸水性不是唯一的標(biāo)準(zhǔn)，正如有些標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的。

通過(guò)使用汞測(cè)量微孔的技術(shù)對(duì)微孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，在修復(fù)及調(diào)查工作中是一件非常有用的工具。

總而言之，結(jié)冰在石材中引起的變化是非常復(fù)雜的，遠(yuǎn)非通過(guò)一個(gè)吸水試驗(yàn)就機(jī)械地把石材分類為易結(jié)冰或不易結(jié)冰那樣簡(jiǎn)單，就象有時(shí)所使用的標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的那樣。

方法

通過(guò)所謂的結(jié)冰試驗(yàn)來(lái)測(cè)定石材在結(jié)冰時(shí)的性狀是非常普遍的方法。這些試驗(yàn)方法為，讓石材在－15℃的環(huán)境中結(jié)冰，之后在20℃的水中解凍。如此反復(fù)幾次。

總之，在實(shí)驗(yàn)室中模仿自然界中的惡劣條件。

根據(jù)官方氣象站的資料，我們可以獲得三十年來(lái)每天的氣溫變化圖，因而得出在統(tǒng)計(jì)方面具有代表性的、－5℃以下氣溫的年平均值，即所謂的結(jié)冰系數(shù)。

Ig = Σt (－5℃)

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這樣表示的結(jié)冰系數(shù)代表某個(gè)地點(diǎn)一年中結(jié)冰所造成的損壞（Dh）。

如果希望石材在一項(xiàng)工程中有n年的壽命，這期間結(jié)冰所造成的損壞為：

Dh = Ig. n

另外，在實(shí)驗(yàn)室中，氣溫在一個(gè)－15℃的周期所造成的損壞為：

Dl = 15

這意味著，如果想求出和石材使用地點(diǎn)相同的冰損（即結(jié)冰所造成的損 壞），應(yīng)為：

N . D1 = Ig . n

這里的N代表試驗(yàn)周期數(shù)。

總之，能夠得出以下公式：

N = Ig . n

15

這便是我們應(yīng)該向?qū)嶒?yàn)室提供的資料，以便在此基礎(chǔ)上能夠?qū)υ囼?yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)定。

有關(guān)進(jìn)行結(jié)冰試驗(yàn)的歐洲標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有規(guī)定應(yīng)該進(jìn)行幾個(gè)周期的試驗(yàn)，而是讓材料負(fù)責(zé)人自行決定試驗(yàn)周期。

我們認(rèn)為，這是一個(gè)非常有效的方法，因符合實(shí)際情況，而且得到充分印證。

有關(guān)結(jié)冰的UNE現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行具有上述特點(diǎn)的25個(gè)周期試驗(yàn)，之后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，以確定喪失多少質(zhì)量以及試塊對(duì)壓力抗力的減少程度。

不管上述試驗(yàn)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)如何，首先出現(xiàn)的疑問(wèn)是，為什么不多不少恰好是25個(gè)周期？

由此產(chǎn)生了發(fā)展一個(gè)新概念的想法，如結(jié)冰所造成的損壞（Dh）。

結(jié)冰所造成的損壞可以這樣來(lái)解釋，即在一段特定時(shí)間（T）內(nèi)，低于－5℃氣溫的總和（t），或者說(shuō)，氣溫低于零度的時(shí)間之積。

由于函數(shù)t = f(T)是未知的，可用每天氣溫的總和求出一個(gè)平均數(shù)。

即，結(jié)冰所造成的損壞可用以下方式來(lái)表達(dá)：

Dh = Σt (－5℃)

如果知道Dh值，根據(jù)結(jié)冰-解凍這一試驗(yàn)周期的特點(diǎn)，便能夠在實(shí)驗(yàn)室中再現(xiàn)結(jié)冰所造成的損壞，由此解決所提出的疑問(wèn)。

評(píng)定

進(jìn)行了石材使用地及使用年限所要求的周期試驗(yàn)后，就應(yīng)該對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)定了。

為此，可以有不同的方法：

試塊體積減少大于1%即視為損壞。

對(duì)彎曲的抗力下降大于30%即視為損壞。

在一個(gè)初始數(shù)值的基礎(chǔ)上，共振頻率或動(dòng)力彈性模數(shù)減少一定的百分比，也視為損壞。

這最后一種方法不是非常值得推薦的，特別是當(dāng)巖石上有很大的洞孔、裂縫或質(zhì)地不均時(shí)。