水泥混凝土路面的溫度梯度

1、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(chǎng)、濕度場(chǎng)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(chǎng)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72 小時(shí)的溫度場(chǎng)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 玻矗薟捎帽礱媛擲儀研

2、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*茉際路面）和4 0 8 X1 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)段鋪筑的路面混凝土在水

3、化熱和外界氣候的共同作用下，路面溫度場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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、2混

4、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?；炷猎跐仓?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)部因素綜合

5、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(chǎng)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 4 0 - 2 0 0 2 )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

6、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“built-intern perature，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(chǎng)或溫度梯度特 征，而且還要了解在施工階段已經(jīng)“固化”至魄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(chǎng)則通過早期監(jiān)測(cè)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

8、。對(duì)于凝固時(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(chǎng)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(chǎng)和溫度場(chǎng)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

9、夠強(qiáng)度，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

10、果溫度梯度在時(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）、（c ）和（門顯示凝固時(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(chǎng)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

11、梯度時(shí)面板的翹曲狀態(tài)。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(cè)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(cè)到更嚴(yán)重的情況，即產(chǎn)生顯著的面板向

12、上翹曲。圖2（d），對(duì)于凝固時(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，貝鳳測(cè)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(cè)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

13、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(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)

14、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(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B1與路面凝固時(shí)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-A 2） + （ B1B2），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）

15、 （A2 + B 2）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(cè)數(shù)據(jù)為例，結(jié)合本研究在長期監(jiān)測(cè)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26日上午7：00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 1 3C,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

16、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13：0 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20日凌晨1： 0 0點(diǎn)為其最大值，其板頂溫度為14 9C，板底溫度為2158C。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(cè)數(shù)據(jù)，給出福州地區(qū)2 0 0 7年6月2 5日、 2 6 0不同鋪筑時(shí)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3：0014：50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

17、時(shí)段，其凝固所 需時(shí)間為8小時(shí)。7結(jié)論對(duì)夏季高溫條件下早期施工階段水泥混凝土路面溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)研究， 得到了如下結(jié)論：（1）氣溫與輻射是影響道路溫度場(chǎng)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?；炷恋臒釋W(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)溫度梯度條件下