结冰时石材的性状

撰文:Fernando López Mesones

结冰现象

结冰时岩石的性状出现一系列变化,对这些变化,至今仍旧没有一个很明确的科学解释。
但是,结冰的后果却非常明显,可导致石材较严重的解体,因水结成冰,体积增加9%,因而加大了石材微孔中的压力。
但是这一说法也许过于简单。需要进行更加深入的分析,才能够对这一现象有一个全面的认识。
即对以下方面进行分析:
岩石中有与外界相通的微孔,因此可充满水;而另外一些则与外界隔绝,里面充满空气。

  • 这些与外界隔绝的微孔越是比与外界相通的微孔大,冰的作用当然也就越大。这种关系即所谓的“饱和系数”。
  • 如果“饱和系数”值大于95%,便构成一个危险的因素。
  • 结冰所造成的损坏在很大程度上取决于岩石的微孔结构。一般来说,微孔越小,结冰所产生的影响也就越大。
  • 有些学者还考虑到,在某些压力条件下,微孔内冰碴增长的理论,而压力又会因毛吸现象而加大。时间长了,还会引起更严重的损坏。
  • 随着时间的推移,结冰会导致石材的老化,这表现为质量的减少、聚合力的丧失,以及机械抗力的下降,最终导致石材破裂。
  • 目前,确定一种石材是否易结冰,人们经常把吸水性作为一个技术标准,但吸水性不是唯一的标准,正如有些标准所规定的。
  • 通过使用汞测量微孔的技术对微孔结构进行研究,在修复及调查工作中是一件非常有用的工具。

总而言之,结冰在石材中引起的变化是非常复杂的,远非通过一个吸水试验就机械地把石材分类为易结冰或不易结冰那样简单,就象有时所使用的标准中所规定的那样。

方法
通过所谓的结冰试验来测定石材在结冰时的性状是非常普遍的方法。这些试验方法为,让石材在-15℃的环境中结冰,之后在20℃的水中解冻。如此反复几次。
总之,在实验室中模仿自然界中的恶劣条件。
根据官方气象站的资料,我们可以获得三十年来每天的气温变化图,因而得出在统计方面具有代表性的、-5℃以下气温的年平均值,即所谓的结冰系数。

Ig = Σt (5)
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这样表示的结冰系数代表某个地点一年中结冰所造成的损坏(Dh)。
如果希望石材在一项工程中有n年的寿命,这期间结冰所造成的损坏为:

Dh = Ig. n

另外,在实验室中,气温在一个-15℃的周期所造成的损坏为:

Dl = 15

这意味着,如果想求出和石材使用地点相同的冰损(即结冰所造成的损 坏),应为:

N . D1 = Ig . n

这里的N代表试验周期数。

总之,能够得出以下公式:

N = Ig . n
15

这便是我们应该向实验室提供的资料,以便在此基础上能够对试验结果进行评定。
有关进行结冰试验的欧洲标准没有规定应该进行几个周期的试验,而是让材料负责人自行决定试验周期。
我们认为,这是一个非常有效的方法,因符合实际情况,而且得到充分印证。
有关结冰的UNE现行标准规定进行具有上述特点的25个周期试验,之后对试验结果进行评定,以确定丧失多少质量以及试块对压力抗力的减少程度。
不管上述试验的评定标准如何,首先出现的疑问是,为什么不多不少恰好是25个周期?
由此产生了发展一个新概念的想法,如结冰所造成的损坏(Dh)。
结冰所造成的损坏可以这样来解释,即在一段特定时间(T)内,低于-5℃气温的总和(t),或者说,气温低于零度的时间之积。
由于函数t = f(T)是未知的,可用每天气温的总和求出一个平均数。
即,结冰所造成的损坏可用以下方式来表达:

Dh = Σt (-5℃)

如果知道Dh值,根据结冰-解冻这一试验周期的特点,便能够在实验室中再现结冰所造成的损坏,由此解决所提出的疑问。

评定
进行了石材使用地及使用年限所要求的周期试验后,就应该对试验结果进行评定了。
为此,可以有不同的方法:

  • 试块体积减少大于1%即视为损坏。
  • 对弯曲的抗力下降大于30%即视为损坏。
  • 在一个初始数值的基础上,共振频率或动力弹性模数减少一定的百分比,也视为损坏。

这最后一种方法不是非常值得推荐的,特别是当岩石上有很大的洞孔、裂缝或质地不均时。