基于基床温度的水泥路面早龄期应力强度比分析

张艳聪，高玲玲

(1. 山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点试验室，山西 太原 030006；2. 山西水利职业技术学院 道路与桥梁工程系，山西 运城 044004)

基于基床温度的水泥路面早龄期应力强度比分析

张艳聪1，高玲玲2

(1. 山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点试验室，山西 太原 030006；2. 山西水利职业技术学院 道路与桥梁工程系，山西 运城 044004)

为探究板基床温度对水泥混凝土路面早龄期开裂的影响，在相同施工环境条件下向温度分别为10，15，20，25，30，35 ℃的基床上铺筑水泥混凝土面层，基于Hiperpav软件，分别测算铺筑72 h内路面板弯拉强度和最大主应力的发展规律，并比较其开裂风险。结果表明：基床温度越高，路面板弯拉强度形成越快，结构应力出现越早，且强度和应力均大于基床温度较低时，因此应选择基床温度较低时铺筑水泥混凝土面层；面层浇筑后的48 h内，基床温度差异对路面板结构应力的影响远大于弯拉强度，因此应重视该时段的外部养生，以降低基床温度高引起的开裂风险；面层混凝土终凝时，应力强度比达到第一次峰值，之后，环境温度逐渐取代基床温度成为影响强度应力比的主导因素，因此针对基床温度差异引起的开裂，其控制措施应在终凝前施加。

道路工程；基床温度；应力强度比；水泥混凝土路面；早龄期开裂

0 引 言

水泥混凝土路面板产生温度翘曲的原因源于两方面：①太阳辐射引起的温度梯度，主要影响强度已经形成的混凝土板；②板顶干缩、水泥水化及板底热交换引起的固化温度梯度[1-2]，该温度梯度虽在硬化过程中产生，但硬化后依然长期存在[3-4]。二者合成的有效温度梯度是影响水泥混凝土路面板翘曲应力的真实原因。固化温度梯度的形成在混凝土硬化阶段完成，因此面层铺筑后的72 h是结构开裂的高风险期[5-7]。在这一时段内，早期强度缓慢形成，结构应力不断增大。若强度的提高不足以抵抗应力的发展，路面则容易开裂[8-9]。

F．N．HVEEM等[10-11]认为固化温度梯度在大多情况造成路面板向上翘曲，甚至会出现板角与基层分离的情况，对路面受荷非常不利；S．A．WELLSA等[12]指出固化翘曲引起路面对角线方向的曲率可以达到1.24×10-5～4.08×10-5m-1，严重时将导致断板现象；冯德成等[13]利用野外足尺试验路，考虑太阳辐射、养生条件的影响，观测了硬化阶段混凝土路面板的温度场，并计算了固化温度梯度；魏亚等[14]提出了两种气温条件下混凝土面板的固化温差的计算方法，并利用有限元分析了固化温差对翘曲应力的影响；胡昌斌等[15]在分析了固化温差对路面翘曲应力的影响基础上，提出了基于固化基础温度和固化温差的早龄期混凝土路面板温度场控制原则。

以上研究多以气温变化和后期养生条件下的固化温度梯度及其影响为重点，忽略了混凝土路面板和基床的温度交换对结构早龄期应力的影响。然而在水泥混凝土硬化过程中，基床是混凝土板早期热量补偿或流失的重要源头，基床在混凝土铺筑时的温度直接影响着路面板的固化翘曲应力和开裂风险。鉴于此，笔者基于HIPERPAV软件，采用太原的典型气象资料，测算环境气温、养生条件相同时，面层浇筑时刻的基床温度对半刚性基层水泥混凝土路面强度形成阶段应力发展的影响，并比较混凝土铺筑72 h内强度和应力的变化关系，以期从基床温度的角度为路面板早龄期裂缝控制提供参考。

1 模型建立与参数选择

1.1 结构模型的建立

路面结构采用Winkler地基上的三维结构模型；E1，E2，μ1，μ2，ρ1，ρ2分别为面层、基层的弹性模量、泊松比和密度；k为地基反应模量。面层和基层四边自由，层间存在摩阻，接触状况服从改进的Coulomb模型。

1.2 参数选择

一般参数的选取依据经验进行，如表1。

表1 一般参数取值

(续表1)

参数取值弹性模量E2/MPa3000泊松比μ20．25导热系数β/(W·m-1·k-1)2．25密度ρ2/(kg·m-3)2350

水泥混凝土面层锯缝前的平面尺寸为5 000 cm×400 cm，锯缝后平面尺寸为500 cm×400 cm。面层与周围介质的湿热交换模型参考J．H．JEONG等[16]的研究成果，板顶和板底热交换引起的温度变化沿面层混凝土厚度方向线性叠加。面层与基层的接触参数由层间剪切试验确定。面层混凝土早龄期力学行为分析时，考虑传力杆对其的影响，传力杆长度为50 cm，直径32 mm，泊松比为0.3，弹性模量为200 GPa，传力杆竖向支撑刚度为1 500 MPa/m。

面层与基层的层间接触参数通过顶推试验获得，层间剪切刚度由最大剪力和剪力拐点对应的位移确定。

试验时，先成型90 cm×90 cm×20 cm的水泥混凝土碎石基层，养生后表面采用乳化沥青处置，浇筑80 cm×80 cm×26 cm的水泥混凝土面层，标准养生28 d。试件制备完成后，整体置于水平剪切试验槽中，基层通过千斤顶与试验槽四周固定，水平放置的MTS作动器作用在面层侧面，以0.06 mm/min的速率进行竖向压力为3 kN(接地压力约0.7 MPa)作用下的剪切试验，记录剪力-位移曲线(图1)，层间剪切刚度为9.3 kPa/mm。

图1 剪力-位移曲线Fig.1 Shear-displacement curve

2 对路面板早龄期强度和应力影响

2.1 试验方法

为测算基床温度对水泥混凝土路面板早龄期弯拉强度和应力发展的影响，同时避免太阳辐射、环境气温、养生方式等其他因素的干扰，试验基于HIPERPAV软件，采用单因素分析法，向温度分别为10，15，20，25，30，35 ℃的水泥稳定碎石基层上铺筑相同材料组成的水泥混凝土面层，计算基床温度对面层铺筑72 h内的强度和应力的影响。

大气温度依据太原市气象统计资料给定，某月日小时平均气温变化如图2。设定在该月份铺筑混凝土面层，6种基床温度下面层的铺筑时间均为上午8时，并在铺筑完成6 h后同时采用上覆麻布保水养生的措施进行养生，日小时平均风速恒定为9 m/h，云层覆盖率恒定为50%，浇筑时面层混凝土温度均为15 ℃。当温度小时积达到200时，面层开始锯缝。

图2 日平均气温曲线Fig.2 Daily average temperature curve

2.2 计算结果与分析

2.2.1 基床温度对路面板早龄期弯拉强度的影响

图3为6种基床温度对水泥混凝土路面板早龄期弯拉强度影响的时变曲线。总体而言，随龄期的延长，面层弯拉强度不断增加。浇筑时基床温度越高，同龄期的路面板弯拉强度越大，且72 h内的强度均高于基床温度较低者。由图3可知，基床温度为35 ℃时，面层强度平均较10 ℃时提高约9.92%。

图3 混凝土面板早龄期弯拉强度时变曲线Fig.3 Time variation curve of early flexural tensile strength of concrete slab

基床温度对弯拉强度的形成时间也有较大影响。基床温度越高，强度的形成时间越早，这与基床温度越高混凝土的终凝时间越早密不可分。经实测，基床温度为10 ℃时，终凝时间约为5.5 h，基床温度为35 ℃时，终凝时间约为4.5 h。此外，自混凝土浇筑时刻至水化热引起的温度积聚最高(约14 h)时，早龄期弯拉强度快速增长，且基床温度越高，增长速度越快。

2.2.2 基床温度对路面板最大主应力的影响

6种基床温度对水泥混凝土路面板早龄期最大主应力影响的时变曲线如图4。总体而言，最大主应力的发展主要随环境温度的变化波动起伏，龄期越长，日最大主应力越大。

图4 混凝土面板早龄期应力的时变曲线Fig.4 Time variation curve of early stress of concrete slab

基床温度对混凝土路面板最大主应力的发展影响较大。当龄期相同时，基床温度越高，面板的最大主应力越大，且均大于基床温度较低者。由图4可知，基床温度为35 ℃时，面板的日最大主应力较10 ℃时增长约32.8%；对比图3，面层混凝土浇筑48 h内，基床温度高引起的最大主应力增长速度远大于弯拉强度。因此日最大主应力的发生时刻也是路面板早龄期开裂发生的关键时段。该时段内混凝土强度仍较低，应力发展迅速，路面结构随时面临开裂的风险。因此，需重视该时段的外部养生，以降低混凝土路面板面临的高开裂风险。

2.2.3 基床温度对路面板应力强度比的影响

为了更加直观地比较路面板早龄期弯拉强度和结构应力发展的关系，分析6种基床温度下路面板早龄期开裂的风险，绘制铺筑后72 h内路面应力强度比的时变曲线如图5。

图5 混凝土面板应力强度比的时变曲线Fig.5 Time variation curve of stress-strength ratio of concrete slab

混凝土终凝时，应力强度比达到第1次峰值，且基床温度越高，应力强度比峰值越大，开裂风险越高。以基床温度为35 ℃的路面板为例，其应力强度比较10 ℃的高约72%。因此，选择基床温度较低时铺筑混凝土面层，有利于预防路面板早龄期开裂。

此后，应力强度比的时变曲线主要随环境温度的变化而波动，峰值出现的时间较环境温度峰值滞后约3 h，但仍受基床温度的影响。当应力强度比达到第3次峰值(龄期为44 h)时，基床温度为35 ℃的面板的应力强度比为0.81，较10 ℃的高约17.4%，当达到第4次峰值时，高约13.5%。可见，面层混凝土终凝时，基床温度对应力强度比的影响最大，之后环境温度逐渐取代基床温度成为其主导因素。因此，针对基床温度引起的开裂，其控制措施应在终凝前施加，终凝后路面板开裂的应对方案应主要针对环境温度与水化热的叠加效应设计。

3 结 论

1)基床温度对水泥混凝土路面板的早龄期弯拉强度和结构应力存在较大影响。基床温度越高，弯拉强度形成越快、结构应力出现越早，基床温度高的强度和应力均大于低的。为降低水泥混凝土路面板早龄期开裂风险，应选择基床温度较低时铺筑水泥混凝土面层。

2)混凝土浇筑后的48 h内，基床温度高引起的最大主应力增长速度远大于弯拉强度。因此，日最大主应力的发生时刻也是路面板发生开裂的高危时刻。该时段内混凝土强度仍较低，应力发展迅速，路面结构随时面临开裂的风险，因此需重视该时段的外部养生，以降低基床温度高引起的开裂风险。

3)面层混凝土终凝时，应力强度比达到第1次峰值，此时，基床温度是造成强度应力比差异的主要原因，之后，环境温度逐渐取代基床温度成为影响应力强度比的主导因素。因此，对于基床温度差异引起的开裂，其控制措施应在终凝前施加，终凝后的开裂应对方案应主要针对环境温度与水化热的叠加效应设计。

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Stress-Strength Ratio of Cement Pavement at Early Age Based on Base Temperature

ZHANG Yancong1, GAO Lingling2

(1. Key Laboratory of Highway Construction & Maintenance in Loess Region, Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan 030006, Shanxi, P.R.China; 2. Department of Road & Bridge Engineering, Shanxi Conservancy Technical Institute, Yuncheng 044004, Shanxi, P.R.China)

In order to explore the effect of base temperature on early cracking of concrete pavement slabs, the cement concrete surface was paved in the same construction environment on six kinds of bases whose temperature was 10, 15, 20, 25, 30, 35 ℃, and the development rules of flexural tensile strength and maximum principal stress of concrete slabs within 72 h after the pavement were calculated respectively based on the software Hiperpav. And the risks of cracking were also compared. The results show that: the higher the base temperature, the faster forming of slab flexural tensile strength and the earlier the structure stress; moreover, the strength and stress of slab in higher temperature are greater than in lower temperature; so, it is better to pave cement concrete surface when the base temperature is lower. Within 48 hours after paving, the impact of base temperature difference on structure stress is much greater than flexural tensile strength; so, the outside curing in this period should be paid attention in order to reduce the risk of cracking caused by the high base temperature. The stress-strength ratio reaches the first peak when the surface concrete is finally coagulated; and then, the ambient temperature replaces the base temperature and gradually becomes the dominant factor affecting the stress-strength ratio. Therefore, the control measures against the cracking caused by base temperature difference should be applied before the final coagulation.

highway engineering; base temperature; stress-strength ratio; cement concrete pavement; early cracking

2015-04-17；

2015-09-10

国家自然科学基金项目(51308329)；山西省自然科学基金项目(2013011027-1,2015021115)；山西省交通运输厅科技项目(2013-1-10,2015-1-26)

张艳聪(1985—)，男，河南鲁山人，工程师，博士研究生，主要从事路面结构与新材料方面的研究。E-mail：zuoyouan103@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.08

U416

A

1674-0696(2016)06-034-04