水泥混凝土路面的溫度梯度

1、精心整理水泥混凝土路面的溫度梯度水泥混凝土路面（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(duì) 水的消耗以及路面表面水分散失都會(huì)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(huì)產(chǎn)生應(yīng)力與變形。我國有關(guān)施工階段溫度場對(duì)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7 2小 時(shí)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玻矗薟捎帽礱媛

2、擲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(duì)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(duì)角線方向的曲率可以達(dá) 到12 4X1 0玻擔(dān)愍玻保云茉際路面）和4 0 8 X 1 0玻擔(dān)愍玻保卩雜陜?cè)L媯。 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(duì)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(duì)路面早期 和長期性能的影響。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)不同時(shí)段鋪筑的路面混

3、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玻福蕁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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)的幅度逐漸減小，波動(dòng)滯后。1

4、、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(gè)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(duì)混凝土絕熱溫升速率和最終絕熱溫升值影響很大9?；?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35d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(duì)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(shí)，混凝土表面就會(huì)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

5、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(duì)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(shí)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（JT GD 40-2002 ）在計(jì)算面板溫度梯度時(shí)，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

6、溫度梯度值。、7 丿” JI |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610小時(shí)后凝固時(shí)，路面此時(shí)沿深度會(huì)帶有明顯的 溫度差，假定此時(shí)混凝土凝固時(shí)的形狀是平坦的，則這個(gè)溫度差將永久地記憶在混 凝土中，日后將會(huì)顯著地影響路面的翹曲形狀和溫度應(yīng)力。國外將這個(gè)溫度差稱為 builtintemperature，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(shí)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(gè)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(shí)的溫度梯度。（4）板硬化

7、時(shí)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(gè)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(shí)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(gè)特征量。干縮、徐變、濕度 梯度形成的“固化翹曲”評(píng)價(jià)很復(fù)雜，而混凝土凝固時(shí)固化的溫度場則通過早期監(jiān) 測可以獲得一個(gè)相對(duì)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(cuò)臺(tái)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(duì)于

8、凝固時(shí) 的正溫度梯度，路面板將更容易發(fā)生板角破壞，對(duì)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(shí)的初期溫度梯度影響板的翹曲形狀?；炷聊毯?，由于存在固化溫度梯度（理論上講此時(shí)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(huì)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(shí)早期混凝土強(qiáng)度并沒有達(dá)到足夠強(qiáng) 度，

9、如果沒有及時(shí)鋸縫，路面會(huì)出現(xiàn)早期開裂。（2）即使及時(shí)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(huì)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(shí)間、養(yǎng)生、 及時(shí)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(huì)在不同的時(shí)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(shí)存在溫度梯度，板在任何時(shí)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

10、時(shí)刻t時(shí)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(shí)溫度梯度是頂部比底部熱，那么正向溫度梯度會(huì)使面板傾向于與干縮 卷曲相反的方向翹曲，可能也會(huì)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(huì)向上，再疊加由于干縮引起的板翹曲，會(huì)導(dǎo)致中等程度的向 上形狀。理論上水泥混凝土在凝固時(shí)路面板為平整狀態(tài)無翹曲。圖2中（a）（b）和（c）顯示凝固時(shí)面板處于正溫度梯度條件；圖2中（d）（e ）和（f）顯示凝固時(shí)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(shí)面板的翹曲狀態(tài)。

11、圖2（a），對(duì)于凝固時(shí)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(shí)，由于初始凝固的溫度梯度的影 響，路面就會(huì)向上卷曲。這是由于相對(duì)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(gè)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(shí)正溫度梯度一致），則面板保持凝固時(shí)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(shí)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(duì)于

12、凝固時(shí)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(shí)，由于初始凝固的溫度梯度影響，路面會(huì)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(gè)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(gè)影響將被抵消一部分，貝S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(shí)負(fù) 溫度梯度一致），則面板保持凝固時(shí)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(duì)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(shí)處于正溫度梯度條件下，面板變形比較明

13、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(shí)，面板凝固處于負(fù)溫度梯度條件下更有利（晚上施 工）。I 15溫度梯度值計(jì)算方法11 1 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(shí)，均應(yīng)當(dāng)考 慮固化溫度梯度對(duì)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(gè)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(shí) 所采用的

14、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(shí)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(shí)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(huì)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E1與路 面凝固時(shí)路面實(shí)際的梯度E2的差值E3,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：（A1A2） + （ 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(shí)路面實(shí)際溫度梯度的差值，即（A1+B1） （A2 +

15、B2）為了更直觀的反映溫度應(yīng)力計(jì)算時(shí)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(shí)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(shí)的凝固 時(shí)間，以6月2 6日上午7：0 0點(diǎn)福州馬尾路段施工為實(shí)例，8小時(shí)后的凝固溫 度板頂為5 8 13C，板底為4 8 6 2 C ;晚上施工時(shí)取10小時(shí)的凝固時(shí)間，以 6月2 5日晚上19：0 0點(diǎn)福州馬尾路段施工為實(shí)例，10小時(shí)后的凝固溫度板 頂為3 5 3 2 C，板底溫度為3 8 2 5 C。該計(jì)算模型實(shí)際溫度梯

16、度的取值方法： 最大正溫度梯度取福州3 16國道4月2 1日中午13：0 0點(diǎn)為其最大值，其板 頂溫度為5 0 2 C，板底溫度為2 3 3 4 C ;最大負(fù)溫度梯度取福州316國道4 月2 0日凌晨1：00點(diǎn)為其最大值，其板頂溫度為149C，板底溫度為215 8C。6固化溫度梯度值針對(duì)福州地區(qū)的氣候特點(diǎn)，本研究依據(jù)19：0 0和7：0 0兩個(gè)鋪筑時(shí)間段所采 集的監(jiān)測數(shù)據(jù)，給出福州地區(qū)2 0 0 7年6月25日、26日不同鋪筑時(shí)刻水泥混 廠J I=凝土路面的凝固溫度梯度推薦值（表1、表2）。其中假定3：0 014：50 為白天施工時(shí)段，其凝固所需時(shí)間為6小時(shí)；15：002：50為晚上施工時(shí) 段

17、，其凝固所需時(shí)間為8小時(shí)。7結(jié)論i''對(duì)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(dòng)的幅度逐漸減小，波動(dòng)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(gè)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(shí)，混凝土表面就會(huì)產(chǎn)生裂縫。（2） 路面板會(huì)在不同的時(shí)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(shí)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(shí)，面板凝固處于負(fù)溫