溫度在混凝土路面中的傳播規律及對彎沉值的影響*

李清川,趙延濤,路兆武

(1.濟南金科駿耀房地產開發有限公司,山東 濟南 250101; 2.濟南鑫都置業有限公司,山東 濟南 250101)

0 引言

隨著我國公路網建設的逐步完善[1],公路管理部門的主要任務將從建設公路網轉向養護、改建和改善,對現有路面結構性能的測試評定是路面改建和維護的基礎[2-3]。通過定量評價,可預警和研判路面結構損傷程度,為補強設計提供數據支撐和理論依據。

研究表明,路面結構完全暴露在自然環境中,除承受行車荷載外還受持續變化的氣候環境影響,如太陽輻射、氣溫、降水等環境因素。溫度變化對混凝土路面的影響具體表現為:不同溫度條件下路面損壞形式不同,從而導致強度降低,其疲勞壽命也受溫度影響[4-5]。溫度的變化造成混凝土路面結構的動態彎沉與模量改變,故溫度對路面使用性能的影響不可忽視,有必要對體現道路強度與剛度指標的測試彎沉及反算模量進行溫度修正,但目前我國尚未建立相應的技術規范,尤其是溫度修正關系的缺乏導致不同溫度下測得的動態彎沉無法修正到標準溫度下的彎沉值,阻礙了其在我國的應用與發展[6-7]。

另一方面,隨著道路檢測技術的發展,路面檢測設備完成了從靜力到動力的過渡,如目前廣泛用于路面檢測的落錘式彎沉儀(FWD)[8-10]。FWD通過落錘模擬行車荷載,并能通過實測彎沉盆形狀對路面結構層模量進行反算,進而評價路面的承載能力,但目前我國尚未建立與混凝土路面動態彎沉及反算模量溫度修正研究相應的技術規范,尤其是考慮溫度變量研究的缺乏導致不同溫度下測得的動態彎沉無法修正到標準溫度下的彎沉值,阻礙了我國公路建設的進一步發展[11]。因此,針對FWD實測動態彎沉溫度修正關系的研究迫在眉睫。

本文以北方某校園混凝土道路為研究對象,借助落錘式彎沉儀對路面結構進行測試,對路面各層溫度進行實時監測和考慮溫度變量的混凝土路面板主點彎沉試驗,研究溫度與混凝土路面彎沉間的可靠關系和影響規律,為混凝土路面彎沉檢測的溫度換算提供依據。

1 混凝土路面溫度監測方案

1.1 試驗方案

由于面層本身的強度與溫度關系密切,且混凝土路面結構的彎沉與近4～5天的結構層內部溫度及環境溫度有很大的關系。因此,在混凝土路面上進行FWD測試時,一般要鉆芯測量路面結構層內部的溫度,并與近幾天的溫度綜合考慮,對原始數據進行溫度修正[12-14]。

用φ150取芯鉆在距路緣1m處鉆芯打孔,成孔直徑15cm,深度20cm,分層埋置溫度傳感器探頭(φ4×25/防水型/-55～125℃),埋深為4,8,12,16cm,并拌制與路面同強度等級的C40混凝土對鉆孔進行回填,待28d后進行試驗[15]。

1.2 試驗結果分析

為研究混凝土路面各層溫度梯度的影響規律,選擇當地夏季晴朗天氣,對路表及內部各層溫度進行24h實時監測(測試時間為2022年5月4日),結果如圖1,2所示。

圖1 混凝土路面不同深度24h溫度變化Fig.1 24 hours temperature change of concrete pavement at different depths

由圖1可知,路面各層監測所得溫度波動規律與地表溫度波動規律基本一致,即路面各層溫度與地表溫度是直接相關的,氣溫的高低直接影響到路面各層的溫度及溫度波動幅度;早上6時起,所測各層溫度并非由上到下遞減,此時表層溫度已開始上升,中間溫度基本一樣,而底層溫度略高于中間溫度,并不呈梯度分布;下午15時地表溫度升至最高后快速下降,于19時起低于各埋深溫度;各層溫度在地表溫度升至峰值后依次升至最高,并最終趨于一致。將溫度梯度變化情況以下列公式定量表述,進一步分析溫度梯度變化規律:

ΔT=(Tn-T0)/T0×100%

(1)

式中:ΔT為各埋深深度溫差率;Tn為各埋深深度實測溫度;T0為0cm處實測溫度。

由圖2可知,早上6時至下午15時期間,隨著地表溫度升高,各埋深深度所測溫度依次升高,但在上午9時起,地表溫度升高趨勢逐步高于各埋深溫度,在下午15時左右達到溫度梯度峰值,其中埋深16cm處,溫度較地表低10.8℃,溫差率為25.6%。

圖2 混凝土路面不同埋深溫度與地表溫度梯度曲線Fig.2 Temperature gradient curve of different buried depth and surface temperature

2 FWD測試原理與考慮溫度變量的彎沉值試驗方案

落錘式彎沉儀(FWD)是當今國際上普遍應用的路面結構強度無破損檢測儀器,其加載系統可較好地模擬行車荷載作用,量測系統可快速、精準獲取路表整個彎沉盆數據信息,有效解決了靜態彎沉儀參照系不穩定的問題,使用慣性基準點,同時克服了靜態彎沉儀靜力預載較大的缺點,可在整體性剛度較大的剛性路面上進行彎沉檢測,是進行路面結構狀況評定的有力工具。一般記錄3方面數據:落錘點最大彎沉,以落錘點為中心的彎沉盆曲線,彎沉盆各點隨時間變化的時程曲線[16]。

2.1 FWD測試原理與試驗方案

FWD通過一定質量的重物自由下落,錘擊具有一定剛性的承載板作用于路面結構,然后通過按一定間距布置的傳感器測定路表的變形響應(即彎沉盆)。由FWD的加載原理可知,FWD模擬了行車荷載對路面的瞬間作用,即瞬間行車荷載對路面垂直方向的效應。盡管FWD沒有模擬整個行進過程,但能基本反映出路面在行車荷載下的應力及變形情況[17-18]。

本次試驗采用美國落錘式彎沉檢測系統(見圖3),該設備主要參數為:荷載范圍7～120kN;彎沉傳感器分辨率1gm;系統誤差2%;彎沉傳感器數量7～9個;荷載盤直徑30cm。按照JTG 3450—2019《公路路基路面現場測試規程》進行試驗。FWD通過計算機控制下的液壓系統提升并下落重錘,對路面施加脈沖荷載。荷載大小可通過改變錘重和提升高度在相當大的范圍內調整,并通過剛性圓盤作用到路面上。該系統測速快,精度高(分辨率為1μm),可較好地模擬行車荷載的動力作用,目前被認為是較理想的路面無損檢測設備。

圖3 落錘式彎沉儀Fig.3 Falling weight deflectometer

2.2 考慮溫度變量的混凝土路面板主點彎沉試驗方案

以某大學校園道路為測試對象,檢測荷載設定為3級,路面結構參數檢測和接縫傳荷能力3級荷載均為50kN,測定混凝土面板在不同荷載(50,60,70kN)下的彎沉值,并實時監測路面及各埋深溫度傳感器溫度數據。測試路面結構如圖4所示。

圖4 測試路面結構示意Fig.4 Diagram of the pavement structure

采用落錘式彎沉儀(FWD)將荷載施加在板中心位置,如圖5所示。

圖5 考慮溫度變量的混凝土路面板主點彎沉試驗方案Fig.5 Bending test scheme of main point in concrete pavement slab considering temperature variable

研究表明,在眾多環境因素對路面溫度場的影響過程中,氣溫對路面溫度場的影響最顯著。相對于氣溫和太陽輻射而言,云層狀況、大氣的相對濕度、風速、降水等其他環境因素對路面溫度場的影響十分有限,且與氣溫和太陽輻射間具有一定的相關性[19-20]。故本文只考慮氣溫和太陽輻射對路面的影響。同時結合1.2節混凝土路面24h溫度數據及不同埋深溫度與地表溫度的梯度規律,選擇晴朗天氣,且溫度梯度最大的下午15時為試驗時間。

2.3 考慮溫度變量的混凝土路面板主點彎沉試驗結果

自2022年5月至6月期間,共進行測試6次,得到不同荷載和溫度條件下混凝土板彎沉值,取各測點彎沉值平均值,按地表溫度由低到高對6次試驗進行數據分析,如表1所示。獲得地表和地下4,8,12,16cm各層溫度在不同荷載作用下的彎沉值響應曲線,如圖6所示。

表1 不同荷載作用下彎沉值與各層溫度數據Table 1 Bending value and temperature data of each layer under different loadings

圖6 混凝土路面不同深度溫度在荷載作用下彎沉值響應曲線Fig.6 Response curves of bending value of concrete pavement at different depths under loads

由圖6可知,在50,60,70kN荷載作用下,各層溫度對應彎沉值均呈較好的線性關系,為進一步探究混凝土路面溫度與彎沉的相關關系,對不同溫度、荷載下測點彎沉值結果建立關系如下:

D=aT+b

(2)

式中:D為中央彎沉值(μm);T為溫度值(℃);a,b為關系系數。

以地表溫度對不同荷載作用下彎沉值響應曲線為例,擬合關系曲線如圖7所示。

圖7 不同荷載作用下地表溫度與彎沉值擬合關系曲線Fig.7 Fitting curves between bending value and surface temperature under different loads

進一步得到各埋深溫度下混凝土路面彎沉值關系式參數,如表2所示。

表2 不同荷載作用下混凝土板各層溫度與彎沉值擬合曲線參數Table 2 Parameters of fitting curve between temperature and bending value of each layer of concrete slab under different loads

由相關系數R2可知,在50,60,70kN作用荷載下,各層溫度對應彎沉值呈現高度相關的線性關系,埋深地下16cm處至地表相關系數值越接近于1,相關性越強。且隨著埋深增加,越低層溫度變化范圍越小,關系系數a,即斜率越大。

3 結語

1)通過混凝土路面溫度試驗和考慮溫度變量的FWD彎沉試驗,對溫度與混凝土路面彎沉間的可靠關系和影響規律進行了試驗研究,研究表明,路表溫度與各層間溫度梯度是導致路面破損的原因之一。

2)混凝土路面溫度測試結果表明,混凝土各層溫度與路表溫度同步變化,周期為一晝夜,各層溫度在地表溫度升至峰值后依次升至最高,最終趨于一致,早上6時至下午15時,隨著地表溫度升高,各埋深深度所測溫度依次升高,但在上午9時起,地表溫度升高趨勢逐步高于各埋深溫度,在下午15時左右達到溫度梯度峰值,其中埋深16cm處,溫度較地表低10.8℃,溫差率為25.6%。

3)考慮溫度變量的混凝土路面板主點FWD彎沉試驗結果表明,在對混凝土路面施加50,60,70kN作用荷載時,各層溫度對應彎沉值呈現高度相關的線性關系,進一步建立考慮溫度、荷載變量的混凝土彎沉值關系式,通過分析公式參數相關系數R2,自地下16cm處向上,越接近地表相關系數值越接近于1,相關性越強。且隨著埋深的增加,越低層溫度變化范圍越小,關系系數a,即斜率越大。