水泥混凝土路面的溫度梯度范文

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水泥混凝土路面（簡稱路面）從澆筑開始經(jīng)歷了從流態(tài)到塑態(tài)、再到固態(tài)的凝結(jié)硬化過程。水泥水化釋放的熱量以及外部環(huán)境如溫度、太陽輻射的變化，水泥水化對水的消耗以及路面表面水分散失都會導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場、濕度場不斷變化，在水泥混凝土終凝后，路面會產(chǎn)生應(yīng)力與變形。我國有關(guān)施工階段溫度場對路面后期性能的影響研究很少，但國外很多學(xué)者研究表明，水泥混凝土路面鋪筑前72小時的溫度場形成的水泥混凝土的早期性狀（如收縮開裂，接縫張開量、固化翹曲等），顯著地影響著路面服務(wù)階段的長期性能，甚至改變路面在交通荷載下的臨界荷位和破壞模式。Francis等［34］采用表面輪廓儀研究了路面的固化翹曲變形情況，認(rèn)為這種翹曲是溫度梯度和濕度梯度綜合作用的結(jié)果，并且在大多數(shù)情況下呈向上翹曲，甚至?xí)霈F(xiàn)路面角與基層脫離的情況，這對路面受荷非常不利。Wellsa等［5］也指出，由于固化翹曲引起的路面對角線方向的曲率可以達(dá)到124×105m1（受約束路面）和408×105m1（自由路面）。此外，早期水泥混凝土也易出現(xiàn)表面裂縫和斷板現(xiàn)象。國內(nèi)在固有溫度梯度方面的研究還比較少，馮德成等［6］研究不同養(yǎng)生方式對路面固化翹曲的影響。借鑒國外研究，本文探討研究了水泥混凝土路面固化溫度梯度、固化翹曲及其對路面早期和長期性能的影響。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)不同時段鋪筑的路面混凝土在水化熱和外界氣候的共同作用下，路面溫度場將呈現(xiàn)明顯不同的特征［78］。

1影響道路溫度梯度的因素

1、1環(huán)境因素各種外界環(huán)境因素對水泥混凝土路面溫度梯度的影響過程如圖1所示。影響路面溫度梯度的水泥混凝土主要因素包括：外界氣溫、太陽直接輻射、散射輻射、地面輻射、大氣逆輻射、風(fēng)速、對流熱交換、云量和雨雪等，路面溫度場的分布與路面結(jié)構(gòu)的內(nèi)部物理性質(zhì)也直接相關(guān)，如路面結(jié)構(gòu)各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)與導(dǎo)溫系數(shù)、材料對太陽輻射的吸收率、路表熱交換系數(shù)等。研究發(fā)現(xiàn)［8］，氣溫與輻射是影響道路溫度場的最主要因素。路面結(jié)構(gòu)溫度隨外界環(huán)境晝夜變化呈周期性變化，且隨著深度增加，溫度波動的幅度逐漸減小，波動滯后。

1、2混凝土材料因素混凝土的熱學(xué)特性是影響混凝土溫度應(yīng)力的一個重要因素，其中影響最大、最明顯的是混凝土絕熱溫升。由于影響混凝土絕熱溫升的因素（如水泥品種、水泥用量、混合材料品種及其用量等）復(fù)雜多樣，不同水泥品種、混合材料品種及其用量等對混凝土絕熱溫升速率和最終絕熱溫升值影響很大［9］。混凝土在澆筑的初期，水泥在水化過程中釋放出大量的水化熱，且主要集中在澆筑后的3～5d內(nèi)，從而使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度升高，而結(jié)構(gòu)外部溫度相對較低，這樣就形成了溫度梯度，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)這種拉應(yīng)力超過混凝土本身的極限抗拉強(qiáng)度時，混凝土表面就會產(chǎn)生裂縫。外部環(huán)境因素和路面各層材料的內(nèi)部因素綜合在一起，相互耦合作用形成了水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的溫度梯度，且各因素對路面溫度場特征的形成和影響各不相同。

2路面結(jié)構(gòu)溫度梯度特征

在某一瞬間，路面結(jié)構(gòu)中由溫度相同的點(diǎn)構(gòu)成等溫面，沿等溫面法線方向的溫度變化率最大，稱之為溫度梯度，正溫度梯度表示隨著深度增加，溫度降低；負(fù)溫度梯度表示隨著深度增加，溫度升高。研究發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)時段，溫度沿板厚呈非線形分布，越靠近路表面，溫度梯度變異越大，整體從上到下是先陡后緩的分布情況，隨著深度增加，溫度梯度的波幅越來越小。《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD40－2002）在計(jì)算面板溫度梯度時，將溫度沿板厚的分布視為線性分布，并推薦了各地區(qū)最大的溫度梯度值。

3早期固化溫度梯度及其影響

研究發(fā)現(xiàn)，路面混凝土鋪筑6～10小時后凝固時，路面此時沿深度會帶有明顯的溫度差，假定此時混凝土凝固時的形狀是平坦的，則這個溫度差將永久地記憶在混凝土中，日后將會顯著地影響路面的翹曲形狀和溫度應(yīng)力。國外將這個溫度差稱為“built－intemperature”，本文稱之為“固化溫度梯度”。實(shí)際上，水泥混凝土路面凝固時還有徐變、干縮和濕度梯度等影響路面的早期性狀，水泥混凝土板在使用階段的翹曲實(shí)際是5個非線性分量的綜合作用：（1）路面使用階段由外界環(huán)境引起的沿板深的溫度梯度。（2）沿板深度的濕度梯度。（3）板凝固時的溫度梯度。（4）板硬化時的干縮梯度。（5）徐變。干縮、徐變、濕度梯度和固化溫度梯度國外統(tǒng)一定義為“等效的固化溫度梯度”，因?yàn)檫@四個方面與水泥混凝土施工階段的早期性能均有相關(guān)。如果要準(zhǔn)確地進(jìn)行水泥混凝土路面的溫度應(yīng)力力學(xué)分析，除了要得到路面使用時刻的溫度場或溫度梯度特征，而且還要了解在施工階段已經(jīng)“固化”到混凝土板中的另外四個特征量。干縮、徐變、濕度梯度形成的“固化翹曲”評價很復(fù)雜，而混凝土凝固時固化的溫度場則通過早期監(jiān)測可以獲得一個相對直接的了解。

4路面板的固化翹曲

在交通荷載和長期季節(jié)氣候條件作用下，路面板應(yīng)力水平增加，固化的翹曲將隨后演變?yōu)殄e臺和裂縫問題，這將進(jìn)一步影響路面的翹曲形狀和支撐條件。對于凝固時的正溫度梯度，路面板將更容易發(fā)生板角破壞，對于凝固負(fù)溫度梯度，路面將更容易出現(xiàn)板中裂縫，干縮導(dǎo)致固化翹曲在板角比板中產(chǎn)生更嚴(yán)重的應(yīng)力，另外在一定的條件下，固化翹曲將導(dǎo)致更顯著的板的翹曲形狀，這將影響路面的初始平整度，影響路面的行車舒適性。早期齡期的溫度梯度是環(huán)境條件和水化熱的函數(shù)，板中凝固時的初期溫度梯度影響板的翹曲形狀。混凝土凝固后，由于存在固化溫度梯度（理論上講此時路面板為平整狀態(tài)無翹曲），在后期的溫度場作用下，路面會發(fā)生以下情況：（1）路面正常降溫，在干縮、濕度場和溫度場作用下，混凝土路面板因翹曲變形受到約束而產(chǎn)生溫度翹曲應(yīng)力，此時早期混凝土強(qiáng)度并沒有達(dá)到足夠強(qiáng)度，如果沒有及時鋸縫，路面會出現(xiàn)早期開裂。（2）即使及時鋸縫，在隨后的混凝土路面增長階段，如果遇到大幅度的突然降溫，溫度翹曲應(yīng)力大于混凝土強(qiáng)度，也會出現(xiàn)早期開裂。（3）如果以上情況，都通過施工控制（控制鋪筑時間、養(yǎng)生、及時鋸縫等手段）得以避免，那么路面板在后期的使用階段的溫度應(yīng)力和翹曲形狀就是“等效固化溫度梯度”和真實(shí)溫度梯度的函數(shù)。路面板會在不同的時段呈現(xiàn)不同的翹曲形狀。通常情況下，當(dāng)混凝土凝固，板的整體溫度不是均勻的，其往往是氣候條件、水化熱和養(yǎng)生方式的函數(shù)，因?yàn)樵谀虝r存在溫度梯度，板在任何時間的翹曲和卷曲將是初始溫度梯度、干縮和目前溫度梯度的函數(shù)，如圖2所示。如果溫度梯度在時刻t時為0，板的形狀將只是干縮、板自重和基層約束條件的函數(shù)，如果在凝固時溫度梯度是頂部比底部熱，那么正向溫度梯度會使面板傾向于與干縮卷曲相反的方向翹曲，可能也會使面板處于水平的形狀，另一方面，如果溫度梯度是反向的，板的翹曲會向上，再疊加由于干縮引起的板翹曲，會導(dǎo)致中等程度的向上形狀。理論上水泥混凝土在凝固時路面板為平整狀態(tài)無翹曲。圖2中（a）、（b）和（c）顯示凝固時面板處于正溫度梯度條件；圖2中（d）、（e）和（f）顯示凝固時面板處于負(fù)溫度梯度條件。圖2分別討論了面板在后期溫度場的影響下的三種情況，即后期面板處于零溫度梯度、面板處于正溫度梯度和面板處于負(fù)溫度梯度時面板的翹曲狀態(tài)。圖2（a），對于凝固時面板處于正溫度梯度，只要受外界環(huán)境影響，面板的實(shí)際溫度梯度變?yōu)?時，由于初始凝固的溫度梯度的影響，路面就會向上卷曲。這是由于相對于初始凝固溫度，面板頂部的纖維冷卻收縮，底部混凝土纖維受熱膨脹而向上翹曲，又由于干縮引起卷曲，這個影響將被加重，即面板將產(chǎn)生中度向上翹曲。圖2（b），如果面板的實(shí)際溫度梯度仍為正溫度梯度（與凝固時正溫度梯度一致），則面板保持凝固時的水平形狀，而由于干縮的影響，則將觀測到面板呈現(xiàn)輕微向上翹曲。圖2（c），如果面板的實(shí)際溫度梯度是反向的，由于凝固時正向梯度和干縮的影響，則將觀測到更嚴(yán)重的情況，即產(chǎn)生顯著的面板向上翹曲。圖2（d），對于凝固時面板處于負(fù)溫度梯度，只要面板的實(shí)際溫度梯度變?yōu)?時，由于初始凝固的溫度梯度影響，路面會產(chǎn)生輕微向下卷曲，又由于干縮引起的輕微向上卷曲，這個影響將被抵消，即面板可能呈水平狀態(tài)。圖2（e），如果面板的實(shí)際溫度梯度為正溫度梯度，則面板將產(chǎn)生中度向下卷曲，而由于干縮引起的輕微向上卷曲，這個影響將被抵消一部分，則觀測到面板呈現(xiàn)輕微向下翹曲。圖2（f），如果面板的實(shí)際溫度梯度仍為負(fù)溫度梯度（與凝固時負(fù)溫度梯度一致），則面板保持凝固時的水平形狀，而由于干縮的影響，則觀測到面板呈現(xiàn)輕微向上翹曲。對比圖2中各圖，可以看出相比于負(fù)溫度梯度，當(dāng)面板凝固時處于正溫度梯度條件下，面板變形比較明顯，面板更容易由于翹曲而產(chǎn)生裂縫。因此，在鋪筑水泥混凝土路面時，面板凝固處于負(fù)溫度梯度條件下更有利（晚上施工）。

5溫度梯度值計(jì)算方法

由固化溫度梯度和固化翹曲的關(guān)系可知，在計(jì)算凝固過后的溫度應(yīng)力時，均應(yīng)當(dāng)考慮固化溫度梯度對路面板的影響。而本文暫不考慮干縮、徐變和濕度梯度影響，重點(diǎn)討論固化溫度梯度與使用階段路面的溫度梯度耦合作用下的路面性狀。溫度應(yīng)力［10］包括兩個主要部分：一部分是由路面板頂面與底面的溫度差引起的翹曲變形受阻而產(chǎn)生的翹曲應(yīng)力；另一部分是由于路面板整體溫度的上升或下降而引起面板的脹、縮變形受阻而在板內(nèi)產(chǎn)生的熱壓應(yīng)力或收縮應(yīng)力。因此，溫度應(yīng)力計(jì)算時所采用的溫度梯度應(yīng)該為：路面的實(shí)際溫度梯度（取板頂板底溫度實(shí)際值）減去路面凝固時路面實(shí)際的梯度（取板頂板底溫度實(shí)際值），如圖3所示。這包括了脹縮A3（實(shí)際溫度梯度的溫度最小值A(chǔ)1－路面凝固時路面實(shí)際梯度的溫度最小值A(chǔ)2），A3大于零則代表路面均勻膨脹，小于零則代表均勻收縮，由于基層與面板之間的約束，會產(chǎn)生溫度應(yīng)力。另一部分則是現(xiàn)在的板頂與板底溫度梯度B1與路面凝固時路面實(shí)際的梯度B2的差值B3，這反映了路面的溫度翹曲。即溫度應(yīng)力計(jì)算所采用的溫度梯度值應(yīng)為：（A1－A2）＋（B1－B2），將其反映在實(shí)際計(jì)算中為路面實(shí)際溫度梯度與凝固時路面實(shí)際溫度梯度的差值，即（A1＋B1）－（A2＋B2）為了更直觀的反映溫度應(yīng)力計(jì)算時所采用的溫度梯度，以本研究的實(shí)測數(shù)據(jù)為例，結(jié)合本研究在長期監(jiān)測得到的最大正、負(fù)溫度梯度，以及在早期施工階段得到的凝固溫度梯度，討論溫度應(yīng)力計(jì)算時所采用的溫度梯度值，如圖4～圖7所示。該計(jì)算模型凝固溫度梯度取值方法：白天施工采用了8小時的凝固時間，以6月26日上午7∶00點(diǎn)福州馬尾路段施工為實(shí)例，8小時后的凝固溫度板頂為5813℃，板底為4862℃；晚上施工時取10小時的凝固時間，以6月25日晚上19∶00點(diǎn)福州馬尾路段施工為實(shí)例，10小時后的凝固溫度板頂為3532℃，板底溫度為3825℃。該計(jì)算模型實(shí)際溫度梯度的取值方法：最大正溫度梯度取福州316國道4月21日中午13∶00點(diǎn)為其最大值，其板頂溫度為502℃，板底溫度為2334℃；最大負(fù)溫度梯度取福州316國道4月20日凌晨1∶00點(diǎn)為其最大值，其板頂溫度為149℃，板底溫度為2158℃。

6固化溫度梯度值

針對福州地區(qū)的氣候特點(diǎn)，本研究依據(jù)19∶00和7∶00兩個鋪筑時間段所采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)，給出福州地區(qū)2007年6月25日、26日不同鋪筑時刻水泥混凝土路面的凝固溫度梯度推薦值（表1、表2）。其中假定3∶00～14∶50為白天施工時段，其凝固所需時間為6小時；15∶00～2∶50為晚上施工時段，其凝固所需時間為8小時。

7結(jié)論

對夏季高溫條件下早期施工階段水泥混凝土路面溫度場的監(jiān)測研究，得到了如下結(jié)論：（1）氣溫與輻射是影響道路溫度場的最主要因素。路面結(jié)構(gòu)溫度隨外界環(huán)境晝夜變化呈周期性變化，且隨著深度增加，溫度波動的幅度逐漸減小，波動滯后。混凝土的熱學(xué)特性是影響混凝土溫度應(yīng)力的一個重要因素，混凝土在澆筑的初期，水泥在水化過程中釋放出大量的水化熱，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)這種拉應(yīng)力超過混凝土本身的極限抗拉強(qiáng)度時，混凝土表面就會產(chǎn)生裂縫。（2）路面板會在不同的時段呈現(xiàn)不同的翹曲形狀，得到相比于負(fù)溫度梯度，當(dāng)面板凝固時處于正溫度梯度條件下，面板變形比較明顯，面板更容易由于翹曲而產(chǎn)生裂縫。因此，在鋪筑水泥混凝土路面時，面板凝固處于負(fù)溫度梯度條件下更有利（晚上施工）。（3）結(jié)合國外資料，提出路面板在后期的使用階段的溫度應(yīng)力和翹曲形狀是等效固化溫度梯度和真實(shí)溫度梯度的函數(shù)。以福州馬尾溫度場長期監(jiān)測得到的最大正、負(fù)溫度梯度，以及在早期施工階段得到的凝固溫度梯度，得到溫度應(yīng)力計(jì)算時所采用的溫度梯度值。（4）依據(jù)19∶00和7∶00兩個鋪筑時間段所采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)，給出了2007年6月25至6月26日福州地區(qū)水泥混凝土路面一天內(nèi)不同施工時段凝固溫度推薦值，得到早上8∶00～9∶00施工時，其路面結(jié)構(gòu)凝固溫度達(dá)到最大值。

作者：曾惠珍 單位：福建船政交通職業(yè)學(xué)院道路工程系