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水泥混凝土路面的温度梯度水泥混凝土路面(简称路面)从浇筑开头经受了从流态到塑态、再到固态的凝聚硬化过程水泥水化释放的热量以及外部环境如温度、太阳辐射的变化,水泥水化对水的消耗以及路面表面水分散失都会导致路面结构内部的温度场、湿度场不断变化,在水泥混凝土终凝后,路面会产生应力与变形我们国家有关施工阶段温度场对路面后期性能的影响争论很少,但国外许多学者争论表明,水泥混凝土路面铺筑前72小时的温度场形成的水泥混凝土的早期性状(如收缩开裂,接缝张开量、固化翘曲等),显着地影响着路面服务阶段的长期性能,甚至转变路面在交通荷载下Francis等[3玻矗苍捎帽碧媛掷仪争论了路面的固化翘曲变形状况,认为这种翘曲是温度梯度和湿度梯度综合作用的结果,并且在大多数状况下呈向上翘曲,甚至会消失路面角与基层脱离的状况,这对路面受荷特别不利We11sa等[5]也指出,由于固化翘曲引起的路面对角线方向的曲率可以达到124X10玻担愍玻保去茉际路面)和408X10玻担愍玻保T杂陕访妫止匕外,早期水泥混凝土也易消失表面裂缝和断板现象国内在固有温度梯度方面的争论还比较少,冯德成等[6]争论不同养生方式对路面固化翘曲的影响借鉴国外争论,本文研讨争论了水泥混凝土路面固化温度梯度、固化翘曲及其对路面早期和长期性能的影响试验争论发觉不同时段铺筑的路面混凝土在水化热和外界气候的共同作用下,路面温度场将呈现明显不同的特征[7玻福尊1影响道路温度梯度的因素
1、1环境因素各种外界环境因素对水泥混凝土路面温度梯度的影响过程如图1所示影响路面温度梯度的水泥混凝土主要因素包括外界气温、太阳直接辐射、散射辐射、地面辐射、大气逆辐射、风速、对流热交换、云量和雨雪等,路面温度场的分布与路面结构的内部物理性质也直接相关,如路面结构各层材料的导热系数与导温系数、材料对太阳辐射的汲取率、路表热交换系数等争论发觉[8]气温与辐射是影响道路温度场的最主要因素路面结构温度随外界环境昼夜变化呈周期性变化,且随着深度增加,温度波动的幅度渐渐减小,波动滞后
1、2混凝土材料因素混凝土的热学特性是影响混凝土温度应力的一个重要因素,其中影响最大、最明显的是混凝土绝热温升由于影响混凝土绝热温升的因素(如水泥品种、水泥用量、混合材料品种及其用量等)简单多样,不同水泥品种、混合材料品种及其用量等对混凝土绝热温升速率和最终绝热温升值影响很大[9]混凝土在浇筑的初期,水泥在水化过程中释放出大量的水化热,且主要集中在浇筑后的3〜5d内,从而使混凝土结构内部温度提升,而结构外部温度相对较低,这样就形成了温度梯度,使结构内部产生压应力,表面产生拉应力,当这种拉应力超过混凝土本身的极限抗拉强度时,混凝土表面就会产生裂缝外部环境因素和路面各层材料的内部因素综合在一起,相互耦合作用形成了水泥混凝土路面结构简单的温度梯度,且各因素对路面温度场特征的形成和影响各不相同2路面结构温度梯度特征在某一瞬间,路面结构中由温度相同的点构成等温面,沿等温面法线方向的温度变化率最大,称之为温度梯度,正温度梯度表示随着深度增加,温度降低;负温度梯度表示随着深度增加,温度提升争论发觉绝大多数时段,温度沿板厚呈非线形分布,越靠近路表面,温度梯度变异越大,整体从上到下是先陡后缓的分布状况,随着深度增加,温度梯度的波幅越来越小《大路水泥混凝土路面设计法律规范》(JTGD40-2002)在计算面板温度梯度时,将温度沿板厚的分布视为线性分布,并推举了各地区最大的温度梯度值3早期固化温度梯度及其影响争论发觉,路面混凝土铺筑6〜10小时后凝固时,路面此时沿深度会带有明显的温度差,假定此时混凝土凝固时的外形是平坦的,则这个温度差将永久地记忆在混凝土中,日后将会显着地影响路面的翘曲外形和温度应力国外将这个温度差称为“bui1t—intemperature本文称之为“固化温度梯度”实际上,水泥混凝土路面凝固时还有徐变、干缩和湿度梯度等影响路面的早期性状,水泥混凝土板在使用阶段的翘曲实际是5个非线性重量的综合作用
(1)路面使用阶段由外界环境引起的沿板深的温度梯度
(2)沿板深度的湿度梯度
(3)板凝固时的温度梯度
(4)板硬化时的干缩梯度
(5)徐变干缩、徐变、湿度梯度和固化温度梯度国外统肯定义为“等效的固化温度梯度”,由于这四个方面与水泥混凝土施工阶段的早期性能均有相关假如要精确地进行水泥混凝土路面的温度应力力学分析,除了要得到路面使用时刻的温度场或温度梯度特征,而且还要了解在施工阶段已经“固化”到混凝土板中的此外四个特征量干缩、徐变、湿度梯度形成的“固化翘曲”评价很简单,而混凝土凝固时固化的温度场则通过早期监测可以获得一个相对直接的了解4路面板的固化翘曲在交通荷载和长期季节气候条件作用下,路面板应力水平增加,固化的翘曲将随后演化为错台和裂缝问题,这将进一步影响路面的翘曲外形和支撑条件对于凝固时的正温度梯度,路面板将更简单发生板角破坏,对于凝固负温度梯度,路面将更简单消失板中裂缝,干缩导致固化翘曲在板角比板中产生更严峻的应力,此外在肯定的条件下,固化翘曲将导致更显着的板的翘曲外形,这将影响路面的初始平整度,影响路面的行车舒适性早期龄期的温度梯度是环境条件和水化热的函数,板中凝固时的初期温度梯度影响板的翘曲外形混凝土凝固后,由于存在固化温度梯度(理论上讲此时路面板为平整状态无翘曲),在后期的温度场作用下,路面会发生以下状况
(1)路面正常降温,在干缩、湿度场和温度场作用下,混凝土路面板因翘曲变形受到约束而产生温度翘曲应力,此时早期混凝土强度并没有达到足够强度,假如没有准时锯缝,路面会消失早期开裂
(2)即使准时锯缝,在随后的混凝土路面增长阶段,假如遇到大幅度的突然降温,温度翘曲应力大于混凝土强度,也会消失早期开裂
(3)假如以上状况,都通过施工掌握(掌握铺筑时间、养生、准时锯缝等手段)得以避开,那么路面板在后期的使用阶段的温度应力和翘曲外形就是“等效固化温度梯度”和真实温度梯度的函数路面板会在不同的时段呈现不同的翘曲外形通常状况下,当混凝土凝固,板的整体温度不是匀称的,其往往是气候条件、水化热和养生方式的函数,由于在凝固时存在温度梯度,板在任何时间的翘曲和卷曲将是初始温度梯度、干缩和目前温度梯度的函数,如图2所示假如温度梯度在时刻t时为0板的外形将只是干缩、板自重和基层约束条件的函数,假如在凝固时温度梯度是顶部比底部热,那么正向温度梯度会使面板倾向于与干缩卷曲相反的方向翘曲,可能也会使面板处于水平的外形,另一方面,假如温度梯度是反向的,板的翘曲会向上,再叠加由于干缩引起的板翘曲,会导致中等程度的向上外形理论上水泥混凝土在凝固时路面板为平整状态无翘曲图2中(a)、(b)和(c)显示凝固时面板处于正温度梯度条件;图2中(d)、(e)和(f)显示凝固时面板处于负温度梯度条件图2分别争论了面板在后期温度场的影响下的三种状况,即后期面板处于零温度梯度、面板处于正温度梯度和面板处于负温度梯度时面板的翘曲状态图2(a)对于凝固时面板处于正温度梯度,只要受外界环境影响,面板的实际温度梯度变为0时,由于初始凝固的温度梯度的影响,路面就会向上卷曲这是由于相对于初始凝固温度,面板顶部的纤维冷却收缩,底部混凝土纤维受热膨胀而向上翘曲,又由于干缩引起卷曲,这个影响将被加重,即面板将产生中度向上翘曲图2(b)假如面板的实际温度梯度仍为正温度梯度(与凝固时正温度梯度全都),则面板保持凝固时的水平外形,而由于干缩的影响,则将观测到面板呈现稍微向上翘曲图2(c)假如面板的实际温度梯度是反向的,由于凝固时正向梯度和干缩的影响,则将观测到更严峻的状况,即产生显着的面板向上翘曲图2(d)对于凝固时面板处于负温度梯度,只要面板的实际温度梯度变为0时,由于初始凝固的温度梯度影响,路面会产生稍微向下卷曲,又由于干缩引起的稍微向上卷曲,这个影响将被抵消,即面板可能呈水平状态图2(e)假如面板的实际温度梯度为正温度梯度,则面板将产生中度向下卷曲,而由于干缩引起的稍微向上卷曲,这个影响将被抵消一部分,则观测到面板呈现稍微向下翘曲图2(f)假如面板的实际温度梯度仍为负温度梯度(与凝固时负温度梯度全都),则面板保持凝固时的水平外形,而由于干缩的影响,则观测到面板呈现稍微向上翘曲对比图2中各图,可以看出相比于负温度梯度,当面板凝固时处于正温度梯度条件下,面板变形比较明显,面板更简单由于翘曲而产生裂缝因此,在铺筑水泥混凝土路面时,面板凝固处于负温度梯度条件下更有利(晚上施工)5温度梯度值计算方法由固化温度梯度和固化翘曲的关系可知,在计算凝固过后的温度应力时,均应考虑固化温度梯度对路面板的影响而本文暂不考虑干缩、徐变和湿度梯度影响,重点争论固化温度梯度与使用阶段路面的温度梯度耦合作用下的路面性状温度应力
[10]包括两个主要部分一部分是由路面板顶面与底面的温度差引起的翘曲变形受阻而产生的翘曲应力;另一部分是由于路面板整体温度的提升或下降而引起面板的胀、缩变形受阻而在板内产生的热压应力或收缩应力因此,温度应力计算时所采纳的温度梯度应为路面的实际温度梯度(取板顶板底温度实际值)减去路面凝固时路面实际的梯度(取板顶板底温度实际值),如图3所示这包括了胀缩A3(实际温度梯度的温度最小值A1一路面凝固时路面实际梯度的温度最小值A2)A3大于零则代表路面匀称膨胀,小于零则代表匀称收缩,由于基层与面板之间的约束,会产生温度应力另一部分则是现在的板顶与板底温度梯度B1与路面凝固时路面实际的梯度B2的差值B3这反映了路面的温度翘曲即温度应力计算所采纳的温度梯度值应为(Al—A2)+(B1-B2)将其反映在实际计算中为路面实际温度梯度与凝固时路面实际温度梯度的差值,即(A1+B1)-(A2+B2)为了更直观的反映温度应力计算时所采纳的温度梯度,以本争论的实测数据为例,结合本争论在长期监测得到的最大正、负温度梯度,以及在早期施工阶段得到的凝固温度梯度,争论温度应力计算时所采纳的温度梯度值,如图4〜图7所示该计算模型凝固温度梯度取值方法白天施工采纳了8小时的凝固时间,以6月26日上午700点福州马尾路段施工为实例,8小时后的凝固温度板顶为5813℃板底为4862℃;晚上施工时取10小时的凝固时间,以6月25日晚上1900点福州马尾路段施工为实例,10小时后的凝固温度板顶为3532℃板底温度为3825℃o该计算模型实际温度梯度的取值方法最大正温度梯度取福州316国道4月21日中午1300点为其最大值,其板顶温度为502℃板底温度为2334℃;最大负温度梯度取福州316国道4月20日凌晨100点为其最大值,其板顶温度为149C板底温度为2158℃„6固化温度梯度值针对福州地区的气候特点,本争论依据1900和700两个铺筑时间段所采集的监测数据,给出福州地区2007年6月25日、26日不同铺筑时刻水泥混凝土路面的凝固温度梯度推举值(表
1、表2)其中假定300〜1450为白天施工时段,其凝固所需时间为6小时;1500〜250为晚上施工时段,其凝固所需时间为8小时7结论对夏季高温条件下早期施工阶段水泥混凝土路面温度场的监测争论,得到了如下结论
(1)气温与辐射是影响道路温度场的最主要因素路面结构温度随外界环境昼夜变化呈周期性变化,且随着深度增加,温度波动的幅度渐渐减小,波动滞后混凝土的热学特性是影响混凝土温度应力的一个重要因素,混凝土在浇筑的初期,水泥在水化过程中释放出大量的水化热,使结构内部产生压应力,表面产生拉应力,当这种拉应力超过混凝土本身的极限抗拉强度时,混凝土表面就会产生裂缝
(2)路面板会在不同的时段呈现不同的翘曲外形,得到相比于负温度梯度,当面板凝固时处于正温度梯度条件下,面板变形比较明显,面板更简单由于翘曲而产生裂缝因此,在铺筑水泥混凝土路面时,面板凝固处于负温度梯度条件下更有利(晚上施工)
(3)结合国外资料,提出路面板在后期的使用阶段的温度应力和翘曲外形是等效固化温度梯度和真实温度梯度的函数以福州马尾温度场长期监测得到的最大正、负温度梯度,以及在早期施工阶段得到的凝固温度梯度,得到温度应力计算时所采纳的温度梯度值
(4)依据1900和700两个铺筑时间段所采集的监测数据,给出了2007年6月25至6月26日福州地区水泥混凝土路面一天内不同施工时段凝固温度推举值,得到早上800〜9:00施工时,其路面结构凝固温度达到最大值水泥混凝土路面的温度梯度。