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，對夏季高溫時段施工的水泥混凝土路面溫度場特性及其影響進行研究，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，均會產(chǎn)生顯著影響.

2006—2008 年，有學(xué)者[1-3]進行了硬化溫度梯度確定方法的研究，并確定終凝時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一步的量化分析.2013 年，Yeon 等[4]根據(jù)實測數(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-力順序耦合計算模型，實現(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，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段的早期溫度場進行研究，分析了不同時段鋪筑施工時路面的早期溫度場特征；計算了早期溫度應(yīng)力；確定了合理鋸縫時間；分析考慮了固化溫度梯度時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段的實地氣象和路面結(jié)構(gòu)溫度場及變形進行了連續(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段鋪筑施工時的早期溫度場特征及其對水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能的影響特性進行了分析研究，得到其路面板中溫度隨時間變化曲線，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，可發(fā)現(xiàn)2 個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)，最高時貢獻溫度值達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 后一段時間內(nèi)水化熱還會有顯著影響.

3 早期溫度裂縫機理

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，因為板的翹曲、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)驗表明，在路面鋪筑的前72 個h 的早齡期養(yǎng)護階段會產(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 個階段.

第1 個階段為鋸縫前.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度R比較：

當(dāng)R＞σ拉時，混凝土面板安全；

當(dāng)R＜σ拉時，混凝土面板將被拉裂.

第2 個階段為鋸縫后.此階段面板的抗拉強度還沒有達到最大穩(wěn)定值，此時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.將此時得到的收縮應(yīng)力與混凝土早期抗拉強度R比較：

當(dāng)R＞收縮應(yīng)力時，混凝土面板安全；

當(dāng)R＜收縮應(yīng)力時，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)護來消除，因此可以不考慮.

4 早期的溫度應(yīng)力計算

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，分析時可以用一個總的等效溫度梯度ΔTtot來描述，如圖3 所示，即將等效溫度梯度直觀地簡縮成3 個部分.本文暫不考慮干縮、徐變、濕度梯度影響，將計算早期的溫度應(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)力計算

基于以上觀測得到的早期溫度場，重點探討考慮了固化溫度梯度的夏季高溫時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行計算.

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

由于不同施工時段的混凝土其凝固時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 為其凝固時間，7:00 鋪筑的路面板(板2)取6 h 為其凝固時間.將計算得到的數(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)力與抗拉強度對比曲線

從圖4 中可以看出，夏季鋪筑面板時，板2(7:00 施工)在鋪筑后8 h 時，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，σ拉＞R，混凝土面板將出現(xiàn)裂縫.同時發(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.

鋸縫時間宜選擇在8～10 h，這個時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，氣溫不同鋸縫時機也應(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機.

4.3 鋸縫后的早期溫度應(yīng)力計算

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 種影響在計算時難以模擬，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 ℃梯度累加計算拉應(yīng)力值，直至出現(xiàn)可能斷裂的情況.

4.3.1 抗拉強度取值

根據(jù)文獻[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，該值由試驗確定.

根據(jù)彈性模量的經(jīng)驗公式[10]

其中，cE為彈性模量；cR為抗拉強度.經(jīng)變化得

文獻[10]基于早齡期的混凝土材料指標(biāo)進行了研究，得出抗拉強度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算軟件EverFE2.24進行混凝土早期溫度應(yīng)力計算.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)力與抗拉強度對比

由圖5和圖6可知，當(dāng)面板整體均勻降溫時，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，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度，這與實際情況不符合.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)生可能性最大的時刻，如果降溫達到或接近10 ℃將出現(xiàn)斷板，而越到后期，隨著混凝土強度的增長，這種危險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際溫度梯度、固化翹曲和濕度梯度3 個部分.

3)采用三維有限元分析軟件對鋸縫前早期溫度應(yīng)力進行計算，得到夏季鋪筑面板時，板2(7點施工)在鋪筑后8 h，混凝土面板就會出現(xiàn)裂縫，板1(19 點施工)在鋪筑后14 h，混凝土面板會出現(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)力進行計算，得到在24 h 后第1 個早晨如果出現(xiàn)突然降溫就是鋸縫后斷板發(fā)生可能性最大的時刻；如果降溫達到或接近10 ℃將出現(xiàn)斷板，且越到后期，隨著混凝土強度的增長，這種危險逐漸減小直至無影響.