水泥混凝土路面固化翘曲试验研究.pdf
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1、第 1 6卷第 5 期 2 0 1 3 年 1 O月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI L DI N G MATE RI ALS Vo 1 1 6, NO 5 Oc t , 2 01 3 文章编号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 O 1 3 ) O 5 一 O 8 1 2 一 O 5 水 泥混凝 土路面 固化翘 曲试验研究 冯德成 , 权 磊 , 田 波 , 李新 凯 ( 1 哈 尔滨 工业大学 交通科 学与 工程 学院 , 黑 龙江 哈尔 滨 1 5 0 0 9 0 ; 2 交通运输部 公路科学研究院, 北京 1 0 0 0 8 0 ) 摘要 : 在 水 泥混凝 土路
2、 面硬化 过程 中, 由于各 种 因素 引起 的 固化翘 曲将 长 期存 在 , 会 对其 平 整度 、 耐久性产生重要影响 通过野外铺筑水泥混凝土足尺试验路 面, 观测、 分析 了 5种养生方式下其早 期、 终凝时的温度场 结果表 明: 普通养护剂养生和塑料 薄膜养 生分别使水泥混凝土路 面产生 了 7 1 , 6 5 2 6 c m 的内嵌温度梯度 ; 虽然不同养生方式下水泥混凝 土路面早期温度场 变化规律基 本相同, 但差异也较为明显 , 而且这种差异主要 由养生材料 的太阳辐射吸收率、 热交换 系数等参数 不 同所 致 关键词 : 水泥混凝土路面;早期 ;温度场 ; 养生方式;固化翘曲
3、 中图分 类号 : U4 1 4 文 献标 志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 3 0 5 0 1 3 Ex p e r i me nt a l S t u d y o n W a r p o f Co n c r e t e Ro a d S l a b u p o n Cu r i n g FENG De c h e n g ,QU AN Le i ,TI AN Bo , LI Xi n k a i ( 1 Sc h o ol of Tr a ns p or t a t i 0 n Sc i e n c e
4、a nd Eng i n e e r i n g,Ha r bi n I n s t i t u t e o f Te c h no l o gy,Ha r bi n 1 5 00 90,Chi na; 2 Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Hi g h wa y Mi n i s t r y o f Tr a n s p o r t ,B e i j i n g 1 0 0 0 8 0 ,Ch i n a ) Abs t r a c t :The wa r p of PCC s l a b f o r r o a d p a v e me n t r
5、e s u l t e d by v a r i ou s f a c t or s du r i ng c ur i n g h as be e n a pr o bl e m i n r oa d e ng i ne e r i ng f o r l o ng,a nd i t ha s a g r e a t ba d e f f e c t o n t he s moo t h ne s s a nd d ur a bi l i t y of c o n- c r e t e pa v e me n t Th e t e mp e r a t u r e f i e l ds o f
6、f u l l s c a l e f i e l d p l a c e d c o nc r e t e s l a b s a t e a r l y a g e a nd f i n a l s e t t i n g wi t h f i v e di f f e r e nt c ur i n g m e t ho ds we r e d e t e r mi n e d a nd a n a l y z e dAna l y s e s o f t he t e m p e r a t u r e f i e l ds a t f i n a l s e t t i n g s
7、h o ws t h a t t h e i n t e r n a l t e mp e r a t u r e g r a d i e n t o f 7 1 a n d 6 5 2 6 c m a r e b u i l t i n t h e s l a b s wi t h or d i na r y c ur i n g a nd pl a s t i c s he e t c o v e r c ur i n g r e s pe c t i ve l yThe c o m p a r i s on o f t he t e m p e r a t u r e f i e l d
8、s o f t he s l a bs wi t h di f f e r e nt c u r i ng me t ho ds a t e a r l y a g e i nd i c a t e t ha t a l t ho ug h t he y ha ve a bo u t t he s a me c h a ng e r ul e,t h e d i f f e r e n c e s t i l l e x i s t s And t he di f f e r e nc e s a r e ma i nl y du e t o t h e t he r m a l p a r
9、a me t e r s o f t he c ur i ng ma t e r i a l s us e d s uc h a s s o l a r e ne r gy a bs or p t i o n c o e f f i c i e n t a nd he a t e x c ha n ge c oe f f i c i e nt Ke y wo r d s :P o r t l a n d c e me n t c o n c r e t e ( P CC)p a v e me n t ;e a r l y a g e ;t e mp e r a t u r e f i e l
10、d;c u r i n g me t h o d ;b u i l t - i n wa r p 水泥混 凝 土路 面( 简 称路 面) 从 浇筑 开始 经历 了 从流 态到 塑态 、 再到 固态 的凝结 硬化 过程 水 泥水 化 释放 的热 量 以及外 部环 境如温 度 、 太 阳辐 射 的变 化 , 水泥 水化 对水 的消耗 以及 路 面表 面水分 散失 都会 导 致路 面结 构 内部 的温度 场 、 湿度 场 不断变 化 , 在水 泥 混凝土终凝后 , 路面会产生应力与变形 文献 1 将 早期各种因素引起的沿深度方向的等效线性温度梯 度 导 致 的 路 面 翘 曲 变 形 称 为 固 化
11、 翘 曲 F r a n c i s 等 l_ 2 采用 表面 轮廓 仪 研 究 了路 面 的 固化 翘 曲变 形 情 况 , 认 为这 种翘 曲是 温 度梯 度 和 湿 度梯 度 综 合 作 用的结果 , 并且在大多数情况下呈向上翘曲, 甚至会 出现路 面角 与基 层脱 离 的情 况 , 这 对路 面受 荷 非 常 收稿 日期 : 2 0 1 2 - 0 3 0 8 ;修订 日期 : 2 0 1 2 - 0 6 1 2 基金项 目: 国家 自然科学基金青年科学基金资助项 目( 5 1 1 0 8 1 4 0 ) 第一作者 : 冯德成( 1 9 6 7 ) , 男 , 河南新县人 , 哈尔滨工
12、业 大学教授 , 博士 E ma i l : f d c g x y v i p s i n a c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 冯德成 , 等 : 水 泥混凝 土路面 固化翘 曲试验研究 8 1 3 不利 we l I s a等 4 也指 出, 由于固化翘 曲引起 的路 面对角线方 向的曲率可以达到 1 2 4 1 0 m ( 受 约束 路 面 ) 和 4 0 8 1 0 m ( 自 由路 面) 此 外 , 早 期水 泥 混凝 土也 易 出现表 面裂 缝 和断板 现 象 基于上述分析 , 本文首先研究了不同养生方式引 起的路面内嵌 温度
13、梯 度差 异 , 进而通 过早 期 温度 场变 化规律研究 了不同养生方式对路 面固化翘 曲的影响 1 等效温 度梯 度 在 AAS HT O 2 0 0 2 力 学 一 经 验 设 计 法 指 南 ( ME P D G) 中, 将早期 由各种 因素引起的 固化翘 曲 等效 为一 个 沿 路 面 深 度 方 向 分 布 的线 性 温 度 分 布 ( 简称等效温度梯度 ) , 将服役过程 中引起路面翘 曲 的所有因素等效为沿路面深度方 向分布的线性温度 分布总和( 简称等效线性温度梯度总和) 路面沿深 度方 向的等效线性 温度梯 度 总和包 含 5 项内容 , 如式( 1 ) 所示, 其具体参数
14、意义参见文献 5 At 。 一 At g+ At g + A t b i + At h 一 z 。 p ( 1 ) 2 试验方案 2 1路面 结构 的确 定 选择在北安一 黑河高速公路主线 K1 6 5 +2 0 0附 近设立试验 区, 铺设足尺试验路面 铺设顺序依次为 土基、 水泥稳定砂砾基层( 厚度 1 0 c m) 、 水泥混凝土 面层 ( 厚度 2 6 c m) , 待水 泥 混 凝 土强 度 足 够大 时 , 通 过横向切缝将 面层切成 5块长 3 m, 宽 3 5 m 的矩 形板 ( 简称路 面 板 ) , 然后 分 别 施 加 不 同 养 生方 式 进 行养 生 为 了使路 面板
15、 的 固化翘 曲更 为 明显 , 选 择 不 设置传力杆 2 2试 验原 材料 及 配合 比 水泥为哈尔滨水泥厂天鹅牌 P 0 4 2 5普通硅 酸盐水 泥 , 其性 能如 表 1所示 , 用 量 为 3 7 4 k g ms , 水 灰 比为 0 3 9 ( 质量 比) 表 1 水泥基本性能试验结果 T a b l e 1 Ba s i c p e r f o r ma n c e s o f c e me n t 细集 料 为 中 砂 , 粗 集 料 为 碎 石 , 拌 和 水 为 自来 水 , 外加剂为 Z NY缓凝 引气高效减水剂 , 其掺量为 3 ( 质量 分数 ) 水 泥 混 凝
16、土 配 合 比 如 表 2所 示 , 其 密 度 为 2 3 6 8 k g m 表 2 水泥混凝土配合 比 Ta b l e 2 Ce me n t c o n c r e t e mi x p r o p o r t i o n 2 3试 验 方法 2 3 1 养 生方 式选 择 依次采用普通养护剂养生( 1 路面板) 、 黑色土 工布养 生 ( 2 路 面板) 、 白色 土工布养 生 ( 3 路 面 板) 、 塑料薄膜养生( 4 路面板) 、 自然养生 ( 仅洒水 , 5 路 面 板) 2 3 2 温度 场监 测方 案 根据文献E 6 , 分别在每块路面板 中距离上表面 o , 6 5
17、, 1 3 o , 2 6 o c m 处 、 基 层 底 面 、 土 基 顶 面 以 下 l O c m及 1 5 m处的空气 中布设热电偶温度传感器 温度传感器采集周期在路面铺筑后 4 8 h内为 1 0 rai n , 之后为 1 h 整个 测量持续 至养生结束 , 共 2 8 d 3 不 同养 生方式 下路面板 的终 凝等效 温度梯度 3 1终 凝 时间 的确定 方 法 水泥 混凝 土初 、 终 凝 时 间 按 照 AS TM C 4 o 3 贯 入阻力法测定混凝土凝结时间标准方法 进行测试 3 2不 同养生 方式 下路 面板 的终凝 温度 梯度 表 3为 不 同养 生条 件 下 路
18、面 板 的 初 、 终 凝 时 间 及 终凝 等效 温度 梯度 表 3不同养生条件下路面板的初、 终凝 时间及终凝等效温度梯度 T a b l e 3 I mt i al s e t t i me 。fin al s e t t i me a n d e q u i v a l e n t t e mp e r a t u r e g r a d i e nt a t f i r ml tt i me f o r e nc r e t e i l r e d wi t h di f f e r e ntmet ho ds I n i t i a 1 s e t t i me h 3 0 3 5
19、 3 5 3 2 3 3 F i n a l s e t t i me h 4 4 5 1 5 3 4 7 4 8 Eq u i v a l e n t t e mp e r a t u r e g r a d i e n t a t f i n a l s e t t ime C ( 2 6 e m) 由表 3可 以看 到 , 采 用 普 通养 护 剂 养 生 的路 面 板初 、 终凝时间最短 , 而采用 白色土工布养生的路面 板 与之相 比其 初凝 时 间滞后 了 0 5 h , 终 凝 时间接近 1 h 由此可见, 不 同养生方式对路面板内部温度场 学兔兔 w w w .x u e t
20、u t u .c o m 8 1 4 建筑材料学报 第 1 6卷 的影 响 十分 明显 由终凝等效温度梯度可 以看 出, 普通养护剂 和 塑料 薄膜 养 生 分 别 使 路 面 板 产 生 了 7 1 , 6 5 2 6 c r n的 内嵌 温度 梯 度 , 当温度 梯 度 为 0时 , 路 面板 会 向上翘 曲 采 用 黑色 、 白色土工 布养 生 和 自然养 生 产生的内嵌温度梯度接近 0 4 不 同养生方式下路面板早期温 度场 变化规律 4 1不 同深 度温 度 的 日变 化 在 5种养 生 方式 下 , 路 面板 的温 度 场 变 化 规 律 基本相 同, 这里 以自然养生方式为例进行
21、分析 在 自 然养生方式下 , 路面板浇筑后 1周 内各深度的温度 波动 曲线 如 图 1 所 示 由 图 1可见 , 路 面板 温 度 场 随 着气 温 和太 阳辐 射的变化而产生波动, 且在晴天这种波动更明显 这 说 明太 阳辐射对 路 面板温 度场 的影 响非 常大 相对于空气温度 , 路面板各个层位温度的峰值、 谷值均 随着深度的增加而依次滞后, 而且其表 面对 空气温度的变化最为敏感 , 几乎与空气温度波动极 值 同时出现 这是由于水泥混凝土是热的不 良导体 , 导致路面板温度波动沿其深度逐渐滞后 在下雨天 , 由于热量由内部向路表传输 , 这 时路面板呈 负温度 梯 度 Ti me
22、 图 1 自然养生方式下 路面板浇筑后 1周内各深度的温度波动 曲线 F i g 1 Te m p e r a t u r e f l u c t u a t i o n c u r v e o f P CC s l a b i n o n e we e k a f t e r p l a c i n g wi t h n a t u r a l e u r i n g m e t h o d 在路表 4 5 c m 以下处 , 温度波动很小, 而在路表 层 1 0 c m处 , 无论何种天气 , 其温度分布的线性特征 都非常 明显 可 见 , 在 1 d之 内 , 路 面 板 的温 度 梯
23、度经 历 了 由 负 到正 、 再 到负 的循 环变 化 , 这种 变化 的 日积 月 累将 成 为一 种 作用 于路 面 的疲 劳 荷载 4 2路面 板温 度场 的 空间分 布 在 同一 深度 处 , 路 面板 的 中部 与边 缘存 在 温 差 , 呈 不均 匀分 布 升温 阶段 , 路 面板 的右 边 ( 东 侧 ) 升 温 最快 , 温度也最高 , 而 中部 与左 边 ( 西侧) 则基 本一 致 ; 降温阶段 , 路面板的中部降温最慢 , 左右两边降 温最快 , 而且非 常一致 在降温阶段 、 夜晚及 阴天状 况下 , 路面板中部的温度较边缘高 , 夜晚最高时可达 3 在 其他 深 度
24、, 温 度 也 具 有 类 似 的 变 化 规 律 路 面板温度的这种不均匀分布主要 由太 阳辐射与热交 换 的差 异 引起 在其他 4种养生方式下 , 路 面板温度场 的空间 分布也都具有类似的变化规律 4 3差异 分析 不同养生方式的热工参数差异对路面板温度有 着 显著 的 影 响 本 文 选 择 2 0 1 0 0 8 1 4 2 0 1 0 - 0 8 - 1 5 ( 路面板浇筑后第 2 d ) 和 2 0 1 0 0 8 1 8 ( 路面板浇筑后 第 6 d ) 这 2个关 键 时间点 进行 分析 4 3 1 路面板平均温度时变曲线 图 2 , 3分别 为 E l 期 2 0 1 0
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