張艷聰，高玲玲

(1. 山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室，山西 太原 030006；2. 山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 道路與橋梁工程系，山西 運(yùn)城 044004)

基于基床溫度的水泥路面早齡期應(yīng)力強(qiáng)度比分析

張艷聰1，高玲玲2

(1. 山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室，山西 太原 030006；2. 山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 道路與橋梁工程系，山西 運(yùn)城 044004)

為探究板基床溫度對水泥混凝土路面早齡期開裂的影響，在相同施工環(huán)境條件下向溫度分別為10，15，20，25，30，35 ℃的基床上鋪筑水泥混凝土面層，基于Hiperpav軟件，分別測算鋪筑72 h內(nèi)路面板彎拉強(qiáng)度和最大主應(yīng)力的發(fā)展規(guī)律，并比較其開裂風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明：基床溫度越高，路面板彎拉強(qiáng)度形成越快，結(jié)構(gòu)應(yīng)力出現(xiàn)越早，且強(qiáng)度和應(yīng)力均大于基床溫度較低時(shí)，因此應(yīng)選擇基床溫度較低時(shí)鋪筑水泥混凝土面層；面層澆筑后的48 h內(nèi)，基床溫度差異對路面板結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響遠(yuǎn)大于彎拉強(qiáng)度，因此應(yīng)重視該時(shí)段的外部養(yǎng)生，以降低基床溫度高引起的開裂風(fēng)險(xiǎn)；面層混凝土終凝時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度比達(dá)到第一次峰值，之后，環(huán)境溫度逐漸取代基床溫度成為影響強(qiáng)度應(yīng)力比的主導(dǎo)因素，因此針對基床溫度差異引起的開裂，其控制措施應(yīng)在終凝前施加。

道路工程；基床溫度；應(yīng)力強(qiáng)度比；水泥混凝土路面；早齡期開裂

0 引 言

水泥混凝土路面板產(chǎn)生溫度翹曲的原因源于兩方面：①太陽輻射引起的溫度梯度，主要影響強(qiáng)度已經(jīng)形成的混凝土板；②板頂干縮、水泥水化及板底熱交換引起的固化溫度梯度[1-2]，該溫度梯度雖在硬化過程中產(chǎn)生，但硬化后依然長期存在[3-4]。二者合成的有效溫度梯度是影響水泥混凝土路面板翹曲應(yīng)力的真實(shí)原因。固化溫度梯度的形成在混凝土硬化階段完成，因此面層鋪筑后的72 h是結(jié)構(gòu)開裂的高風(fēng)險(xiǎn)期[5-7]。在這一時(shí)段內(nèi)，早期強(qiáng)度緩慢形成，結(jié)構(gòu)應(yīng)力不斷增大。若強(qiáng)度的提高不足以抵抗應(yīng)力的發(fā)展，路面則容易開裂[8-9]。

F．N．HVEEM等[10-11]認(rèn)為固化溫度梯度在大多情況造成路面板向上翹曲，甚至?xí)霈F(xiàn)板角與基層分離的情況，對路面受荷非常不利；S．A．WELLSA等[12]指出固化翹曲引起路面對角線方向的曲率可以達(dá)到1.24×10-5～4.08×10-5m-1，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致斷板現(xiàn)象；馮德成等[13]利用野外足尺試驗(yàn)路，考慮太陽輻射、養(yǎng)生條件的影響，觀測了硬化階段混凝土路面板的溫度場，并計(jì)算了固化溫度梯度；魏亞等[14]提出了兩種氣溫條件下混凝土面板的固化溫差的計(jì)算方法，并利用有限元分析了固化溫差對翹曲應(yīng)力的影響；胡昌斌等[15]在分析了固化溫差對路面翹曲應(yīng)力的影響基礎(chǔ)上，提出了基于固化基礎(chǔ)溫度和固化溫差的早齡期混凝土路面板溫度場控制原則。

以上研究多以氣溫變化和后期養(yǎng)生條件下的固化溫度梯度及其影響為重點(diǎn)，忽略了混凝土路面板和基床的溫度交換對結(jié)構(gòu)早齡期應(yīng)力的影響。然而在水泥混凝土硬化過程中，基床是混凝土板早期熱量補(bǔ)償或流失的重要源頭，基床在混凝土鋪筑時(shí)的溫度直接影響著路面板的固化翹曲應(yīng)力和開裂風(fēng)險(xiǎn)。鑒于此，筆者基于HIPERPAV軟件，采用太原的典型氣象資料，測算環(huán)境氣溫、養(yǎng)生條件相同時(shí)，面層澆筑時(shí)刻的基床溫度對半剛性基層水泥混凝土路面強(qiáng)度形成階段應(yīng)力發(fā)展的影響，并比較混凝土鋪筑72 h內(nèi)強(qiáng)度和應(yīng)力的變化關(guān)系，以期從基床溫度的角度為路面板早齡期裂縫控制提供參考。

1 模型建立與參數(shù)選擇

1.1 結(jié)構(gòu)模型的建立

路面結(jié)構(gòu)采用Winkler地基上的三維結(jié)構(gòu)模型；E1，E2，μ1，μ2，ρ1，ρ2分別為面層、基層的彈性模量、泊松比和密度；k為地基反應(yīng)模量。面層和基層四邊自由，層間存在摩阻，接觸狀況服從改進(jìn)的Coulomb模型。

1.2 參數(shù)選擇

一般參數(shù)的選取依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，如表1。

表1 一般參數(shù)取值

(續(xù)表1)

參數(shù)取值彈性模量E2/MPa3000泊松比μ20．25導(dǎo)熱系數(shù)β/(W·m-1·k-1)2．25密度ρ2/(kg·m-3)2350

水泥混凝土面層鋸縫前的平面尺寸為5 000 cm×400 cm，鋸縫后平面尺寸為500 cm×400 cm。面層與周圍介質(zhì)的濕熱交換模型參考J．H．JEONG等[16]的研究成果，板頂和板底熱交換引起的溫度變化沿面層混凝土厚度方向線性疊加。面層與基層的接觸參數(shù)由層間剪切試驗(yàn)確定。面層混凝土早齡期力學(xué)行為分析時(shí)，考慮傳力桿對其的影響，傳力桿長度為50 cm，直徑32 mm，泊松比為0.3，彈性模量為200 GPa，傳力桿豎向支撐剛度為1 500 MPa/m。

面層與基層的層間接觸參數(shù)通過頂推試驗(yàn)獲得，層間剪切剛度由最大剪力和剪力拐點(diǎn)對應(yīng)的位移確定。

試驗(yàn)時(shí)，先成型90 cm×90 cm×20 cm的水泥混凝土碎石基層，養(yǎng)生后表面采用乳化瀝青處置，澆筑80 cm×80 cm×26 cm的水泥混凝土面層，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28 d。試件制備完成后，整體置于水平剪切試驗(yàn)槽中，基層通過千斤頂與試驗(yàn)槽四周固定，水平放置的MTS作動器作用在面層側(cè)面，以0.06 mm/min的速率進(jìn)行豎向壓力為3 kN(接地壓力約0.7 MPa)作用下的剪切試驗(yàn)，記錄剪力-位移曲線(圖1)，層間剪切剛度為9.3 kPa/mm。

圖1 剪力-位移曲線Fig.1 Shear-displacement curve

2 對路面板早齡期強(qiáng)度和應(yīng)力影響

2.1 試驗(yàn)方法

為測算基床溫度對水泥混凝土路面板早齡期彎拉強(qiáng)度和應(yīng)力發(fā)展的影響，同時(shí)避免太陽輻射、環(huán)境氣溫、養(yǎng)生方式等其他因素的干擾，試驗(yàn)基于HIPERPAV軟件，采用單因素分析法，向溫度分別為10，15，20，25，30，35 ℃的水泥穩(wěn)定碎石基層上鋪筑相同材料組成的水泥混凝土面層，計(jì)算基床溫度對面層鋪筑72 h內(nèi)的強(qiáng)度和應(yīng)力的影響。

大氣溫度依據(jù)太原市氣象統(tǒng)計(jì)資料給定，某月日小時(shí)平均氣溫變化如圖2。設(shè)定在該月份鋪筑混凝土面層，6種基床溫度下面層的鋪筑時(shí)間均為上午8時(shí)，并在鋪筑完成6 h后同時(shí)采用上覆麻布保水養(yǎng)生的措施進(jìn)行養(yǎng)生，日小時(shí)平均風(fēng)速恒定為9 m/h，云層覆蓋率恒定為50%，澆筑時(shí)面層混凝土溫度均為15 ℃。當(dāng)溫度小時(shí)積達(dá)到200時(shí)，面層開始鋸縫。

圖2 日平均氣溫曲線Fig.2 Daily average temperature curve

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.2.1 基床溫度對路面板早齡期彎拉強(qiáng)度的影響

圖3為6種基床溫度對水泥混凝土路面板早齡期彎拉強(qiáng)度影響的時(shí)變曲線。總體而言，隨齡期的延長，面層彎拉強(qiáng)度不斷增加。澆筑時(shí)基床溫度越高，同齡期的路面板彎拉強(qiáng)度越大，且72 h內(nèi)的強(qiáng)度均高于基床溫度較低者。由圖3可知，基床溫度為35 ℃時(shí)，面層強(qiáng)度平均較10 ℃時(shí)提高約9.92%。

圖3 混凝土面板早齡期彎拉強(qiáng)度時(shí)變曲線Fig.3 Time variation curve of early flexural tensile strength of concrete slab

基床溫度對彎拉強(qiáng)度的形成時(shí)間也有較大影響?；矞囟仍礁?，強(qiáng)度的形成時(shí)間越早，這與基床溫度越高混凝土的終凝時(shí)間越早密不可分。經(jīng)實(shí)測，基床溫度為10 ℃時(shí)，終凝時(shí)間約為5.5 h，基床溫度為35 ℃時(shí)，終凝時(shí)間約為4.5 h。此外，自混凝土澆筑時(shí)刻至水化熱引起的溫度積聚最高(約14 h)時(shí)，早齡期彎拉強(qiáng)度快速增長，且基床溫度越高，增長速度越快。

2.2.2 基床溫度對路面板最大主應(yīng)力的影響

6種基床溫度對水泥混凝土路面板早齡期最大主應(yīng)力影響的時(shí)變曲線如圖4。總體而言，最大主應(yīng)力的發(fā)展主要隨環(huán)境溫度的變化波動起伏，齡期越長，日最大主應(yīng)力越大。

圖4 混凝土面板早齡期應(yīng)力的時(shí)變曲線Fig.4 Time variation curve of early stress of concrete slab

基床溫度對混凝土路面板最大主應(yīng)力的發(fā)展影響較大。當(dāng)齡期相同時(shí)，基床溫度越高，面板的最大主應(yīng)力越大，且均大于基床溫度較低者。由圖4可知，基床溫度為35 ℃時(shí)，面板的日最大主應(yīng)力較10 ℃時(shí)增長約32.8%；對比圖3，面層混凝土澆筑48 h內(nèi)，基床溫度高引起的最大主應(yīng)力增長速度遠(yuǎn)大于彎拉強(qiáng)度。因此日最大主應(yīng)力的發(fā)生時(shí)刻也是路面板早齡期開裂發(fā)生的關(guān)鍵時(shí)段。該時(shí)段內(nèi)混凝土強(qiáng)度仍較低，應(yīng)力發(fā)展迅速，路面結(jié)構(gòu)隨時(shí)面臨開裂的風(fēng)險(xiǎn)。因此，需重視該時(shí)段的外部養(yǎng)生，以降低混凝土路面板面臨的高開裂風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.3 基床溫度對路面板應(yīng)力強(qiáng)度比的影響

為了更加直觀地比較路面板早齡期彎拉強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)展的關(guān)系，分析6種基床溫度下路面板早齡期開裂的風(fēng)險(xiǎn)，繪制鋪筑后72 h內(nèi)路面應(yīng)力強(qiáng)度比的時(shí)變曲線如圖5。

圖5 混凝土面板應(yīng)力強(qiáng)度比的時(shí)變曲線Fig.5 Time variation curve of stress-strength ratio of concrete slab

混凝土終凝時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度比達(dá)到第1次峰值，且基床溫度越高，應(yīng)力強(qiáng)度比峰值越大，開裂風(fēng)險(xiǎn)越高。以基床溫度為35 ℃的路面板為例，其應(yīng)力強(qiáng)度比較10 ℃的高約72%。因此，選擇基床溫度較低時(shí)鋪筑混凝土面層，有利于預(yù)防路面板早齡期開裂。

此后，應(yīng)力強(qiáng)度比的時(shí)變曲線主要隨環(huán)境溫度的變化而波動，峰值出現(xiàn)的時(shí)間較環(huán)境溫度峰值滯后約3 h，但仍受基床溫度的影響。當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度比達(dá)到第3次峰值(齡期為44 h)時(shí)，基床溫度為35 ℃的面板的應(yīng)力強(qiáng)度比為0.81，較10 ℃的高約17.4%，當(dāng)達(dá)到第4次峰值時(shí)，高約13.5%?？梢?，面層混凝土終凝時(shí)，基床溫度對應(yīng)力強(qiáng)度比的影響最大，之后環(huán)境溫度逐漸取代基床溫度成為其主導(dǎo)因素。因此，針對基床溫度引起的開裂，其控制措施應(yīng)在終凝前施加，終凝后路面板開裂的應(yīng)對方案應(yīng)主要針對環(huán)境溫度與水化熱的疊加效應(yīng)設(shè)計(jì)。

3 結(jié) 論

1)基床溫度對水泥混凝土路面板的早齡期彎拉強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)應(yīng)力存在較大影響。基床溫度越高，彎拉強(qiáng)度形成越快、結(jié)構(gòu)應(yīng)力出現(xiàn)越早，基床溫度高的強(qiáng)度和應(yīng)力均大于低的。為降低水泥混凝土路面板早齡期開裂風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)選擇基床溫度較低時(shí)鋪筑水泥混凝土面層。

2)混凝土澆筑后的48 h內(nèi)，基床溫度高引起的最大主應(yīng)力增長速度遠(yuǎn)大于彎拉強(qiáng)度。因此，日最大主應(yīng)力的發(fā)生時(shí)刻也是路面板發(fā)生開裂的高危時(shí)刻。該時(shí)段內(nèi)混凝土強(qiáng)度仍較低，應(yīng)力發(fā)展迅速，路面結(jié)構(gòu)隨時(shí)面臨開裂的風(fēng)險(xiǎn)，因此需重視該時(shí)段的外部養(yǎng)生，以降低基床溫度高引起的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

3)面層混凝土終凝時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度比達(dá)到第1次峰值，此時(shí)，基床溫度是造成強(qiáng)度應(yīng)力比差異的主要原因，之后，環(huán)境溫度逐漸取代基床溫度成為影響應(yīng)力強(qiáng)度比的主導(dǎo)因素。因此，對于基床溫度差異引起的開裂，其控制措施應(yīng)在終凝前施加，終凝后的開裂應(yīng)對方案應(yīng)主要針對環(huán)境溫度與水化熱的疊加效應(yīng)設(shè)計(jì)。

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Stress-Strength Ratio of Cement Pavement at Early Age Based on Base Temperature

ZHANG Yancong1, GAO Lingling2

(1. Key Laboratory of Highway Construction & Maintenance in Loess Region, Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan 030006, Shanxi, P.R.China; 2. Department of Road & Bridge Engineering, Shanxi Conservancy Technical Institute, Yuncheng 044004, Shanxi, P.R.China)

In order to explore the effect of base temperature on early cracking of concrete pavement slabs, the cement concrete surface was paved in the same construction environment on six kinds of bases whose temperature was 10, 15, 20, 25, 30, 35 ℃, and the development rules of flexural tensile strength and maximum principal stress of concrete slabs within 72 h after the pavement were calculated respectively based on the software Hiperpav. And the risks of cracking were also compared. The results show that: the higher the base temperature, the faster forming of slab flexural tensile strength and the earlier the structure stress; moreover, the strength and stress of slab in higher temperature are greater than in lower temperature; so, it is better to pave cement concrete surface when the base temperature is lower. Within 48 hours after paving, the impact of base temperature difference on structure stress is much greater than flexural tensile strength; so, the outside curing in this period should be paid attention in order to reduce the risk of cracking caused by the high base temperature. The stress-strength ratio reaches the first peak when the surface concrete is finally coagulated; and then, the ambient temperature replaces the base temperature and gradually becomes the dominant factor affecting the stress-strength ratio. Therefore, the control measures against the cracking caused by base temperature difference should be applied before the final coagulation.

highway engineering; base temperature; stress-strength ratio; cement concrete pavement; early cracking

2015-04-17；

2015-09-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51308329)；山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013011027-1,2015021115)；山西省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(2013-1-10,2015-1-26)

張艷聰(1985—)，男，河南魯山人，工程師，博士研究生，主要從事路面結(jié)構(gòu)與新材料方面的研究。E-mail：zuoyouan103@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.08

U416

A

1674-0696(2016)06-034-04