王麗娟，胡昌斌，呂恒

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州 350116)

0 引言

近十幾年來，在公路重載交通作用下，我國水泥混凝土路面使用性能不佳，經(jīng)常出現(xiàn)過早斷板破壞現(xiàn)象.國外研究發(fā)現(xiàn)，水泥混凝土路面施工和早齡期性狀顯著影響其長期使用性能［1-3］，而在影響路面早齡期性狀的主要因素中，路面早齡期濕度場是其中之一.Hatt［4］、Carlson［5］發(fā)現(xiàn)由于沿板身的濕度梯度會引起板的卷曲、板表面干燥失水會造成板面收縮，導(dǎo)致板角板邊向上翹起.混凝土路面由于受基層約束，這種形式的體積變化將使路面產(chǎn)生向上翹起，影響路面不平整度、增大車輛作用下路面板的內(nèi)部應(yīng)力，進而誘發(fā)混凝土路面過早破壞.

鑒于以上，國內(nèi)外近年來通過試驗監(jiān)測和數(shù)值模擬對水泥混凝土以及水泥混凝土路面早齡期濕度場進行了研究［6-10］.應(yīng)該看到，目前國內(nèi)外試驗監(jiān)測主要集中在小試件試驗和大體積混凝土研究領(lǐng)域.對于現(xiàn)場水泥混凝土路面早齡期中濕度場特征的研究一直很少，特別是系統(tǒng)的室外試驗監(jiān)測則更少，直接導(dǎo)致相關(guān)性狀特征把握不足，阻礙了相關(guān)理論進一步發(fā)展.

為準(zhǔn)確把握和探究水泥混凝土路面早齡期濕度場的監(jiān)測試驗方法與性狀特征，本研究自2009年以來采用瑞士Sensiron公司研制的SHT15型數(shù)字化溫、濕度傳感器，通過恒溫恒濕室內(nèi)濕度監(jiān)測試驗，針對不同施工季節(jié)、不同基層與面板接觸邊界，進行了不同工況下的水泥混凝土板7d早齡期濕度場的室外面板監(jiān)測研究，了解水泥混凝土板早齡期濕度場性狀特征.

1 混凝土早齡期濕度監(jiān)測方法與工況

1.1 試驗設(shè)備與方法選擇

現(xiàn)場混凝土面板濕度監(jiān)測的準(zhǔn)確性很大程度是受傳感器精度及穩(wěn)定性的限制.綜合至2012年止發(fā)表的相關(guān)文獻，試驗中使用最廣泛的的濕度傳感器為瑞士Sensiron公司研制SHT系列傳感器［11-13］.

本次室外面板監(jiān)測試驗采用瑞士Sensiron公司研制的SHT15型數(shù)字化溫、濕度傳感器監(jiān)測混凝土板內(nèi)部濕度，測量精度:±2%RH，測量范圍0～100%RH.采用深圳翔瑞通科技有限公司編制的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)自動采集數(shù)據(jù).試驗前，將SHT15型數(shù)字化溫、濕度傳感器置于飽和鹽溶液進行標(biāo)定［14］.

具體濕度監(jiān)測方法參考文獻［8，15］.

1.2 試驗監(jiān)測工況設(shè)計

試驗工況采用室內(nèi)和室外相結(jié)合的方法進行.為標(biāo)定室外路面環(huán)境因素影響，首先在恒溫恒濕室內(nèi)進行不同系列混凝土的濕度監(jiān)測試驗.

相比室內(nèi)，室外剛剛鋪筑的路面混凝土將處在更為復(fù)雜的環(huán)境條件中，影響因素變異性大.影響板內(nèi)早齡期結(jié)構(gòu)水和孔隙水兩種類型水分消耗、遷移的因素都能造成混凝土路面早齡期濕度場的變化.這些因素主要有材料因素和時間變量，例如齡期、水灰比、水泥組分、配合比等，以及影響路面早齡期路表面蒸發(fā)干燥的環(huán)境因素，如環(huán)境溫濕度、太陽輻射、風(fēng)速等.考慮以上，室外試驗設(shè)計了考慮不同施工季節(jié)、不同基層與面板接觸邊界的室外試驗工況進行監(jiān)測.

2 室內(nèi)小試件混凝土試驗監(jiān)測

首先進行C30、C35和C80三種不同系列小試件混凝土早齡期濕度試驗.試驗采用完全密封與表面不密封的方式監(jiān)測混凝土距離混凝土表面2 cm處的內(nèi)部相對濕度.

混凝土試件采用150 mm×150 mm×150 mm塑料模具.模具內(nèi)側(cè)面鋪一層厚為2.5 cm、底面鋪一層厚為3cm的泡沫板以達到絕熱的目的.在模具內(nèi)表面鋪一層塑料薄膜以保證水分沿試件高度方向一維傳輸.混凝土試件澆筑并安裝儀器后，放到室溫為30℃，相對濕度為50%的室內(nèi)進行數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集.混凝土配合比如表1.

表1 混凝土配合比Tab.1 Mixture proportions of the test concrete

圖1給出了表面不密封情況下三種系列混凝土距離表面2 cm處相對濕度.圖2給出了完全密封情況下三種系列混凝土距離表面2 cm處的相對濕度.

1)在非密封條件下混凝土試件濕度大致3 d后緩慢下降，下降幅度較小.從圖1中可以看出:C30和C35混凝土中距離混凝土表面2 cm處的相對濕度分別在澆筑73和76 h后開始降低，前96 h的最大降低幅度分別為2.49%和1.88%.分析原因發(fā)現(xiàn)，混凝土表層相對濕度降低是由混凝土水化反應(yīng)和水分擴散造成的.

2)在非密封條件下，C30混凝土相對濕度最先降低，C80混凝土相對濕度降低最慢.從圖1中可以看出:同樣深度C30混凝土在澆筑73h后濕度開始降低，C80混凝土澆筑8d后濕度開始降低.分析原因認為水灰比高的混凝土在澆注完成后表面由于沁水含水率也高，水分蒸發(fā)后，空隙率大，因此擴散系數(shù)大于低水灰比混凝土.說明在穩(wěn)定的外界環(huán)境條件下，水灰比影響混凝土的水分擴散速度，水灰比高的混凝土濕度下降快.

圖1 非密封條件下三種混凝土早齡期濕度變化規(guī)律Fig.1 Early-age moisture development in different concrete under unsealed condition

圖2 密封條件下三種系列混凝土早齡期濕度變化規(guī)律Fig.2 Early-age moisture development in different concrete under sealed condition

3)在密封條件下，普通混凝土內(nèi)部相對濕度高于高性能混凝土.從圖2中可以看出:在密封條件下，普通混凝土相對濕度在澆注后14 d內(nèi)均未發(fā)生明顯變化;而高性能混凝土中距離混凝土表面2 cm處相對濕度在混凝土澆注8 d后開始降低.這說明高性能混凝土內(nèi)部發(fā)生了自干燥引起混凝土內(nèi)部濕度下降.

4)對比國內(nèi)外同類文獻，結(jié)果較為一致［8，15-16］.

3 室外混凝土路面板試驗監(jiān)測

3.1 實測方案

為全面了解室外條件下水泥混凝土路面的早齡期濕度場性狀，選擇福州地區(qū)不同氣候環(huán)境的春夏秋冬四季鋪筑水泥混凝土路面板，設(shè)計不同試驗變量，監(jiān)測其在不同施工條件、不同基層與面板接觸邊界下早齡期濕度場變化.為與實際路面養(yǎng)護情況相接近，養(yǎng)護方式采用灑水養(yǎng)護，灑水從混凝土終凝后開始，每隔3～4 h灑水一次，養(yǎng)護時段為6:00～18:00.具體工況見表2.

表2 早齡期路面濕度監(jiān)測試驗工況Tab.2 Monitor experiment of early －age moisture of slab

工況1、4、5試驗板尺寸為1 000 mm×1 000 mm×240 mm，工況2、3試驗板尺寸為1 500 mm×1 500 mm×240 mm.各工況均采用8 cm厚水泥穩(wěn)定基層，基層下均為22 cm水泥混凝土舊地面.

各工況試驗材料為:水泥為萬年青牌P.O 42.5水泥;細集料為閩江中砂，細度模數(shù)為2.42;粗集料為碎石，粒徑范圍4.75～31.5 mm.混凝土配合比如表3.

室外施工環(huán)境采用錦州陽光科技有限公司出廠的PC-3型便攜式自動氣象站監(jiān)測.該設(shè)備可時時測量風(fēng)速、環(huán)境溫度、環(huán)境相對濕度、太陽輻射等常規(guī)氣象要素.

混凝土板上埋入4個濕度傳感器沿板中位置布置，濕度傳感器布置距離板中心點分別為0、10、20和30 cm，距離面板表面距離也分別為2、5、8和22 cm，具體布置如圖3.

表3 混凝土配合比Tab.3 Mixture proportions of the test concrete

圖3 濕度傳感器布置圖(單位:mm)Fig.3 Arrangement chart of moisture sensors(unit:mm)

表4 不同施工季節(jié)氣象條件Tab.4 Weather conditions in different construction seasons

3.2 不同季節(jié)的監(jiān)測試驗結(jié)果與分析

3.2.1 不同施工季節(jié)氣象條件

為了了解不同施工季節(jié)氣象條件對面板早齡期濕度的影響，首先采用氣象站監(jiān)測了試驗期間的氣候情況，具體見表4.從表4中可以看出，相比其它季節(jié)，夏季氣溫，太陽輻射都較高，其次是春季.而秋冬季則太陽輻射較小，氣溫較低，空氣也相對較潮濕.其中，氣象條件的日變化情況以夏季監(jiān)測結(jié)果為例，圖4給出夏季施工面板所處的環(huán)境場.

圖4 夏季施工的環(huán)境條件Fig.4 Weather conditions of construction in summer

從圖4中可以看出:氣溫、環(huán)境濕度為晝夜周期性變化，凌晨氣溫最低，環(huán)境濕度最高，午后氣溫最高，環(huán)境濕度最低.風(fēng)速變化隨機性較大，但通常在傍晚達到峰值.最大的太陽輻射量出現(xiàn)在中午11～12點左右，晚上6點至早上6點時刻為最低值.

3.2.2 監(jiān)測結(jié)果

1)關(guān)注對象.由于環(huán)境氣象條件主要影響面板內(nèi)部濕度下降時機，面板淺部濕度變化情況及各深度濕度下降最低值等，因此以下重點關(guān)注不同季節(jié)施工面板在這幾方面的監(jiān)測結(jié)果.

2)不同季節(jié)的路面板早齡期濕度場分布規(guī)律.在設(shè)計工況1、2、3、5下進行了水泥混凝土板7天早齡期濕度場的室外面板監(jiān)測研究.圖5～圖8給出不同季節(jié)施工的路面板早齡期濕度場分布規(guī)律.

從圖5可以看到，在冬季氣象環(huán)境下(工況1):

1)混凝土板早期濕度在72 h之后開始下降.分析認為，這與冬季太陽輻射強度小，氣溫低，空氣潮濕，混凝土板表面蒸發(fā)量小有關(guān)，這些都是濕度下降緩慢的原因.

2)板內(nèi)濕度隨著環(huán)境濕度的變化而變化，沿板面不同深度濕度下降幅度及變化規(guī)律各不相同，形成濕度梯度.由圖5中可以發(fā)現(xiàn)，板面向下2 cm處濕度受環(huán)境濕度影響最為顯著，越靠近面板表面，受到外部氣象環(huán)境影響越明顯.監(jiān)測發(fā)現(xiàn)冬季施工條件下板下2，5，8，22 cm處濕度最低分別可達:92.01%，91.41%，91.46%，95.79%，且到達的時刻各不相同.

從圖6可以看到，在春季氣象環(huán)境下(工況2):

1)混凝土板澆筑后各深度濕度下降的時刻不同.可以看到，在混凝土澆筑后8 h即下午17:00，混凝土板下22 cm處濕度已經(jīng)開始下降，而板下2 cm處濕度下降時間為澆筑后15 h.分析原因認為，板底濕度下降可能與基層濕度有關(guān).

（5）改革考核模式。改革以往重評語、輕考核方式?？剖以诟鲗I(yè)組的出科考試中增加40%左右的綜合能力考試內(nèi)容，考核學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決實際問題能力，并計入學(xué)生實習(xí)總成績，作為實習(xí)評定的依據(jù)之一。

2)板下2 cm處相對濕度隨環(huán)境濕度晝夜變化更加明顯，濕度的細小波動也比較顯著.板內(nèi)其它深度受環(huán)境濕度影響小，并且存在滯后效應(yīng).

3)板深2，5，8，22 cm處濕度最低分別可達:91.1%，92.0%，91.7%，91.6%，且到達的時刻各不相同.

圖5 冬季施工板早齡期濕度場分布規(guī)律Fig.5 Moisture profiles in early-age concrete slab constructed in winter

圖6 春季施工板早齡期濕度場分布規(guī)律Fig.6 Moisture profiles in early-age concrete slab constructed in spring

圖7 夏季施工板早齡期濕度場分布規(guī)律Fig.7 Moisture profiles in early-age concrete slab constructed in summer

圖8 秋季施工板早齡期濕度場分布規(guī)律Fig.8 Moisture profiles in early-age concrete slab constructed in autumn

從圖7可以看出，在夏季氣象環(huán)境下(工況3):

1)混凝土板下2 cm處濕度在澆筑后6 h下降至92.63%，其它深度濕度在隨后的2～3 h后也相繼下降.分析表明，炎熱季節(jié)施工混凝土表面泌水及蒸發(fā)量增大等原因使得混凝土板表面濕度迅速下降.

2)混凝土板下2 cm處濕度隨環(huán)境濕度波動明顯，環(huán)境濕度低至46.6%時，板內(nèi)2 cm濕度達到最低值84.2%，此時發(fā)生在中午13:00，也是氣溫最高時刻.

3)混凝土板下2，5，8，22 cm處濕度最低分別可達:84.2%，89.3%，90.2%，91.3%.

從圖8可以看出，在秋季氣象環(huán)境下(工況5):

1)混凝土板下8 cm處濕度在澆筑32 h后最先降低，分析結(jié)果表明混凝土板內(nèi)部存在自干燥影響其濕度.

3)板內(nèi)22 cm處濕度在澆筑后7 d內(nèi)濕度都持續(xù)為100%.這表明基層濕度有可能處于飽和狀態(tài).

3.2.3 不同季節(jié)濕度場特性對比分析

對比表4給出的不同施工季節(jié)環(huán)境參數(shù)和室外面板濕度場監(jiān)測結(jié)果，可以看出:

1)對比春、冬季施工的混凝土板內(nèi)部濕度下降時機，結(jié)果表明冬季施工面板濕度下降更為緩慢.分析原因認為，試驗區(qū)冬季太陽輻射、氣溫都低于春季，混凝土板表面蒸發(fā)速率低，使得板內(nèi)濕度不容易降低.

2)與冬季、春季相比，夏季施工的混凝土板不同深度處存在比較明顯的濕度梯度，濕度最小值低于秋冬季3%左右.分析原因認為，夏季太陽輻射、氣溫、風(fēng)速為四季中最惡劣的，這種情況下造成蒸發(fā)強度也最大，因此混凝土板的內(nèi)部濕度也低于其它季節(jié)施工板的內(nèi)部濕度.這表明環(huán)境因素對混凝土板內(nèi)濕度的影響顯著.

3)比較春夏秋冬四季施工的水泥混凝土路面，可以看出施工后板內(nèi)濕度下降早晚順序分別為:夏季、春季、秋季、冬季.這恰好與四個季節(jié)的太陽輻射強弱，氣溫大小相關(guān).分析認為，施工季節(jié)對板內(nèi)濕度影響顯著.

3.3 基層與面板接觸邊界對板內(nèi)濕度場影響

水泥混凝土路面早齡期濕度場性狀除卻環(huán)境因素及自身材料的影響，基層與面板接觸邊界對板內(nèi)濕度發(fā)展也起一定作用.

為驗證這個結(jié)論，試驗同時鋪筑兩塊混凝土試驗板，分別設(shè)置不同的邊界條件:1號路面板鋪筑時在基層上鋪設(shè)塑料薄膜，阻止基層與混凝土板的水分交流(工況4);2號路面板底部與基層直接接觸(工況5).選擇其中3d監(jiān)測混凝土板內(nèi)部濕度分布，圖9給出不同邊界條件對混凝土板內(nèi)濕度的影響.

圖9 不同邊界條件對混凝土板內(nèi)濕度影響Fig.9 Effects of different types of boundary condition on the development of slabs moisture

比較圖9(a)和9(b)可以看出:

1)兩種邊界處理方式對板內(nèi)較淺處濕度影響不大.板深2，5，8 cm處濕度分布規(guī)律大體一致，板內(nèi)2 cm處濕度隨環(huán)境濕度變化最為明顯.

2)將3個深處的濕度與環(huán)境濕度相比，整體趨勢存在滯后，越深處越明顯，分析原因認為與板內(nèi)深度及水分的擴散速率有關(guān).

3)不同的邊界條件對混凝土板深22 cm處濕度變化規(guī)律有影響.

當(dāng)基層與混凝土板沒有隔離時，如圖9(a)，板深22 cm處水分變化規(guī)律與其它深度變化相同也受環(huán)境濕度影響，因而使得濕度隨板深形成明顯梯度.這表明環(huán)境濕度通過影響基層濕度進而作用于混凝土板，水分在基層與混凝土板間擴散遷移.

當(dāng)基層與混凝土板隔離后，如圖9(b)，板深22 cm處類似密封的混凝土，其濕度變化規(guī)律基本不受外界環(huán)境影響，濕度變化主要取決于自干燥或水壓力引起的水分內(nèi)部遷移，當(dāng)水化反應(yīng)逐漸緩慢之后，濕度也將逐漸穩(wěn)定不變.

以上分析認為基層參與混凝土板中的水分遷移，當(dāng)混凝土板鋪筑在干燥基層上會影響板底濕度，甚至影響濕度梯度.

3.4 使用階段室外面板濕度場特征

圖10 水泥混凝土路面長期濕度場分布規(guī)律Fig.10 Moisture profiles of long-term cement concrete pavements

圖10以秋季施工28 d后的混凝土路面濕度場為例，給出水泥混凝土路面長期濕度場分布規(guī)律.

從圖10可以看出:

1)混凝土板不同深度的濕度都隨環(huán)境濕度變化，2 cm處濕度變化最明顯.板內(nèi)濕度凌晨達最大值，午后濕度達最小值.不難看出，與早齡期濕度場相比，混凝土路面28d后的濕度場變化更加趨于穩(wěn)定.

2)混凝土板不同深度的濕度存在濕度梯度.2 cm處濕度最低，然后依次是5，8，22 cm.板內(nèi)2 cm處與22 cm處濕度差最大達到4.5%.與早齡期相對比較多變、不穩(wěn)定的濕度場分布相比，圖中混凝土路面使用階段濕度場發(fā)展情況顯示，板內(nèi)各個深度濕度變化幅值、周期以及濕度梯度都已呈現(xiàn)明顯規(guī)律.

3)比較路面板早齡期濕度和使用階段濕度可以發(fā)現(xiàn)，在水泥路面混凝土早齡期水化反應(yīng)與環(huán)境因素相互耦合使得濕度隨齡期緩慢下降又晝夜波動.面板早期濕度規(guī)律還不明顯也比較復(fù)雜，而面板使用階段濕度場受環(huán)境影響更顯著，濕度梯度變化規(guī)律明顯，濕度變化幅值、周期較為穩(wěn)定.

4 早齡期濕度場對路面性能的影響與控制建議

基于以上早齡期濕度特征研究，發(fā)現(xiàn)不論環(huán)境因素如何，路面板的濕度場特性使得板內(nèi)總是存在濕度梯度.Suprenant［17］經(jīng)試驗論證濕度梯度越大，收縮梯度則越大，發(fā)現(xiàn)在接縫和裂縫處會產(chǎn)生較大的濕度卷曲變形.研究表明［18］，面板的這種濕度卷曲在與車輛、氣候、路面結(jié)構(gòu)等因素共同作用時會增加路面潛在可發(fā)生疲勞破壞的位置數(shù)目，促使面板可能產(chǎn)生自上而下和自下而上的橫縫、縱縫和板角裂縫等多種復(fù)雜破壞模式.因此，為降低濕度對路面性能引起的不利影響，需對水泥混凝土路面濕度場進行控制.

基于路面的性能要求，可以看到對路面濕度場的控制主要有兩個方面:

1)濕度絕對值.混凝土的養(yǎng)生質(zhì)量主要與路面板總體濕度有關(guān)，一般來講早齡期濕度越大，混凝土的質(zhì)量越好.因此面板濕度總體水平是一個關(guān)鍵控制指標(biāo).

2)濕度梯度.監(jiān)測結(jié)果表明，沿板厚方向存在濕度梯度，通常板頂濕度低于板底濕度，由此造成板頂干縮量大于板底，這種干縮梯度引起面板卷曲變形.不難看出，為了避免卷曲變形，濕度梯度應(yīng)越小越好.

從調(diào)節(jié)混凝土路面板早齡期濕度和濕度差的技術(shù)對策來看，增長灑水養(yǎng)護時間是最有效的措施，但在此條件不能充分滿足的條件下，從本監(jiān)測實驗結(jié)果可以看到，水泥混凝土路面屬于薄板結(jié)構(gòu)，濕度場與施工季節(jié)與基層邊界條件等因素顯著相關(guān)，因此還可以從如下方法進行改善:

1)選擇合適季節(jié)施工，如環(huán)境濕度高的春秋季節(jié)，可使板內(nèi)濕度維持較高.春秋季節(jié)施工路面板整體相對濕度比較夏季施工面板普遍提高3%以上.

2)在高溫夏季施工時，可在下午和夜間施工，避免水化放熱速率與太陽峰值接近，增大水分蒸發(fā)量.夏季下午和夜間施工比上午施工將延遲濕度下降時刻，使面板早齡期盡量保持更高濕度.

3)炎熱季節(jié)施工時，為降低面板濕度梯度，盡量避免在潮濕基層上澆注水泥混凝土路面板.

5 結(jié)語

1)試驗監(jiān)測表明水泥混凝土路面早齡期濕度場的特征是:路面混凝土在鋪筑完之后首先經(jīng)歷水汽飽和階段，然后是濕度下降和波動階段，下降時刻、下降幅度取決周圍氣象條件.

2)沿板厚方向存在濕度梯度，通常面板板底濕度高于板頂濕度，且施工季節(jié)對板內(nèi)濕度影響顯著，夏季施工路面板頂板底早齡期濕度差最大，可達8%.

3)沿板深度方向早齡期濕度場變化規(guī)律為:板下2cm處相對濕度隨環(huán)境濕度晝夜變化最為明顯，濕度的細小波動也比較顯著.板內(nèi)其它深度受環(huán)境濕度影響小，并且存在滯后效應(yīng).

4)研究發(fā)現(xiàn)，基層濕度和界面條件對面板早齡期濕度存在影響，基層參與混凝土板中的水分遷移，當(dāng)混凝土板鋪筑在干燥基層上會影響板底濕度，甚至影響濕度梯度.

5)分析結(jié)果也表明，水泥混凝土路面相比其它混凝土結(jié)構(gòu)，由于屬于薄板結(jié)構(gòu)，濕度場應(yīng)額外注意混凝土路面施工季節(jié)與基層邊界條件等因素的影響和控制.

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