鋸縫前后混凝土面板早期溫度特征及應(yīng)力分析

曾惠珍

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院 土木工程學(xué)院，福州 350002)

在夏季高溫條件下施工的路面，往往由于過高的外界環(huán)境溫度，導(dǎo)致過早出現(xiàn)較大的早期溫度應(yīng)力，使路面出現(xiàn)早期開裂現(xiàn)象.此外，水泥混凝土路面板在“早齡期”還可能引發(fā)殘余應(yīng)力和硬化翹曲.所謂早齡期，指水泥混凝土路面澆筑完成后的72 h內(nèi)的齡期.在早齡期階段，溫度場、濕度場處于波動(dòng)狀態(tài)，相鄰板的約束與下臥層支撐條件的改變，都有可能使面板產(chǎn)生殘余應(yīng)力和硬化翹曲，從而直接影響路面的后期使用.因此，對夏季高溫時(shí)段施工的水泥混凝土路面溫度場特性及其影響進(jìn)行研究，對于控制水泥混凝土路面的服務(wù)性能具有重要理論和實(shí)踐意義.

福建省干線公路廣泛采用水泥混凝土路面，且福建省屬于亞熱帶氣候，各季氣溫皆偏高.2020 年全省年平均氣溫20.6 ℃，為1961 年以來歷史最高，并且出現(xiàn)了極端最高氣溫41.1 ℃(7月24 日的閩侯)，這種高溫天氣對于水泥混凝土路面施工階段乃至后期使用階段，均會(huì)產(chǎn)生顯著影響.

2006—2008 年，有學(xué)者[1-3]進(jìn)行了硬化溫度梯度確定方法的研究，并確定終凝時(shí)刻水泥混凝土路面內(nèi)部溫度梯度作為硬化溫度梯度.可見，硬化翹曲對路面長期性能的影響得到了進(jìn)一步的量化分析.2013 年，Yeon 等[4]根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，分析了水泥混凝土路面早齡期應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展，并確定了殘余應(yīng)力和硬化翹曲對路面服役行為的影響.2015 年，權(quán)磊[5]建立了早齡期混凝土路面熱-濕-力順序耦合計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了對早齡期水泥混凝土路面溫度場、濕度場的連續(xù)模擬.2021 年，王麗娟等[6]指出面板在早齡期階段終凝固化溫度差對固化翹曲影響將產(chǎn)生明顯衰減，且面板早齡期更傾向于固化負(fù)溫度差，加劇面板板角翹曲.2021 年，胡昌斌等[7]基于福建夏季高溫、冬季低溫和隧道恒溫進(jìn)行了在不同環(huán)境條件下的路面板早齡期行為現(xiàn)場試驗(yàn)，指出夏季施工面板早齡期應(yīng)力和翹曲量均顯著高于冬季，且在隧道恒溫條件下，面板由于濕度收縮會(huì)形成板角始終向上的凹形固化翹曲.

本文結(jié)合水泥混凝土路面板在夏季不同施工時(shí)段的早期溫度場進(jìn)行研究，分析了不同時(shí)段鋪筑施工時(shí)路面的早期溫度場特征；計(jì)算了早期溫度應(yīng)力；確定了合理鋸縫時(shí)間；分析考慮了固化溫度梯度時(shí)路面使用階段的溫度應(yīng)力，并對鋸縫前、后的路面早期溫度應(yīng)力進(jìn)行了對比研究.

2 早齡期溫度場特征

本文以福建省104 國道福州馬尾段為研究對象，并對該段水泥混凝土路面不同施工時(shí)段的實(shí)地氣象和路面結(jié)構(gòu)溫度場及變形進(jìn)行了連續(xù)72 h的監(jiān)測，監(jiān)測路面深度如圖1 所示.

圖1 溫度傳感器布置深度示意

對在夏季高溫氣象條件下，水泥混凝土路面不同時(shí)段鋪筑施工時(shí)的早期溫度場特征及其對水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能的影響特性進(jìn)行了分析研究，得到其路面板中溫度隨時(shí)間變化曲線，見圖2.從圖2 中可以看出，水泥混凝土路面鋪筑后在頭24 h 溫幅比較大，這主要是由水化熱和夏季高溫共同影響的；24 h 后溫幅減小，這主要是受氣溫等環(huán)境因素的影響.對比圖2(a)～圖2(d)可知，在水化熱階段，板溫先隨著深度的增加而加大；到17 cm 深度處后，隨著深度的增加板溫逐漸減小，即9 cm 深度處的溫度要比3 cm 深度處的溫度高，17 cm 深度處的溫度要比9 cm 深度處的溫度高，但是17 cm 深度處的溫度又要比23 cm 深度處的高.不同深度之間的溫度差會(huì)隨著深度的增大而逐漸減小，由圖2(b)～圖2(d)可知，曲線之間的溫度差越來越接近，對比17 和23 cm 深度處的溫度時(shí)，可發(fā)現(xiàn)2 個(gè)位置處的溫度幾乎重合.

水化熱對早期面板溫度場的影響很大.水化熱的影響都是在5～6 h 之后才有明顯表現(xiàn)，最高時(shí)貢獻(xiàn)溫度值達(dá)10 ℃.夜晚施工的混凝土板，在24 h 后水化熱影響已基本結(jié)束；而清晨施工的混凝土板，在24 h 后一段時(shí)間內(nèi)水化熱還會(huì)有顯著影響.

3 早期溫度裂縫機(jī)理

在施工后的第1 h，各種因素相互作用導(dǎo)致混凝土體積變化，而其中最主要的因素是溫度和濕度的變化；在硬化過程中，因?yàn)榘宓穆N曲、卷曲和板與基層之間對豎向位移的約束等原因，混凝土中開始形成內(nèi)應(yīng)力.而路面板頂面和底面的溫度差引起的翹曲應(yīng)力及路面板整體溫度的上升或下降引起的收縮應(yīng)力是內(nèi)應(yīng)力的主要組成部分.經(jīng)驗(yàn)表明，在路面鋪筑的前72 個(gè)h 的早齡期養(yǎng)護(hù)階段會(huì)產(chǎn)生顯著的應(yīng)力，若不能正確處理有可能出現(xiàn)斷裂，一般斷裂發(fā)生在以下2 個(gè)階段.

第1 個(gè)階段為鋸縫前.此階段混凝土處于水化熱階段，使得路面板處于膨脹變形狀態(tài)，此時(shí)的溫度拉應(yīng)力σ拉由2 部分應(yīng)力組成，一是面板底部由于受到路基的約束而產(chǎn)生約束應(yīng)力；二是面板頂部與底部的溫度差而產(chǎn)生的翹曲應(yīng)力.將σ拉與混凝土早期抗拉強(qiáng)度R比較：

當(dāng)R＞σ拉時(shí)，混凝土面板安全；

當(dāng)R＜σ拉時(shí)，混凝土面板將被拉裂.

第2 個(gè)階段為鋸縫后.此階段面板的抗拉強(qiáng)度還沒有達(dá)到最大穩(wěn)定值，此時(shí)面板若受到大幅度的降溫，則其將產(chǎn)生很大的收縮應(yīng)力.將此時(shí)得到的收縮應(yīng)力與混凝土早期抗拉強(qiáng)度R比較：

當(dāng)R＞收縮應(yīng)力時(shí)，混凝土面板安全；

當(dāng)R＜收縮應(yīng)力時(shí)，混凝土面板將產(chǎn)生裂縫.

路面板在早期施工階段，由于干縮也會(huì)產(chǎn)生一部分應(yīng)力，但是這一部分應(yīng)力可以通過養(yǎng)護(hù)來消除，因此可以不考慮.

4 早期的溫度應(yīng)力計(jì)算

4.1 溫度梯度取值方法

路面板的溫度應(yīng)力受徐變、干縮、濕度梯度、固化溫度梯度等因素影響，分析時(shí)可以用一個(gè)總的等效溫度梯度ΔTtot來描述，如圖3 所示，即將等效溫度梯度直觀地簡縮成3 個(gè)部分.本文暫不考慮干縮、徐變、濕度梯度影響，將計(jì)算早期的溫度應(yīng)力所采用的溫度梯度理想化為只受路面板的固化溫度梯度的影響，即為路面實(shí)際溫度梯度-固化溫度梯度[8].

圖3 等效溫度梯度

4.2 鋸縫前的早期溫度應(yīng)力計(jì)算

基于以上觀測得到的早期溫度場，重點(diǎn)探討考慮了固化溫度梯度的夏季高溫時(shí)期施工的混凝土板的早期溫度應(yīng)力特性.

基于EverFE2.24 三維有限元軟件，計(jì)算了鋸縫前混凝土早期溫度應(yīng)力，而面板溫度梯度則按非線性進(jìn)行計(jì)算.

由于混凝土的早期彈性模量具有較大的離散性，故取其平均值，如表1 所示.鋸縫前混凝土板的尺寸假定為4 m×25 m.

表1 早期混凝土彈性模量

由于不同施工時(shí)段的混凝土其凝固時(shí)間以及凝固溫度不同，則假定19:00 鋪筑的路面板(板1)取7 h 為其凝固時(shí)間，7:00 鋪筑的路面板(板2)取6 h 為其凝固時(shí)間.將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)繪制成圖，見圖4.其中，R為混凝土的抗拉強(qiáng)度曲線，齡期為6，7 和9 h 的早期混凝土彈性模量采用線性插值[10].

圖4 拉應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度對比曲線

從圖4 中可以看出，夏季鋪筑面板時(shí)，板2(7:00 施工)在鋪筑后8 h 時(shí)，σ拉＞R，混凝土面板將出現(xiàn)裂縫；板1(19:00 施工)在鋪筑后14 h 時(shí)，σ拉＞R，混凝土面板將出現(xiàn)裂縫.同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在鋪筑后8～16 h 區(qū)間的相同齡期，早晨施工的面板拉應(yīng)力較傍晚施工的要大，裂縫出現(xiàn)的時(shí)間也早，如果10 h 前未鋸縫，則斷板發(fā)生的可能性將變得極大.可見，對于高溫下早晨施工的混凝土面板，一方面要提早鋸縫以釋放拉應(yīng)力杜絕斷板發(fā)生；另一方面也要避免過早鋸縫導(dǎo)致可能出現(xiàn)啃邊.

鋸縫時(shí)間宜選擇在8～10 h，這個(gè)時(shí)間的具體選擇和面板的溫度梯度值有關(guān)，溫度梯度值又與水化熱及氣溫有關(guān).將溫度梯度近似為線性的，可以用公式(1)表示.

其中，ΔT為溫度梯度；T水化熱為水化熱值；h為面板厚度；T為氣溫值；α為考慮其他可能影響因素引起的修正系數(shù).

不同時(shí)間段的水泥路面施工受氣溫的影響比較大，氣溫不同鋸縫時(shí)機(jī)也應(yīng)有所不同.以2020年福建省為例，夏季極端高溫為 33.1 ℃(周寧)～41.1 ℃(閩侯)，平均氣溫在27.5 ℃左右.以此為標(biāo)準(zhǔn)，前10 h 平均溫度＞27.5 ℃，說明混凝土凝結(jié)早期處在高溫區(qū)，鋸縫時(shí)間應(yīng)提早，可定為8～9 h；如果前10 h 平均溫度＜27.5 ℃，鋸縫時(shí)間則定在9～10 h.因此，要根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w的氣溫和板溫情況確定鋸縫時(shí)機(jī).

4.3 鋸縫后的早期溫度應(yīng)力計(jì)算

鋸縫后的混凝土面板通過鋸縫處的斷裂釋放應(yīng)力，在正常情況下不會(huì)發(fā)生斷板，但在夏季高溫下施工的混凝土面板，如大范圍降溫，將引起溫度應(yīng)力的突然加大，可能引起斷板.鋸縫后發(fā)生突然降溫對混凝土面板可能有2 個(gè)方面的影響：一是整體溫度下降帶來的溫度應(yīng)力值影響；二是上下板面溫度差值變化帶來的溫度應(yīng)力值影響.其中，第2 種影響在計(jì)算時(shí)難以模擬，故暫將其忽略，僅將降溫影響理想地假設(shè)為面板內(nèi)同時(shí)同步均勻降溫.

為確定混凝土面板所能經(jīng)受的降溫范圍，降溫幅度由5 ℃開始，并以5 ℃梯度累加計(jì)算拉應(yīng)力值，直至出現(xiàn)可能斷裂的情況.

4.3.1 抗拉強(qiáng)度取值

根據(jù)文獻(xiàn)[9]提出的E與齡期t的關(guān)系為

其中，E28為混凝土28 d 齡期的彈性模量，該值由試驗(yàn)確定.

根據(jù)彈性模量的經(jīng)驗(yàn)公式[10]

其中，cE為彈性模量；cR為抗拉強(qiáng)度.經(jīng)變化得

文獻(xiàn)[10]基于早齡期的混凝土材料指標(biāo)進(jìn)行了研究，得出抗拉強(qiáng)度f的推算公式：

結(jié)合公式(4)和公式(5)可得

結(jié)合公式(2)和公式(6)得到混凝土早期抗拉強(qiáng)度值如表2 所示.

表2 各模量(齡期)對應(yīng)拉應(yīng)力

4.3.2 降溫對面板應(yīng)力影響

結(jié)合7:00 和19:00 施工的面板，同樣采用水泥混凝土路面三維有限元計(jì)算軟件EverFE2.24進(jìn)行混凝土早期溫度應(yīng)力計(jì)算.面板尺寸為4.5 m×5 m.第1 和第2 塊板的凝固溫度依據(jù)前面所述，分別取鋪筑后7 和6 h 作為其凝固溫度梯度，分別討論凝固后24，36，48，60 和72 h 溫度降溫對面板應(yīng)力的影響.該計(jì)算結(jié)果僅考慮面板整體降溫而忽略上下板面溫度差值變化，如圖5 和圖6 所示.

圖5 19:00 施工的面板均勻降溫產(chǎn)生的拉應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度對比

圖6 7:00 施工的面板均勻降溫產(chǎn)生的拉應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度對比

由圖5和圖6可知，當(dāng)面板整體均勻降溫時(shí)，拉應(yīng)力曲線出現(xiàn)較規(guī)則的折線式發(fā)展.由圖5 可知，當(dāng)溫度均勻降溫10 ℃時(shí)，板1(19:00 施工)在凝固后30～48 h，出現(xiàn)拉應(yīng)力明顯大于抗拉強(qiáng)度，即可能發(fā)生斷板；而隨著水化熱影響逐漸變小，在48 h 后拉應(yīng)力又低于抗拉強(qiáng)度.

由圖6 可知，降溫5，10 和15 ℃，板2(7:00施工)的拉應(yīng)力都沒有超過面板的抗拉強(qiáng)度，這與實(shí)際情況不符合.分析認(rèn)為對于7:00施工的面板，在突然降溫對其的影響中，第2 種影響(溫度差)比第1 種影響(整體溫度)大，并占了主要部分，而這方面影響難以模擬.因此，這部分計(jì)算結(jié)果只能作為分析應(yīng)力走勢的依據(jù).

從圖5 和圖6 可以推測，在24 h 后第1 個(gè)早晨如果出現(xiàn)突然降溫就是鋸縫后斷板發(fā)生可能性最大的時(shí)刻，如果降溫達(dá)到或接近10 ℃將出現(xiàn)斷板，而越到后期，隨著混凝土強(qiáng)度的增長，這種危險(xiǎn)逐漸減小直至無影響.

5 結(jié)論

1)水泥混凝土路面鋪筑后的24 h 內(nèi)路面板的增溫幅度比較大，24 h 后增溫幅度減小，這是由于開始的24 h 除了受到氣溫影響，還受到水化熱影響；在水化熱階段，板溫先隨深度增加而加大，到17 cm 深度處后，隨深度增加板溫逐漸減小，且不同深度之間的溫度差也會(huì)隨深度增大而逐漸減小.

2)水泥混凝土路面受到溫度梯度可以用總的等效溫度梯度ΔTtot來描述.總的等效溫度梯度可直觀地簡縮成實(shí)際溫度梯度、固化翹曲和濕度梯度3 個(gè)部分.

3)采用三維有限元分析軟件對鋸縫前早期溫度應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，得到夏季鋪筑面板時(shí)，板2(7點(diǎn)施工)在鋪筑后8 h，混凝土面板就會(huì)出現(xiàn)裂縫，板1(19 點(diǎn)施工)在鋪筑后14 h，混凝土面板會(huì)出現(xiàn)裂縫.

4)采用三維有限元分析軟件對鋸縫后早期溫度應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，得到在24 h 后第1 個(gè)早晨如果出現(xiàn)突然降溫就是鋸縫后斷板發(fā)生可能性最大的時(shí)刻；如果降溫達(dá)到或接近10 ℃將出現(xiàn)斷板，且越到后期，隨著混凝土強(qiáng)度的增長，這種危險(xiǎn)逐漸減小直至無影響.