胡昌斌, 孫增華, 王麗娟

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

近年來，關(guān)于混凝土和路面板早齡期行為影響的路面板分析理論引起學(xué)界注意.研究發(fā)現(xiàn)，以往預(yù)估水泥混凝土路面性能方面，除了早期開裂，還存在早齡期固化形成的初始性狀影響，即指路面鋪筑后28 d內(nèi)路面板固化的初始性狀[1].研究顯示，這些面板早齡期性狀是預(yù)估水泥混凝土路面后期性能的基準(zhǔn)關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)路面服役性能有顯著影響[2].

學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在施工階段，由于特定不均勻的溫濕度場(chǎng)、水泥水化、邊界條件和自重約束的綜合作用，還會(huì)在路面板上形成初始固化變形[3-4]、初始內(nèi)應(yīng)力[5-6]、初始平整度[7-8]、接縫初始張開寬度[9]，并記憶溫濕梯度和初始熱力學(xué)參數(shù)基準(zhǔn)值等一系列早齡期基準(zhǔn)性狀.這些早齡期性狀會(huì)與服役階段的環(huán)境場(chǎng)、交通荷載共同作用，對(duì)路面力學(xué)行為和破壞模式產(chǎn)生顯著和復(fù)雜的影響[2, 10].以固化翹曲為例，Hansen等[3]研究發(fā)現(xiàn)，高溫夏季鋪筑的路面相比秋季將形成更大的早齡期初始固化翹曲，直接引起面板板底脫空，在疊加服役期溫度場(chǎng)與車輛荷載后，影響水泥混凝土路面的破壞模式和量級(jí).美國(guó)路面長(zhǎng)期性能 (long term pavement performance, LTPP) 項(xiàng)目研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析顯示，施工季節(jié)對(duì)面板裂縫數(shù)量影響顯著[11].

由于早齡期理論顯示出的潛在研究?jī)r(jià)值，近年來研究學(xué)者們?cè)诖朔矫骈_展了大量研究.綜合路面早齡期理論研究歷程，目前主要有4個(gè)方面的研究： ① 面板早齡期的性狀觀察； ② 早齡期理論的概念構(gòu)建； ③ 早齡期行為仿真分析技術(shù)研究； ④ 早齡期性狀參數(shù)反演與理論應(yīng)用.隨著研究的積累，水泥混凝土路面早齡期整體理論與系統(tǒng)技術(shù)的構(gòu)建逐漸成為可能.鑒于此，本研究從早齡期理論構(gòu)架、研究方法、機(jī)制及應(yīng)用等方面對(duì)目前路面早齡期分析理論的研究進(jìn)展進(jìn)行歸納闡述，以期為水泥混凝土路面早齡期行為理論的建立與應(yīng)用提供支持.

1 路面板早齡期性狀的實(shí)踐觀察

1.1 早齡期性狀實(shí)踐觀察歷程

水泥混凝土路面板為薄板結(jié)構(gòu)，極易受到環(huán)境條件影響.此外，施工環(huán)境條件、工藝、混凝土材料、結(jié)構(gòu)等因素對(duì)路面板早齡期病害的形成均有影響.從實(shí)踐中觀察到早齡期病害主要有早期塑性開裂、干縮開裂、溫度應(yīng)力開裂、剝落等.除了可見病害以外，路面早齡期理論認(rèn)為對(duì)長(zhǎng)期性能影響的還有早齡期性狀.研究發(fā)現(xiàn)，在施工階段路面板會(huì)形成初始固化變形、初始內(nèi)應(yīng)力、初始平整度、接縫初始張開寬度等早齡期基準(zhǔn)性狀，這些早齡期性狀會(huì)與服役階段的環(huán)境場(chǎng)、交通荷載共同作用，對(duì)路面力學(xué)行為和破壞模式產(chǎn)生顯著和復(fù)雜的影響[2, 10].表1對(duì)反映路面板早齡期性狀及其影響實(shí)踐觀察歷程的文獻(xiàn)進(jìn)行了回顧.

表1 早齡期性狀及其影響的實(shí)踐觀察歷程

分析顯示，對(duì)早齡期性狀實(shí)踐觀察大致可分為如下幾個(gè)階段.

1) 直接力學(xué)性狀實(shí)踐觀察.早期研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，服役期面板在環(huán)境場(chǎng)下帶有初始的翹曲和不平整度[13-15].這個(gè)初始不平度會(huì)引起面板板角脫空，采用等效板頂板底溫度差反演量級(jí)，可達(dá)-5 ℃.此階段，研究學(xué)者更多關(guān)注環(huán)境場(chǎng)下面板平整度的實(shí)踐觀察.

2) 復(fù)雜早齡期性狀概念構(gòu)建與觀察.1998年，學(xué)者研究認(rèn)為面板早齡期將固化形成初始的基準(zhǔn)性狀參數(shù)，Yu和Khazanovich等[18-19]對(duì)其定義了“固化翹曲”(built-in curling)概念，并認(rèn)為固化基準(zhǔn)性狀疊加服役期車輛荷載，對(duì)面板破壞模式影響顯著.此階段，研究學(xué)者主要開展固化翹曲形成機(jī)制、性狀觀察研究，并構(gòu)造了早齡期固化翹曲等簡(jiǎn)化參數(shù)，開展了參數(shù)反演與應(yīng)用研究[1-4, 10, 18-19].研究發(fā)現(xiàn)，面板早齡期除了固化翹曲，還會(huì)在內(nèi)部形成初始的殘余應(yīng)力，該初始?xì)堄鄳?yīng)力對(duì)面板強(qiáng)度存在折減作用[5, 21].由于應(yīng)力的不可直接測(cè)量特性，對(duì)殘余應(yīng)力的實(shí)踐觀察存在困難，有學(xué)者采用機(jī)械應(yīng)力釋放方法，但該方法目前還處于探索階段[5, 21].

3) 早齡期性狀演化行為觀察.由于簡(jiǎn)化參數(shù)無法表達(dá)早齡期全過程固化演化特征，此階段研究人員開展了面板早齡期全時(shí)程、全過程、全面板翹曲行為的試驗(yàn)和數(shù)值仿真研究[22-23].此階段主要關(guān)注早齡期固化參數(shù)演化行為，尋求對(duì)早齡期固化行為的更貼切表達(dá)與理論應(yīng)用.

4) 同時(shí)，目前在早齡期性狀參數(shù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性觀察及其對(duì)路面服役性能影響研究等方面，也是學(xué)者們的研究熱點(diǎn)[23].

1.2 早齡期性狀試驗(yàn)測(cè)試與觀察

混凝土面板早齡期性狀的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)觀察主要包括混凝土路面環(huán)境場(chǎng)、面板早齡期變形與應(yīng)力等方面，近年來主要進(jìn)展如下.

1.2.1 早齡期施工環(huán)境場(chǎng)與溫、濕度場(chǎng)

施工早齡期面板環(huán)境場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)主要包含施工氣象條件監(jiān)測(cè)、面板溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)等.

1) 環(huán)境氣象的監(jiān)測(cè)主要采用自動(dòng)氣象站，可監(jiān)測(cè)氣溫、環(huán)境濕度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射等.

2) 混凝土面板早齡期溫度場(chǎng)大多采用熱電偶測(cè)量，傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)比較成熟.研究發(fā)現(xiàn)，鋪筑結(jié)束后面板由于水化熱存在升溫階段，約持續(xù)6～14 h后溫度下降.后期面板溫度隨環(huán)境氣溫而發(fā)生晝夜周期變化，一般正午左右溫度達(dá)最大值，凌晨達(dá)最小值.溫度變化量級(jí)與施工環(huán)境場(chǎng)、鋪筑時(shí)間、配合比、水泥組分、集料類型等因素有關(guān)[24].

3) 路面混凝土早齡期濕度監(jiān)測(cè)結(jié)果與測(cè)試技術(shù)及傳感器精度密切相關(guān).濕度監(jiān)測(cè)傳感器主要有冷鏡式露點(diǎn)濕度傳感器、電容式濕度傳感器、濕敏傳感器等.如HM1500LF和M200等探頭式傳感器、SHT75濕度傳感器、紐扣式濕度傳感器等，如圖1所示.濕度監(jiān)測(cè)一般結(jié)論認(rèn)為，早齡期面板濕度場(chǎng)變化依次經(jīng)歷水汽飽和期、下降期和波動(dòng)期； 濕度存在晝夜周期變化，變化趨勢(shì)與環(huán)境濕度變化相近，與氣溫變化相反[24-26].

圖1 不同濕度傳感器[24-28]Fig.1 Different types of moisture sensors[24-28]

由于采用的傳感器不同，早齡期濕度監(jiān)測(cè)結(jié)論也存在一定差異.① 有學(xué)者認(rèn)為面板內(nèi)部濕度變化受溫度影響較小，可忽略不計(jì)[24]； 但也有監(jiān)測(cè)表明，面板內(nèi)部濕度與溫度變化呈相反變化趨勢(shì)，內(nèi)部溫度變化對(duì)濕度有一定影響[25-26].② 有研究發(fā)現(xiàn)面板距表面5 cm或一定深度以下為飽和狀態(tài)[27]； 但也有監(jiān)測(cè)表明，面板干燥深度存在于全面板厚度，即板底也會(huì)發(fā)生濕度下降[28].③ 有研究發(fā)現(xiàn)面板板頂濕度始終低于板底，呈負(fù)濕度梯度[29]； 但也有監(jiān)測(cè)顯示，一天中面板板頂板底濕度差也會(huì)呈現(xiàn)正負(fù)交替[28, 30].除了采用不同濕度傳感器的原因外，以上研究表明，面板內(nèi)部濕度除了與水分的遷移擴(kuò)散有關(guān)，還受內(nèi)部溫度變化的耦合影響.

對(duì)比溫濕度監(jiān)測(cè)技術(shù)可以看到，溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)較成熟，而濕度場(chǎng)的測(cè)試技術(shù)和試驗(yàn)方法一直在不斷改進(jìn).不同研究學(xué)者采用的濕度傳感器不同，以致出現(xiàn)早齡期濕度監(jiān)測(cè)結(jié)論不同.沿面板厚度方向溫度與濕度梯度是混凝土面板早齡期變形的主要驅(qū)動(dòng)力，二者一般使面板呈現(xiàn)相反翹曲形狀，在早齡期互相抵消.但由于熱膨脹系數(shù)大于濕度變形系數(shù)，一般面板溫度翹曲更為明顯.

1.2.2 早齡期面板變形行為

不同學(xué)者開展的面板早齡期變形行為試驗(yàn)監(jiān)測(cè)研究主要有兩類.

一類是設(shè)計(jì)不同工況，開展不同施工條件(如養(yǎng)護(hù)方式、施工時(shí)段等)下的面板早齡期翹曲、脫粘、接縫寬度的性狀研究及其影響因素分析.如美國(guó)聯(lián)邦公路局Mccullough等[31](1994-1996)，Schell等[32](1998-1999)、Zollinger等[24](2004)、馮德成等[33](2010)、王麗娟等[23]開展的早齡期面板變形相關(guān)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)等，統(tǒng)計(jì)如表2所示.

表2 早齡期路面板環(huán)境場(chǎng)與變形監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)

另一類是監(jiān)測(cè)面板早齡期溫濕度場(chǎng)與服役期翹曲變形，開展基于有限元的早齡期性狀參數(shù)的反演研究.如Kim[26]、孫華斌[39]等.

對(duì)水泥混凝土路面早齡期變形行為的監(jiān)測(cè), 雖然從1994年至今已有二十多年，但相關(guān)研究成果與監(jiān)測(cè)技術(shù)息息相關(guān)，進(jìn)展十分緩慢.尤其在路面板全面板的翹曲變形方面，早期大多學(xué)者采用千分表進(jìn)行面板的有限單點(diǎn)監(jiān)測(cè)，千分表存在需設(shè)立支架，且易受擾動(dòng)、精度低等問題.隨著線性可變差動(dòng)變壓器(linear variable differential transformer, LVDT)的使用，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)讀數(shù)，提高了試驗(yàn)效率，但LVDT仍需設(shè)立支架，且支架在環(huán)境場(chǎng)下的變形誤差對(duì)于高精度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)不可忽視.

2017年福州大學(xué)[23]采用全面板多點(diǎn)布置豎向設(shè)置振弦式應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)豎向位移的方法，對(duì)夏季現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)路面板進(jìn)行早齡期應(yīng)變和全面板位移監(jiān)測(cè)，成功得到了面板早齡期三維翹曲形狀的完整漸變演化過程.研究發(fā)現(xiàn)早齡期翹曲形狀中存在馬鞍形中間態(tài)翹曲，隨著齡期增長(zhǎng)逐漸被“凸型”翹曲代替.試驗(yàn)觀察證實(shí)，面板早齡期零溫度梯度時(shí)刻以板角翹曲為主，總體固化向上板角翹曲形狀.

此外，在應(yīng)力監(jiān)測(cè)方面，目前主要的技術(shù)是無應(yīng)力瓦(或無應(yīng)力圓筒)裝置[30]，其原理是采用應(yīng)變與變形傳感器，從應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果中剝離溫、濕度引起體積變形，并通過理論公式考慮徐變松弛，計(jì)算獲得面板應(yīng)力.以上應(yīng)力測(cè)量方法其中包含了許多誤差.如何直接剝離溫、濕度引起的體積變形，考慮徐變松弛，對(duì)面板早齡期復(fù)雜綜合參數(shù)進(jìn)行全時(shí)程直接監(jiān)測(cè)十分困難.

隨著技術(shù)的發(fā)展，采用分布式光纖、壓電骨料、微型土壓力盒等傳感技術(shù)，結(jié)合無線傳輸[40]與大數(shù)據(jù)分析，可為進(jìn)一步開展早齡期性狀的實(shí)踐觀察、試驗(yàn)及仿真技術(shù)開發(fā)與參數(shù)反演研究提供新的途徑.

2 路面板早齡期性狀的概化與參數(shù)表達(dá)

2.1 混凝土早齡期熱物理力學(xué)參數(shù)

路面混凝土基本熱學(xué)參數(shù)包括水化熱、比熱容、導(dǎo)熱率、熱擴(kuò)散系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等.這些參數(shù)對(duì)于研究早齡期水化熱引起的路面混凝土的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變分布和溫度開裂十分重要.通常混凝土的熱學(xué)性質(zhì)反映水泥漿(包括水泥，水，化學(xué)添加劑)和集料，以及那些依賴于混合比例和成分類型的物質(zhì)[41].

目前路面混凝土早期力學(xué)性能參數(shù)主要關(guān)注抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量、徐變、泊松比等，與面板抗斷裂性能息息相關(guān)的沖擊韌性和斷裂力學(xué)參數(shù)由于理論研究薄弱，仍有待進(jìn)一步加強(qiáng).其中，徐變?cè)谄胶饴访姘宄跗谧冃魏蛢?nèi)應(yīng)力時(shí)起到至關(guān)重要的作用.現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，路面早齡期性狀在徐變作用下存在顯著的演變現(xiàn)象.監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)表明，在徐變、干縮和結(jié)構(gòu)約束的綜合作用下，路面板施工階段形成的應(yīng)力和翹曲變形性狀，在施工后長(zhǎng)達(dá)2年內(nèi)都呈現(xiàn)出顯著的松弛演變現(xiàn)象[24].路面混凝土徐變特性方面的研究發(fā)現(xiàn)，同一加載齡期下路面混凝土的壓縮徐變比普通混凝土的小約20%，比高強(qiáng)混凝土的大約40%[42]，且徐變主要受混凝土組分、水分遷移、溫度、濕度條件、加載齡期、加載時(shí)間以及應(yīng)力水平影響.

早齡期混凝土力學(xué)性能很大程度上依賴水化水泥的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展，是水化度的函數(shù)，受多種因素的綜合影響，如配合比、水灰比、齡期、養(yǎng)生條件和加載速率的影響.各個(gè)力學(xué)性質(zhì)發(fā)展的速度并不一樣，且涉及不同尺度轉(zhuǎn)換，明確這些力學(xué)特性的耦合關(guān)系尚需諸多研究工作.

2.2 結(jié)構(gòu)早齡期性狀概化與參數(shù)

早齡期理論認(rèn)為，由于早齡期水泥水化、不均勻溫濕度場(chǎng)、邊界條件和自重約束的綜合作用，路面混凝土?xí)诿姘褰Y(jié)構(gòu)上形成一系列早齡期基準(zhǔn)性狀，目前概化的一般參數(shù)有早齡期干燥收縮、接縫性狀、固化溫度、固化翹曲、固化殘余應(yīng)力等.

2.2.1 早齡期干燥收縮、濕度卷曲與接縫性狀

研究發(fā)現(xiàn)，路面混凝土早齡期濕度收縮存在顯著特性，其24 h齡期內(nèi)的收縮占整個(gè)早齡期階段(齡期28 d內(nèi))收縮總量的一半以上[43].早齡期干縮變形主要受總濕度損失、蒸發(fā)率、泌水等因素影響.因此，與此相關(guān)的混凝土水泥組分、水灰比、骨料、環(huán)境養(yǎng)護(hù)條件等均對(duì)混凝土面板早齡期淺部干縮有影響.

在一般工作環(huán)境下，板表面往往容易干燥，但在距板頂50 mm以下將保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的高水平濕度.淺部的干燥將導(dǎo)致板頂收縮，從而致使板向上卷曲.Khazanovich等[18]認(rèn)為面板施工階段淺部干縮為永久的不可逆干縮分量.板頂和板底之間不可逆的干縮差產(chǎn)生了板深方向永久的收縮變形差，這就導(dǎo)致了路面板的永久卷曲(warping).

此外，研究顯示縫寬嚴(yán)重影響傳荷能力和衰減特性，接縫的張開爬移將減弱接縫處的荷載傳遞能力.早齡期的接縫張開量基本受路面溫濕度改變的影響和混凝土的溫度收縮系數(shù)、干縮、基層約束等控制[9].混凝土配合比設(shè)計(jì)也決定了接縫的寬度、接縫集料嵌鎖的有效性，其中大粒徑、硬度高集料對(duì)于傳遞荷載更有效.縮縫寬度不僅和施工環(huán)境、凝固溫度密切相關(guān)，同時(shí)會(huì)隨著季節(jié)變化收縮爬移，重新分布彼此之間的寬度，改變路面接縫傳荷能力和結(jié)構(gòu)支撐狀態(tài)[9].

2.2.2 固化溫度差與固化基礎(chǔ)溫度

圖2 夏季上午施工面板固化溫度概念示意圖 Fig.2 Diagram of built-in temperature for slab constructed in summer morning

以夏季早晨鋪筑的路面板為例，終凝時(shí)刻往往存在很高的正溫度差和板底平均溫度[2].終凝時(shí)刻面板是平的，卻存在基準(zhǔn)的終凝溫度梯度，與此后面板環(huán)境溫度的作用產(chǎn)生相反疊加影響，近似于面板記憶了一個(gè)負(fù)凝固時(shí)刻溫度梯度，這個(gè)即早齡期分析理論所指的固化溫度[1-3, 18-19].固化溫度一般可分為固化溫度差和固化平均溫度兩部分.圖2以夏季施工面板為例，給出了早期固化溫度差的概念示意圖.基于早齡期固化溫度差概念，圖中顯示面板板頂板底固化溫度差量級(jí)近似為-(t1-t2).固化平均溫度則為終凝板底溫度的負(fù)值(-t2).面板為零溫度差(板頂板底均為t5)時(shí)刻，由于施工固化溫度影響，面板呈翹曲狀態(tài).

研究發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)施工面板早齡期存在不同固化溫度差，其中高海拔地區(qū)由于晝夜溫度差較大，施工后面板早齡期固化溫度差也顯著大于其它地區(qū)[23].固化平均溫度主要與拌合料初始溫度相關(guān)，基本反映的是當(dāng)?shù)厥┕鉁靥卣?不同的固化溫度特征疊合當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境，對(duì)面板服役階段的翹曲和脫空會(huì)產(chǎn)生明顯影響.

2.2.3 固化翹曲

1998年，Yu和Khazanovich等[18-19]提出了“固化翹曲”(built-in curling)概念，通過觀察和總結(jié)，他們認(rèn)為路面板服役階段產(chǎn)生的翹曲可歸因于5個(gè)非線性分量的綜合作用，如表3所示.

表3 水泥混凝土路面板翹曲分量組成

Khazanovich等[18-19]認(rèn)為隨著沿板深溫度梯度和濕度梯度的變化，面板翹曲每天循環(huán)變化，固化溫度差、凝固階段的干縮和徐變這3個(gè)早齡期分量引起的翹曲在后期變化很小，但占路面總翹曲的比重卻很大，因此該3個(gè)分量產(chǎn)生的翹曲可稱為“固化翹曲”.為方便固化翹曲的反演，通常將服役期板頂板底溫度差分量剝離，剩余4個(gè)分量采用有效固化溫度差(effective built-in temperature difference, EBITD)參數(shù)表達(dá).

研究表明，固化翹曲是面板施工階段凝固時(shí)形成的固化溫度差、面板淺部的不可逆干縮和徐變的綜合反映，對(duì)面板支承與脫空狀態(tài)、破壞模式、平整度、結(jié)構(gòu)界面力學(xué)反應(yīng)等路面長(zhǎng)期性能有顯著影響，是路面板早齡期性狀中的關(guān)鍵參數(shù)[1-2].

文獻(xiàn)[23]從早齡期多參數(shù)耦合演化角度，對(duì)固化翹曲的形成與演化特征及其對(duì)服役階段性能的影響展開深入研究.研究顯示，由于早齡期因素的多次循環(huán)綜合消減作用，路面施工28 d后面板會(huì)總體形成始終向上的固化翹曲.此階段的固化翹曲量級(jí)與凝結(jié)固化階段量級(jí)也有所不同.

2.2.4 固化殘余應(yīng)力

路面板早齡期固化殘余應(yīng)力由固化應(yīng)力和硬化殘余應(yīng)力兩個(gè)部分組成.早齡期固化應(yīng)力指的是混凝土從流塑態(tài)到固態(tài)的過程中，由于水化速率和凝固溫度不同，出現(xiàn)了膨脹和收縮不均勻，而固化產(chǎn)生的不均勻內(nèi)應(yīng)力.固化應(yīng)力是由水泥水化過程中的凝結(jié)固化不均勻場(chǎng)誘發(fā)的，在面板整體結(jié)構(gòu)中形成不均勻應(yīng)力分布，主要發(fā)生在混凝土初凝階段.在混凝土面板初凝之后的硬化階段，由于環(huán)境場(chǎng)、非線性彈性模量增長(zhǎng)、早期徐變損傷的影響，混凝土面板不均勻膨脹、收縮而形成內(nèi)應(yīng)力，該應(yīng)力稱為硬化殘余應(yīng)力.

以往研究將固化應(yīng)力與硬化階段殘余應(yīng)力統(tǒng)稱為“固化殘余應(yīng)力”.1990年，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(FAA)在ASTM E837-95基礎(chǔ)上，提出了采用鉆孔-應(yīng)變法測(cè)量混凝土機(jī)場(chǎng)道面固化殘余應(yīng)力方法.隨后，Hung等[44]、Pessiki等[45]、Castaneda等[6]、李新凱等[5, 21]也對(duì)路面板殘余應(yīng)力的機(jī)械應(yīng)力釋放反演方法進(jìn)行了各種嘗試.路面板為薄板結(jié)構(gòu)，環(huán)境場(chǎng)與齡期的耦合影響, 材料的不均勻特性如凝結(jié)固化、收縮膨脹與模量分布不均勻等，使得固化殘余應(yīng)力形成與松弛機(jī)制復(fù)雜，目前仍有待揭示.

2.2.5 路面板早齡期參數(shù)概化構(gòu)建與穩(wěn)定性研究

1) 構(gòu)建早齡期參數(shù)方面.構(gòu)建參數(shù)都是為早齡期性狀和行為刻畫服務(wù)的，所定義的參數(shù)類型和深度反映的是當(dāng)前的研究狀態(tài).目前所采用的早齡期行為理論構(gòu)造參數(shù)大多為單一因素、或多因素的簡(jiǎn)化表達(dá)參數(shù)，在描述面板早齡期性狀還存在一些偏差.參數(shù)的構(gòu)造是為了充分表達(dá)早齡期性狀，而某一性狀也可由多類參數(shù)進(jìn)行表征.例如，水泥混凝土路面早齡期固化殘余應(yīng)力性狀，可以采用面板7 d最大殘余應(yīng)力、28 d最大殘余應(yīng)力等直觀簡(jiǎn)化參數(shù)，也可采用殘余應(yīng)力等效溫度差、殘余應(yīng)力分布函數(shù)等二次計(jì)算參數(shù).深入開展早齡期參數(shù)系的概念構(gòu)造和理論研究，基于多尺度分析方法，考慮早齡期性狀的水化、固化、硬化形成演化過程，構(gòu)造參數(shù)系對(duì)面板早齡期復(fù)雜性狀進(jìn)行表征，對(duì)進(jìn)一步提升早齡期理論發(fā)展十分重要.

2) 早齡期參數(shù)的穩(wěn)定性和演化.學(xué)者們同時(shí)也對(duì)早齡期參數(shù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性十分關(guān)注[22-23].李丞斌[22]試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，早齡期固化應(yīng)力中早期應(yīng)力的比例最大，且存在時(shí)間長(zhǎng).王麗娟等[23]對(duì)早齡期參數(shù)28 d的連續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)，早齡期性狀的影響是多方面的，如引起面板板中隆起的早齡期固化翹曲將在施工后2～3 d顯著衰減，但引起的面板固化板角翹曲則會(huì)不斷積累，最終在服役期增大面板板角翹曲，影響面板服役性能.此外，王麗娟構(gòu)造了路面板第28 d早齡期性狀影響參數(shù)N-EB28，通過對(duì)不同地區(qū)路面板的早齡期性狀影響參數(shù)N-EB28量級(jí)的觀察，發(fā)現(xiàn)其具有明顯的長(zhǎng)期穩(wěn)定性[23].

3 路面板早齡期行為仿真分析技術(shù)研究

3.1 國(guó)外早齡期力學(xué)性狀仿真研究

國(guó)外目前可考慮混凝土早齡期力學(xué)性狀的分析程序主要有HIPERPAV、荷蘭DIANA、伊利諾伊大學(xué)的ICON自編程序.

1) HIPERPAV程序.1996年美國(guó)聯(lián)邦公路局開發(fā)的HIPERPAV是最早的可以模擬混凝土路面早期強(qiáng)度和應(yīng)力的專用程序[46].該程序可以考慮諸多早期參數(shù)，如施工時(shí)間、混凝土配合比、鋸縫時(shí)間、養(yǎng)護(hù)方式、結(jié)構(gòu)尺寸等，基于路面性能經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算路面板的強(qiáng)度和應(yīng)力，預(yù)估路面的早期裂縫生長(zhǎng)情況.通過早期參數(shù)敏感性分析和應(yīng)力強(qiáng)度結(jié)果對(duì)比，可確定早期裂縫生長(zhǎng)的影響因素，進(jìn)而給出預(yù)防早期裂縫生成的材料設(shè)計(jì)方法和施工工藝，從而改善和提高水泥混凝土路面的使用性能和壽命.

HIPERPAV在預(yù)測(cè)早期裂縫方向有其突出的優(yōu)點(diǎn).然而該類程序并不側(cè)重于早齡期行為的計(jì)算，且都是二維程序，只適用于平面應(yīng)力的計(jì)算仿真，致使路面板三維空間上的早齡期性狀被忽略.特別是該程序無法模擬路面結(jié)構(gòu)效應(yīng)，導(dǎo)致無法將早齡期理論應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化.

2) DIANA軟件.DIANA有限元軟件作為通用程序，通過二次開發(fā)或編制子程序可實(shí)現(xiàn)混凝土早齡期三維性狀的分析計(jì)算.但其內(nèi)嵌的收縮徐變模型僅是簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型，其輸入?yún)?shù)需根據(jù)具體的收縮徐變數(shù)據(jù)曲線擬合得到，即計(jì)算前需先預(yù)估混凝土收縮徐變值.由于早齡期收縮徐變演化復(fù)雜，與當(dāng)時(shí)環(huán)境因素、材料因素等密切相關(guān)，深入的分析還不能實(shí)現(xiàn).

3) ICON自編專用程序.Lee等[47]很早便意識(shí)到三維早齡期混凝土路面板性狀演化機(jī)制的重要性，并于2006年開始著手編制早齡期專用程序ICON.該程序考慮溫度、濕度收縮、混凝土自重、混凝土徐變等的影響，但所建模型為1/4路面板模型，且面板-基層為光滑界面，沒有考慮結(jié)構(gòu)約束，也無法表達(dá)不對(duì)稱翹曲變形.

3.2 福州大學(xué)開發(fā)的FZU-JPES專用程序

三維路面板早齡期性狀的形成演變機(jī)制仿真分析是完善并提升路面早齡期理論研究的系統(tǒng)性、綜合性和深度的重要手段，福州大學(xué)自2007年以來致力于開發(fā)三維路面板早齡期模擬程序，并取得了一定研究進(jìn)展，程序的開發(fā)分為4個(gè)階段.

1) 面板早齡期溫濕度程序開發(fā).2009年胡昌斌等[48]采用有限差分法編制了水泥路面板早齡期溫度場(chǎng)數(shù)值分析程序(FZUJPET 2.0)，程序選取水泥水化放熱、環(huán)境變化、熱交換3方面的模型和參數(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)足尺路面板早齡期、長(zhǎng)期溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，和室內(nèi)小板試驗(yàn)調(diào)試驗(yàn)證了模型和程序.在濕度場(chǎng)方面，胡昌斌等[49]采用有限差分法編制水泥路面板早齡期濕度場(chǎng)數(shù)值分析程序(FZUJPEM 2.0)，程序考慮面板溫度變化、環(huán)境各參數(shù)、基層吸水及供水能力對(duì)板內(nèi)濕度的影響, 依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)足尺板監(jiān)測(cè)試驗(yàn)標(biāo)定程序模型和參數(shù).以上為早齡期力學(xué)行為分析提供了面板早齡期溫濕度場(chǎng)性狀數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

2) 1/4面板早齡期力學(xué)行為仿真程序研發(fā).福州大學(xué)曾宇鑫[50]基于Fortran語(yǔ)言編制了1/4路面板三維早齡期力學(xué)行為數(shù)值仿真程序FZU-JPES.該程序綜合了多種混凝土線彈性模型、熱彈性模型及固化徐變模型，采用增量法計(jì)算混凝土早期的應(yīng)力應(yīng)變?cè)隽啃问?王仁華[51]在程序中增加了濕度變形模塊，使程序能考慮面板早齡期的濕度變形.

3) 全面板、全齡期面板早齡期力學(xué)行為仿真程序研發(fā).王麗娟等[52]在已有早齡期溫度場(chǎng)計(jì)算子程序(FZUJPET)、早齡期濕度場(chǎng)計(jì)算子程序(FZUJPEM)、1/4板早齡期力學(xué)行為仿真程序和混凝土早齡期室內(nèi)材料試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了考慮面板-基層的界面摩擦約束與邊界接縫約束的接觸界面計(jì)算模塊(FZUJPEI)； 基于Fortran 語(yǔ)言，結(jié)合MSC.PATRAN軟件開展了全面板三維早齡期翹曲有限元數(shù)值仿真技術(shù)研究和程序(FZU-JPESⅡ)開發(fā)研究.圖3為FZU-JPESⅡ中采用的全面板模型結(jié)構(gòu)圖與1/4模型結(jié)構(gòu)對(duì)比.目前仿真結(jié)果顯示該程序具有較高的計(jì)算穩(wěn)定性和精度.相比1/4面板仿真程序能更好地描述不對(duì)稱早齡期翹曲的形成機(jī)制，考慮摩擦接觸界面、接縫約束的仿真更貼近試驗(yàn)結(jié)果.

圖3 面板結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)[52]Fig.3 Design of pavement slab structure model[52]

4) 性狀梯度影響與精細(xì)化本構(gòu)考慮.進(jìn)一步考慮路面板早齡期硬化模量不均勻、損傷徐變、精細(xì)化本構(gòu)模型、多尺度分析與超早齡期本構(gòu)是目前面板早齡期力學(xué)行為仿真重點(diǎn)研究方向.

3.3 早齡期行為仿真技術(shù)對(duì)比與多尺度分析技術(shù)開發(fā)

水泥混凝土路面早齡期行為模擬涉及環(huán)境場(chǎng)、邊界約束、混凝土早齡期材料本構(gòu)、結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形場(chǎng)等諸多仿真模塊，對(duì)不同早齡期行為仿真技術(shù)對(duì)比列于表4.

表4 面板早齡期行為仿真程序?qū)Ρ?/p>

可以看到，相比其它程序，目前FZU-JPESⅡ在面板早齡期行為分析可以考慮溫濕度場(chǎng)、徐變基層與邊界約束、三維全面板結(jié)構(gòu)效應(yīng)的影響，可以模擬面板早齡期三維翹曲形狀的完整漸變演化過程.但當(dāng)前程序?qū)β访婊炷翉椥阅Ａ康姆蔷鶆蚍植?，終凝的時(shí)間差帶來的后續(xù)影響、固化殘余應(yīng)力的形成演化和釋放特性以及鋸縫施工等對(duì)路面內(nèi)應(yīng)力的釋放特性等均無法考慮.

近期研究顯示，在早齡期混凝土行為仿真中可引入多尺度仿真分析方法，該方法分別從微觀尺度上基于水泥水化程序(如HYMOSTRUC3D、CEMHYD3D、Mic model等)對(duì)水泥水化過程進(jìn)行仿真，獲得水泥漿產(chǎn)物的微觀形貌和系列力學(xué)計(jì)算參數(shù)(如模量).基于獲得的力學(xué)參數(shù)，引入3D格構(gòu)模型可開展混凝土早齡期損傷、斷裂、耐久性等研究，如圖4所示.

以上多尺度仿真研究方法為混凝土路面早齡期性狀的仿真提供了重要思路，從微觀、細(xì)觀和宏觀多尺度構(gòu)建混凝土各相成分，模擬混凝土早期水化固化過程，基于材料的細(xì)觀分析和模擬結(jié)果尋求材料的宏觀代表性性狀，實(shí)現(xiàn)混凝土早齡期變形與應(yīng)力的形成演化數(shù)值仿真，對(duì)進(jìn)一步深入開展混凝土路面早齡期性狀研究是一個(gè)新的途徑.

圖4 混凝土早齡期水化與力學(xué)仿真[53]Fig.4 Hydration and mechanical simulation of concrete at early age[53]

4 早齡期行為的理論研究

4.1 早齡期性狀形成演化階段

4.1.1 早齡期性狀形成階段的描述

水泥混凝土路面板其形成主要包含水化、固化、硬化、徐變松弛等幾個(gè)階段.表5給出了路面板在不同階段的主要行為.

混凝土路面在澆筑后由于水化反應(yīng)，主要有兩個(gè)過程： 固化(失出流動(dòng)性的過程)和硬化(強(qiáng)度發(fā)展).在早齡期不同階段，工程中關(guān)心的面板性狀不同： 塑性階段早齡期，一般指初凝以前(約0～4 h)，工程上主要關(guān)心塑性開裂、離析、混凝土性能的各向異性以及此階段由于施工形成的面板較密集波浪翹曲等； 在早齡期成型階段，一般指初凝到終凝(約2～6 h)，主要關(guān)心混凝土體積穩(wěn)定性、溫度開裂、自收縮、自愈合、損傷與隱形開裂等； 在早齡期生長(zhǎng)階段，一般指終凝到7 d齡期，主要關(guān)心整板變形與應(yīng)力協(xié)調(diào)，徐變損傷等； 早齡期性狀調(diào)整階段，一般指7～28 d，甚至兩年內(nèi)，此階段面板水化逐漸減少，在環(huán)境場(chǎng)作用，面板變形應(yīng)力協(xié)調(diào)，最終固化早齡期基準(zhǔn)性狀.由于早期徐變、模量的發(fā)展，此過程中環(huán)境場(chǎng)對(duì)面板不同階段早齡期性狀的形成-釋放-消散過程影響顯著.

表5 水泥混凝土路面各形成階段主要行為

4.1.2 早齡期性狀形成機(jī)制與演化行為

水泥混凝土路面早齡期性狀的形成主要與以下機(jī)制有關(guān).

1) 水化固化硬化機(jī)制.混凝土拌和時(shí)即發(fā)生水化反應(yīng)，環(huán)境場(chǎng)下的水泥混凝土路面板早齡期水化受不均勻溫度場(chǎng)影響，將使面板不同位置水化速率不同，進(jìn)而造成凝結(jié)速率的差異.隨著不同位置發(fā)生凝結(jié)固化，不同時(shí)刻凝結(jié)的位置互相牽扯，形成局部應(yīng)力，同時(shí)伴隨著面板的三維不均勻模量的發(fā)展，使面板逐漸形成三維分布的固化初始應(yīng)力與固化翹曲形狀.

2) 早齡期性狀耦合形成機(jī)制.研究發(fā)現(xiàn)[23]，面板早齡期溫度、濕度場(chǎng)變化存在耦合影響，面板內(nèi)部應(yīng)變與變形也有一定相關(guān)性.首先溫度、濕度均隨環(huán)境場(chǎng)呈現(xiàn)晝夜周期變化，二者互相影響，變化規(guī)律為反向，且溫濕度梯度對(duì)面板翹曲變形影響也為相反規(guī)律，互相抵消.面板早齡期應(yīng)變發(fā)展為面板材料特性與結(jié)構(gòu)體效應(yīng)相互作用結(jié)果，在早齡期低模量、高徐變、邊界約束等多方面綜合耦合影響下，應(yīng)變與結(jié)構(gòu)變形存在一定相關(guān)性，但不是簡(jiǎn)單對(duì)應(yīng)的，應(yīng)變是受多方面因素耦合影響的結(jié)果.在以上機(jī)制的影響下，面板存在三維結(jié)構(gòu)效應(yīng)，呈現(xiàn)復(fù)雜的不對(duì)稱翹曲特征.

3) 早齡期損傷、徐變松弛作用機(jī)制.混凝土路面鋪筑后分別經(jīng)歷塑性、半塑性半彈性和彈性階段.塑性階段，雖然混凝土面板存在溫、濕度三維分布，但因其內(nèi)部塑性松弛，應(yīng)力消散.隨著水化硬化發(fā)展，混凝土形態(tài)從塑性漸變成彈性體，此過程中環(huán)境場(chǎng)下的路面板不同位置凝結(jié)固化、收縮膨脹與模量分布等存在差異，特別是沿板深還分布有溫濕度梯度，此過程早期蠕變損傷可以松弛部分應(yīng)力.隨著齡期發(fā)展，徐變松弛作用減弱，面板固化分布著三維不均初始性狀.面板早齡期固化性狀在齡期演化過程中，與施工環(huán)境場(chǎng)、徐變松弛效應(yīng)、材料三維固化不均勻特性等都顯著相關(guān).

4) 以上早齡期性狀作用機(jī)制顯示，由于環(huán)境場(chǎng)、齡期、松弛徐變以及界面約束的共同作用，路面板存在早齡期性狀演化現(xiàn)象.同時(shí)，早齡期性狀在不同尺度的形成機(jī)制以及超早齡期性狀形成機(jī)制也仍有待揭示.

4.2 早齡期性狀對(duì)面板性能的影響效應(yīng)研究

4.2.1 早齡期性狀的影響機(jī)制研究

目前多使用EBITD參數(shù)開展早齡期固化性狀對(duì)面板服役性能的影響研究.

1) 通過將EBITD代入面板模型，計(jì)算板塊的變形和應(yīng)力.主要方法有將沿板深的固化溫度差、干縮單獨(dú)或者合并等效為溫度差(忽略徐變)，或者將固化溫度差與干縮等效溫度差合并后采用經(jīng)驗(yàn)折減考慮徐變，然后和服役期間的環(huán)境溫度差疊加.更簡(jiǎn)便的方法是直接將固化溫度差與服役期間的環(huán)境溫度差疊加(忽略干縮與徐變)，帶入結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行力學(xué)或者變形分析.

Hansen等[3]研究發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)施工面板固化的終凝溫度差不同，對(duì)其疊加考慮干縮、徐變以及服役期溫度場(chǎng)，將對(duì)面板疲勞應(yīng)力和破壞位置有顯著影響.Nassiri[38]提出了對(duì)Pittsburgh不同分區(qū)、不同月份施工面板取為-8.1～-6.8 ℃·cm-1的施工設(shè)計(jì)參數(shù).

2) 對(duì)EBITD增加考慮固化平均溫度影響，代入面板模型，計(jì)算板塊的變形和應(yīng)力.福州大學(xué)孫增華[54]研究認(rèn)為，固化溫度分布除固化溫度差之外，固化平均溫度部分對(duì)面板翹曲也有影響，由于基層約束的影響，沿板深均勻分布的溫度發(fā)生改變時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生面板翹曲現(xiàn)象.

3) EBITD與移動(dòng)恒載、隨機(jī)動(dòng)荷載耦合作用下路面板的力學(xué)響應(yīng)研究.Hiller等[2]采用影響線的方法，對(duì)不同EBITD下面板的臨界荷位，最大疲勞損傷位置開展了研究.孫增華[54]分析了EBITD與溫度場(chǎng)、車輛移動(dòng)恒載、隨機(jī)動(dòng)荷載共同作用下對(duì)水泥混凝土路面的受力特性.研究發(fā)現(xiàn)，早齡期固化翹曲與服役環(huán)境場(chǎng)、面板結(jié)構(gòu)形式、軸載條件等綜合作用下，將使面板產(chǎn)生自上而下和自下而上的橫縫、縱縫和板角裂縫.

文獻(xiàn)[23]基于面板早齡期力學(xué)三維仿真程序FZU-JPESⅡ，聯(lián)合面板服役階段的溫度場(chǎng)和荷載場(chǎng)，提出了疲勞損傷度和冪次換算的軸載比觀察指標(biāo)，開展了早齡期固化基準(zhǔn)性狀對(duì)面板服役性能的影響研究.基于早齡期-服役期兩階段力學(xué)聯(lián)合分析，實(shí)現(xiàn)了早齡期固化基準(zhǔn)性狀(包括固化翹曲和殘余應(yīng)力)對(duì)服役性能影響研究的分析.

但是聯(lián)合分析計(jì)算工作量大，對(duì)早齡期固化性狀還需建立有效表征的中間參數(shù)系，對(duì)早齡期固化性狀的理論影響機(jī)制還有待進(jìn)一步揭示.

4.2.2 早齡期性狀的影響效應(yīng)

分析不同學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，路面早齡期性狀對(duì)面板服役性能影響效應(yīng)主要有以下幾方面.

1) 對(duì)面板疲勞和強(qiáng)度折減的影響.研究發(fā)現(xiàn)，早齡期固化性狀主要會(huì)增大面板板頂疲勞損傷[23].特別是剛性地基相比軟土地基支撐條件，早齡期固化性狀對(duì)面板疲勞損傷影響更為顯著.考慮固化翹曲的影響，孫增華等[54]研究顯示沿板外側(cè)邊行駛位置對(duì)路面最不利，且不同的固化翹曲型式影響面板疲勞開裂路徑.此外，早齡期固化的殘余應(yīng)力還會(huì)對(duì)面板強(qiáng)度進(jìn)行折減，進(jìn)一步影響路面板的服役性能.

2) 對(duì)脫空的影響.由于邊界約束會(huì)出現(xiàn)翹曲不對(duì)稱情況，進(jìn)而引起板底脫空、改變面板應(yīng)力和車輛荷載的作用行為.文獻(xiàn)[54]分析了固化翹曲與服役階段溫度場(chǎng)共同作用對(duì)路面板底脫空的影響，發(fā)現(xiàn)過大的負(fù)有效固化溫度差將使路面板在服役階段始終出現(xiàn)板角脫空現(xiàn)象，凌晨階段脫空最顯著.夏季晴天早上和冬季夜間施工的路面在服役階段更容易出現(xiàn)板底脫空.由于固化平均溫度的影響，高溫夏季鋪筑的路面在低溫冬季時(shí)更容易出現(xiàn)板底脫空.

3) 對(duì)臨界荷位變化的影響.研究顯示，固化翹曲、溫度場(chǎng)與動(dòng)荷載的共同作用對(duì)路面十分不利，且使臨界荷位、路面板疲勞破壞位置和斷裂模式變得十分復(fù)雜而不固定[2, 54].Hiller等[2]研究發(fā)現(xiàn)，早齡期固化翹曲與服役環(huán)境場(chǎng)、面板結(jié)構(gòu)形式、軸載條件等綜合作用下，將使面板產(chǎn)生自上而下和自下而上的橫縫、縱縫和板角裂縫.王麗娟[23]對(duì)比不用月份和地區(qū)施工固化的早齡期性狀對(duì)面板破壞形式的影響發(fā)現(xiàn)，相比降溫月份施工，高溫月份施工面板板頂累計(jì)損傷更大，存在板角“由上至下”潛在斷板模式； 比較全國(guó)不同地區(qū)發(fā)現(xiàn)，拉薩地區(qū)的全年累計(jì)損傷度明顯大于其它地區(qū)，損傷較大區(qū)域分布在距板角1～2 m的縱縫和橫縫邊.

4) 早齡期性狀的影響存在敏感性工況.研究顯示，水泥混凝土路面的壽命和破壞模式首先受到路基、線型條件和綜合承載能力影響，在路基條件較剛、結(jié)構(gòu)承載力較強(qiáng)條件下，早齡期固化性狀的影響開始顯現(xiàn)，誘發(fā)脫空，改變面板破壞模式.

早齡期性狀的影響效應(yīng)主要源于以下幾個(gè)方面的原因.

1) 現(xiàn)場(chǎng)施工與路面的薄板結(jié)構(gòu)特質(zhì).路面一般都是現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工，極易受到環(huán)境的影響(如果養(yǎng)護(hù)28 d，就要經(jīng)受28個(gè)日夜循環(huán))，由于是薄板結(jié)構(gòu)，環(huán)境場(chǎng)的影響將很容易貫穿整個(gè)面板深度.即使是影響深度較淺的干縮(一般在面板5 cm深度以內(nèi))，也會(huì)相對(duì)于20～30 cm厚的面板占到很大比例，再加上結(jié)構(gòu)的薄板橫截面，影響將進(jìn)一步突出.

2) 素混凝土的脆性與面板受力對(duì)脫空敏感.路面一般為素混凝土板，由于混凝土的脆性特質(zhì)和薄板橫截面，路面板對(duì)于脫空十分敏感(0.2 mm的脫粘即意味著脫空)，因此早齡期形成固化變形或記憶的熱物理反應(yīng)參數(shù)分布，如對(duì)面板翹曲脫空有任何促進(jìn)作用，則對(duì)路面的受力和抵抗斷裂性能造成很大影響.

3) 車輛動(dòng)荷載作用.路面是在車輛動(dòng)荷載這種極不利環(huán)境下工作的，目前也是混凝土結(jié)構(gòu)中壽命最短一類，早齡期性狀和車輛動(dòng)荷載的共同作用是路面早齡期影響的又一個(gè)特別地方.

當(dāng)前，早齡期性狀的結(jié)構(gòu)、施工與材料的影響效應(yīng)以及早齡期性狀與車輛荷載共同作用效應(yīng)的理論體系建設(shè)與數(shù)學(xué)定量化分析方法尚未展開和建立.

5 早齡期理論體系建設(shè)與應(yīng)用

由于早齡期參數(shù)是環(huán)境、材料、施工、結(jié)構(gòu)共同作用的結(jié)果，也是路面行為全壽命分析的基準(zhǔn)起始參數(shù)，可以將早齡期參數(shù)作為紐帶，實(shí)現(xiàn)環(huán)境場(chǎng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工、材料影響的一體化考慮，將施工階段與服役階段連接在一起，實(shí)現(xiàn)早期-服役期兩個(gè)階段的聯(lián)動(dòng)影響的理論觀察，進(jìn)而形成早齡期理論的體系和框架, 如圖5所示.

圖5 早齡期水泥混凝土路面理論研究框架Fig.5 Theoretical research framework of early age cement concrete pavement

1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提升.早齡期研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)型式以及約束構(gòu)造會(huì)在早齡期階段對(duì)面板的初始固化變形、初始應(yīng)力、甚至初始損傷形成重要影響.然而以往結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遺漏了這一部分，在有了早齡期概念之后，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就可以從早齡期-服役期雙階段共同作用、全過程分析角度考慮的結(jié)構(gòu)組合和設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)將更為合理，同時(shí)也將具備相比以往更精巧的協(xié)調(diào)和處理設(shè)計(jì)要素矛盾沖突的能力.

在此方面較為成功的分析案例有貧混凝土基層結(jié)構(gòu)與雙層板結(jié)構(gòu)過早斷板的分析解釋與設(shè)計(jì).從早齡期角度看，剛度很大的貧混凝土基層對(duì)于固化翹曲包容更為不利，容易引起過早斷板[39].而在結(jié)合式雙層板的結(jié)構(gòu)中，考慮到雙層板均存在早齡期固化翹曲，且由于舊板的剛度大，包容性差，更易出現(xiàn)層間脫空、過早開裂、斷板現(xiàn)象.在以上結(jié)構(gòu)中，推薦設(shè)瀝青夾層或采用設(shè)瀝青夾層雙層板結(jié)構(gòu)[55].

2) 施工質(zhì)量的改善與提升.從早齡期性狀產(chǎn)生的機(jī)制來看，只要是施工環(huán)境發(fā)生了變化，在混凝土板內(nèi)就將形成不同的初始基準(zhǔn)性狀.研究表明混凝土板的早齡期性狀特性與施工季節(jié)、施工時(shí)段關(guān)系密切[2-3], 即使是現(xiàn)場(chǎng)一天連續(xù)澆筑的面板也會(huì)有自己獨(dú)特的“個(gè)性”、進(jìn)而也會(huì)有不同的力學(xué)反應(yīng)特點(diǎn).如果對(duì)此估計(jì)不足，就會(huì)出現(xiàn)對(duì)路面質(zhì)量和可靠度高估的情況.但從另外一個(gè)角度，即如果能根據(jù)早齡期理論進(jìn)行事先分析評(píng)估，進(jìn)而及時(shí)根據(jù)外部環(huán)境和材料變化提出調(diào)節(jié)和控制措施，對(duì)于進(jìn)一步提升路面質(zhì)量的穩(wěn)定性、建造高質(zhì)量的路面無疑具有重要價(jià)值.

已有研究發(fā)現(xiàn)，高溫夏季鋪筑的路面相比秋季將形成更大的早齡期初始固化翹曲，引起面板板底脫空，秋季施工更有利于路面性能改善[3].在雙層板加鋪結(jié)構(gòu)的施工中，選擇適宜的攤鋪季節(jié)、攤鋪時(shí)段、環(huán)境條件、混凝土初始溫度等都能有效降低混凝土的早齡期溫度，進(jìn)而降低面板翹曲，從而提高加鋪面板的使用壽命[55].

3) 材料的效能改善方面.材料在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用效能研究對(duì)于新材料的應(yīng)用和評(píng)價(jià)十分關(guān)鍵.特定的工程往往是一個(gè)系統(tǒng)，材料某一方面性質(zhì)的增強(qiáng)往往會(huì)對(duì)工程結(jié)構(gòu)牽一發(fā)而動(dòng)全身，如果不能深刻理解材料在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)性能的復(fù)雜影響，極易在實(shí)踐中出現(xiàn)新材料應(yīng)用顧此失彼、室內(nèi)外使用效果存在巨大差距的情況.

以道路水泥材料要求為例，研究發(fā)現(xiàn)水泥組分中C3A為水泥混凝土早期水化熱主要來源，混凝土早期水化熱過大，將集聚較大早期內(nèi)應(yīng)力，引起混凝土面板收縮和損傷，造成早期開裂.因此，基于此方面理論認(rèn)識(shí)，道面專用水泥規(guī)范對(duì)水泥熟料中的C3A進(jìn)行了控制[56].早齡期系統(tǒng)分析理論可以填補(bǔ)材料-施工-結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)早期和服役期的聯(lián)動(dòng)過程觀察，這將為新材料性能配伍合理設(shè)計(jì)的理論指導(dǎo)，新材料在工程應(yīng)用的理論預(yù)評(píng)估，起到重要的支持作用，進(jìn)而加快新材料在路面實(shí)踐中的應(yīng)用和研發(fā).

6 結(jié)語(yǔ)

早齡期性狀是環(huán)境、材料、施工、結(jié)構(gòu)共同作用的結(jié)果，也是路面行為全壽命分析的基準(zhǔn)起始參數(shù)，將早齡期參數(shù)作為紐帶，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境、材料、施工、結(jié)構(gòu)影響的一體化考慮，將施工階段與服役階段連接在一起，可以實(shí)現(xiàn)早期-服役期兩個(gè)階段聯(lián)動(dòng)影響的理論觀察.基于三維性狀機(jī)制研究構(gòu)造參數(shù)系、明晰多參數(shù)耦合關(guān)系，研究路面板早期-服役期性能的聯(lián)動(dòng)分析方法，對(duì)于拓展、推廣早齡期的理論應(yīng)用十分重要.

由于混凝土早齡期固化硬化行為和三維路面結(jié)構(gòu)條件的作用，各早齡期性狀是相互耦合、聯(lián)動(dòng)消減的，早齡期由于環(huán)境加載-徐變-三維結(jié)構(gòu)-邊界的聯(lián)合作用，將產(chǎn)生很多的復(fù)雜機(jī)制和現(xiàn)象.實(shí)現(xiàn)微觀、細(xì)觀和宏觀多尺度聯(lián)合仿真與更準(zhǔn)確的試驗(yàn)傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)深入開展路面早齡期性狀研究是一個(gè)重要途徑.

早齡期性狀的結(jié)構(gòu)、施工與材料的影響效應(yīng)以及早齡期性狀與車輛荷載共同作用效應(yīng)的理論體系建設(shè)與定量化研究，及其在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提升、施工質(zhì)量的改善提升、材料效能改善與新型材料設(shè)計(jì)等方面的應(yīng)用仍需開展研究.

混凝土初凝之前的早齡期性狀及其影響效應(yīng)，與路面施工質(zhì)量的控制保障和提升關(guān)系密切，同時(shí)影響路面板耐磨、平整度等服務(wù)性能和長(zhǎng)期性能，也是未來需要深入研究的重要領(lǐng)域.