水泥混凝土路面早齡期應(yīng)力行為試驗研究

胡昌斌，孫增華，王麗娟

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建，福州，350008)

水泥混凝土路面在施工及養(yǎng)生早齡期階段由于環(huán)境場和水泥水化的綜合作用，會在板內(nèi)形成不均勻分布的溫濕度場，進而產(chǎn)生早齡期翹曲變形和應(yīng)力[1?2]。Suh等[3]在連續(xù)配筋混凝土路面(CRCP)試驗研究中提出水泥混凝土路面早齡期一般是指路面板澆筑完成后的前72 h。Rasmussen、McCullough等[4?5]通過對水泥混凝土路面(JPCP)的早齡期溫度場、濕度場及豎向位移變形試驗研究，發(fā)現(xiàn)施工環(huán)境對早齡期性狀以及路面早期破壞和耐久性具有顯著影響。在此之后，路面早齡期性狀研究逐步受到學(xué)者關(guān)注。

Schell[6]、Schindler等[7]、Jeong和Zollinger[8]、Hansen等[9]、Ceylan等[10]、Wells等[11]、Asbahan等[12]、Kim等[13]、Wei等[14]、馮德成等[15]通過開展水泥混凝土路面早齡期現(xiàn)場監(jiān)測試驗，揭示了路面板的溫度場、濕度場以及翹曲變形的性狀特征，通過固化翹曲(built-in curling)和固化溫度差(built-in temperature difference)等概念揭示了施工環(huán)境對路面應(yīng)力和翹曲等行為的影響。根據(jù)試驗工況的不同，實測終凝固化溫度梯度差范圍在?0.77℃/cm～0.16℃/cm；濕度干縮主要發(fā)生在路面板距板頂5 cm范圍內(nèi)，產(chǎn)生板角向上的卷曲變形；環(huán)境荷載作用下路面板早齡期呈現(xiàn)板角向上凹形翹曲或板角向下的凸形翹曲，實測翹曲量級在?0.6 mm～1.5 mm，特別是高溫夏季施工的路面會形成負(fù)的固化溫度梯度差或固化翹曲，產(chǎn)生板角向上的翹曲，濕度卷曲加劇了板角向上的翹曲形狀[8,10]。

為綜合考慮早齡期溫度梯度、濕度收縮、徐變等的影響，量化環(huán)境荷載對路面早齡期行為的量級，Rao等[16]提出等效固化翹曲(EBIC)和等效固化溫度梯度差(EBITD)的概念來描述環(huán)境荷載對路面板早齡期行為的影響，Ceylan等[10]、Beckemeyer等[17]、Rao等[18]采用現(xiàn)場實測路面板溫度場、翹曲性狀的方法，結(jié)合有限元分析獲得EBITD值，Rao、Roesler[19]采用落錘彎沉(FWD)加載，測量路面板力學(xué)響應(yīng)，再結(jié)合有限元結(jié)果確定EBITD值范圍在?0.22℃/cm～?1.33℃/cm。

路面板早齡期在環(huán)境荷載作用下產(chǎn)生的翹曲變形，受到接縫、接觸面摩擦和自重等結(jié)構(gòu)約束限制，會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。Rasmussen[4]、Schell[6]、Hansen等[9]通過現(xiàn)場試驗獲得固化溫度梯度后，采用有限元軟件分析了路面板早齡期內(nèi)應(yīng)力的形成與演變特征。Yeon等[20?21]設(shè)計無應(yīng)力圓筒裝置(NC)，現(xiàn)場監(jiān)測了與應(yīng)力有關(guān)的應(yīng)變的發(fā)展，分析了環(huán)境荷載作用下徐變和固化翹曲對路面板應(yīng)力發(fā)展的影響。Castaneda等[22]、李新凱等[23]分別采用切縫法和鉆環(huán)法反演了路面早齡期殘余應(yīng)力的量級。

Rasmussen[4]、Shoukry等[24]、Ye[25]、Lee等[26]、王麗娟等[27?28]為揭示不同施工環(huán)境條件下路面板的早齡期力學(xué)行為，在開展路面板早齡期溫度場、濕度場、翹曲變形監(jiān)測試驗的基礎(chǔ)上，提出了HIPERPAV、3DFE、TMAC2、ICON等路面早齡期力學(xué)行為仿真程序，采用試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了程序的有效性。

目前路面板早齡期溫濕度類和變形類性狀都可以較準(zhǔn)確測得，對于理論上提及的早齡期應(yīng)力由于早齡期收縮變形、蠕變、徐變以及溫度場循環(huán)并不能通過應(yīng)變的方法直接測得，需要通過剝離與應(yīng)力無關(guān)的不同影響因素作用，并基于數(shù)值計算的間接方法實現(xiàn)，目前此方面的研究還不深入，早齡期應(yīng)力與其他早齡期性狀的關(guān)系也缺乏分析。同時不同國家和地區(qū)的氣候、結(jié)構(gòu)和水泥材料都有其各自的特點，這些不同因素也將直接影響路面板的早齡期行為。

我國目前對于路面板的早齡期應(yīng)力的試驗和理論研究還很少。鑒于此，本文借鑒文獻[21]的早齡期應(yīng)力研究方法，采用無應(yīng)力圓筒裝置從總應(yīng)變實測結(jié)果中剝離出與應(yīng)力有關(guān)的應(yīng)變時程，基于應(yīng)變歷史結(jié)合步進法考慮徐變的影響后獲得應(yīng)力時程，通過理論結(jié)合試驗獲得路面早齡期應(yīng)力性狀。選擇夏季高溫、冬季低溫、隧道恒溫3種典型環(huán)境工況開展現(xiàn)場試驗，并同步監(jiān)測了路面板早齡期溫度場和整板翹曲形狀，觀察路面板早齡期應(yīng)力性狀與溫度梯度和翹曲變形的相互關(guān)系，具體如下。

1 基于早齡期應(yīng)變歷史的應(yīng)力計算

一般混凝土的應(yīng)力性狀是通過應(yīng)變來獲得的，但是應(yīng)變有不同的驅(qū)動來源，同時由于早齡期蠕變和徐變，應(yīng)變和應(yīng)力不是線性的對應(yīng)關(guān)系。要通過早齡期應(yīng)變獲得應(yīng)力觀察，既需要剝離不同的驅(qū)動來源，還要考慮徐變及其與應(yīng)力歷史的組合形成的非線性對應(yīng)關(guān)系。本文采用無應(yīng)力圓筒裝置監(jiān)測并去除路面板內(nèi)溫濕度應(yīng)變等與應(yīng)力無關(guān)的應(yīng)變[21]，基于應(yīng)變歷史結(jié)合步進法考慮徐變松弛獲得路面板典型監(jiān)測位置應(yīng)力性狀和時程。

基于路面板早齡期階段應(yīng)變歷史的應(yīng)力增量計算方法如下[29?32]。

1)混凝土應(yīng)力松弛函數(shù)

單軸加載粘彈性混凝土材料應(yīng)變-應(yīng)力本構(gòu)關(guān)系為：

2)早齡期應(yīng)變歷史與應(yīng)力的增量計算方法

基于實測的應(yīng)變歷程計算時變應(yīng)力的數(shù)值方法主要有效模量法、齡期調(diào)整有效模量法、增量法和步進法。步進法可以準(zhǔn)確評估考慮材料時變特性的硬化混凝土在變化的應(yīng)變時程作用下的應(yīng)力歷史，本文選擇步進法。

式中：φ0、d、p為材料參數(shù)，分別取0.9、0.32、0.32；上述時間均為等效齡期。

通過式(2)計算得到每一步的應(yīng)力增量后，疊加每個應(yīng)力增量即可得到混凝土應(yīng)力時程，即：

以上步驟可用MATLAB語言編制計算程序。

2 早齡期應(yīng)力監(jiān)測試驗

2.1 工況設(shè)計

現(xiàn)場監(jiān)測試驗分別選擇福建高溫夏季施工、低溫冬季施工和隧道內(nèi)恒溫環(huán)境施工3種典型工況進行，分別位于福建省漳州S208線華安城關(guān)至漳平路段(1#)、廈門新機場(2#)以及漳州云平高速公路玉和隧道(3#)，同步監(jiān)測路面板早齡期溫度場和整板翹曲形狀。路面結(jié)構(gòu)如圖2所示，試驗路結(jié)構(gòu)尺寸、施工時間與環(huán)境場參數(shù)見表1和圖3。

圖3 早齡期環(huán)境參數(shù)Fig.3 Changesof environmental parametersin early age

表1 路面板現(xiàn)場試驗信息Table 1 Information about field testing

圖2 路面結(jié)構(gòu)示意圖/cmFig.2 Schematic diagram of pavement structure

1#試驗板為高溫夏季施工，試驗階段氣溫為24℃～42℃，日平均氣溫在30℃以上，最大晝夜溫差為18℃，太陽輻射強度最大值為970 W/m2，環(huán)境濕度為45%～83%，平均風(fēng)速為0.8 m/s，最大風(fēng)速為1.9 m/s。2#試驗板為低溫冬季施工，試驗階段氣溫為9℃～13℃，日平均氣溫約為15℃，最大晝夜溫差為12℃，太陽輻射強度最大值為410 W/m2，環(huán)境濕度為51%～95%，平均風(fēng)速為2.9 m/s，最大風(fēng)速為5.8 m/s。3#試驗板位于隧道內(nèi)，施工環(huán)境與室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)條件相近，氣溫為21℃±1℃，無太陽輻射，環(huán)境濕度為70%±5%?？梢钥吹?，1#、2#和3#試驗板屬于3種不同的典型環(huán)境施工工況，施工環(huán)境區(qū)分度好。

終凝時刻采用臨界水化度和等效齡期理論，以路面板各個位置混凝土全部達到終凝條件作為路面板應(yīng)力與翹曲變形的起始時刻。根據(jù)路面板各個位置傳感器監(jiān)測的溫度數(shù)據(jù)計算得到1#～3#現(xiàn)場試驗路面板終凝時間分別為2014.6.25/23:00、2020.1.11/1:00和2019.5.29/15:00。

2.2 傳感器的布置

試驗段傳感器主要有溫度、豎向位移、應(yīng)變傳感器，無應(yīng)力筒裝置。溫度采用應(yīng)變計攜帶的溫度傳感器監(jiān)測，應(yīng)變采用振弦式應(yīng)變傳感器監(jiān)測。現(xiàn)場環(huán)境場采用PC-3型便攜式自動氣象站同步測量。

路面板的豎向位移監(jiān)測，由于路面板早齡期翹曲量級非常小，不易監(jiān)測，本文采用將振弦式應(yīng)變傳感器豎向預(yù)埋設(shè)并固定于面板底部基礎(chǔ)內(nèi)，監(jiān)測板底的豎向變形。制作方法是將至少1/2長度的振弦應(yīng)變計埋置在混凝土圓柱構(gòu)件中，并設(shè)置于基層內(nèi)，為確保構(gòu)件固定和防止構(gòu)件隨基層和面層變形，構(gòu)件底部用環(huán)氧樹脂固定，側(cè)面與基層之間采用塑料等彈性物填充，頂面設(shè)防水薄膜隔離。結(jié)合應(yīng)變傳感器的尺寸，監(jiān)測得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)換為豎向位移。豎向位移監(jiān)測裝置埋設(shè)如圖4所示。

圖4 板底豎向位移監(jiān)測裝置Fig.4 Measurement device of slab vertical displacement

現(xiàn)場足尺板翹曲試驗在路面板的板中、板角、板邊中部和1/4板中等典型位置埋設(shè)13組傳感器測量路面板的三維不均勻特性，傳感器布置如圖5所示。

圖5 傳感器布置示意圖Fig.5 Schematic drawing showing location of gauges

對現(xiàn)場1#、2#試驗板分別監(jiān)測溫度、豎向位移和應(yīng)變數(shù)據(jù)，并設(shè)置無應(yīng)力筒。重點觀察面板早齡期溫度場、翹曲形狀、溫濕度應(yīng)變和總應(yīng)變歷史。由于無應(yīng)力圓筒裝置直徑為7.5 cm、長為25 cm，尺寸相對較大，不便于將無應(yīng)力圓筒裝置設(shè)于路面板表層，一般設(shè)置于板厚中間或者板底位置。1#板中無應(yīng)力圓筒設(shè)置于板厚中部位置，2#試驗板中無應(yīng)力圓筒設(shè)置于板底位置。3#試驗板未設(shè)無應(yīng)力筒。

2.3 不同應(yīng)變分量試驗剝離方法

埋設(shè)振弦式應(yīng)變傳感器監(jiān)測混凝土總應(yīng)變，通過無應(yīng)力筒剝離溫度濕度自由應(yīng)變。

將振弦式應(yīng)變計置于PVC圓筒內(nèi)，并用路面混凝土填充密實，保證圓筒內(nèi)外混凝土生長條件一致，通過PVC筒壁隔離內(nèi)外混凝土，使筒內(nèi)混凝土自由變形，筒內(nèi)應(yīng)變計只監(jiān)測溫度應(yīng)變。同樣的，在另一PVC圓筒內(nèi)設(shè)置應(yīng)變計，該圓筒壁上預(yù)留圓孔，使圓筒內(nèi)、外混凝土發(fā)生水分自由交換，混凝土濕度保持一致，此時帶孔的圓筒裝置監(jiān)測的是溫度應(yīng)變和濕度應(yīng)變。為確保筒內(nèi)混凝土是自由變形，須使圓筒內(nèi)壁光滑，并在圓筒兩端采用彈性填充物密封[20?21]，該測量與應(yīng)力無關(guān)的應(yīng)變稱為無應(yīng)力圓筒裝置，測量總應(yīng)變及分量如圖5所示。

根據(jù)振弦式應(yīng)變計和無應(yīng)力圓筒裝置監(jiān)測結(jié)果，可以得到混凝土總應(yīng)變、溫度應(yīng)變、濕度應(yīng)變，總應(yīng)變減去溫度應(yīng)變和濕度應(yīng)變得到與溫濕度無關(guān)的應(yīng)變分量，主要為彈性應(yīng)變和徐變應(yīng)變。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 路面板早齡期溫度場

路面板早齡期溫度場監(jiān)測結(jié)果如圖6～圖9所示。

圖6 1#試驗路面板各位置溫度變化Fig.6 Temperature histories at bottom of slab 1#

圖8 3#試驗路面板溫度實測值Fig.8 Measured temperature historiesin slab 3#

圖9 1#～3#路面板板頂與板底溫度梯度差實測值Fig.9 Measured temperature difference histories between top and bottom of slabs1#～3#

路面板早齡期溫度場主要性狀特征如下：

1)路面內(nèi)部溫度隨環(huán)境溫度呈現(xiàn)周期性波動，板頂溫度波動幅度最大，板中次之，板底溫度波動最小。高溫夏季早晨施工時，由于水泥水化熱、大氣溫度以及太陽輻射的共同作用，會導(dǎo)致路面板內(nèi)部產(chǎn)生高溫(圖6)，而低溫冬季施工的路面溫度相對較低(圖7)。從圖6(a)和圖7可以看出，不同施工環(huán)境下路面板早齡期溫度波動范圍在12℃～48℃。

圖7 2#試驗路面板溫度實測值Fig.7 Measured temperature historiesin slab 2#

2)沿板厚方向存在溫度梯度，板頂板底溫度差值呈現(xiàn)晝夜周期性正負(fù)值波動，板頂板底溫度差一般在?12.1℃～13℃，其中夏季施工的路面早齡期溫度差較大，低溫冬季施工的路面溫度差較小。終凝固化時刻溫度梯度差取決于終凝時間所在的時段，1#～3#試驗板固化溫度梯度差分別為?1.2℃、3.9℃、?1.4℃。此外從圖9可以看出，水化熱顯著影響前24 h齡期內(nèi)的溫度梯度差，水化熱結(jié)束后，溫度差與環(huán)境場波動一致；高溫夏季工況下的溫度差范圍明顯高于低溫冬季工況。

3)路面板同一深度平面上也存在溫度梯度，一般情況下，同一深度的板中溫度＞板邊溫度＞板角溫度，高溫夏季工況下平面溫度差值可達6.5℃(圖6)，而低溫冬季工況下平面溫度差為2℃～4℃。

4)路面早齡期溫度場隨水泥水化放熱疊加環(huán)境場作用而波動。路面板總體溫度在水泥水化熱作用，在前24 h峰值最高，水泥水化放熱可以使路面板溫度升高高達18℃，隨著水泥水化逐漸結(jié)束，板體溫度峰值逐漸降低。對比3個環(huán)境工況可以看到，早齡期溫度場波動顯著性由環(huán)境場決定，三維導(dǎo)熱邊界使路面板整體呈現(xiàn)溫度的不均勻分布。

3.2 豎向位移與翹曲

翹曲形態(tài)以板中為基點，如圖10～圖13所示。圖14的面板整體翹曲形狀基于13組設(shè)于板底的豎向位移監(jiān)測裝置采用二次型曲面擬合得到。

圖1 步進法計算應(yīng)力示意圖Fig.1 Concept of stress calculation using step-by-step method

圖10 1#試驗面板對角線豎向位移Fig.10 Vertical displacement of diagonal measured in slab 1#

圖13 3#試驗路面板板邊線豎向位移Fig.13 Vertical displacement of sideline relative to center measured in slab 3#

圖14 1#試驗路面板整體翹曲形狀Fig.14 Curling outline of pavement slab 1#at different time instances

研究發(fā)現(xiàn)：

1)早齡期豎向位移和翹曲隨一天的天氣變化呈現(xiàn)波動性，波動幅值與施工條件、環(huán)境條件顯著相關(guān)，早齡期正溫差、負(fù)溫差最大值分別對應(yīng)板角向下翹曲最大值和向上翹曲最大值。高溫夏季施工的1#試驗板板角豎向位移波動范圍較大，為?450μm～550μm(圖10)。低溫冬季施工的2#路面板板角翹曲范圍為?8μm～26μm(圖12)，遠小于高溫夏季工況。隧道內(nèi)3#試驗板早齡期板角翹曲最大為90μm，在徐變作用下逐漸降低為26μm(圖13)。

圖12 2#試驗路面板板邊線豎向位移Fig.12 Vertical displacement of sideline relative to center measured in slab 2#

2)早齡期面板整體存在板角向上的凹形翹曲和板中向上的凸形翹曲，翹曲形態(tài)受不均勻溫濕度環(huán)境場、結(jié)構(gòu)約束影響，會出現(xiàn)板角始終向上的凹形翹曲，凹形與凸形翹曲交替變化，以及板角始終向下的凸形翹曲三種形態(tài)，表面濕度喪失引起的干燥收縮，顯著影響路面板的固化翹曲形態(tài)和量級。

圖10、圖11和圖14顯示，1#試驗路面板為凹形與凸形翹曲交替出現(xiàn)的工況，正午12:00前后路面板板中向上的翹曲，而夜間0:00情況正好相反，呈現(xiàn)的是板角向上的翹曲；從圖13可以看到，隧道內(nèi)的3#試驗路面板則呈現(xiàn)出板角始終向上的凹形翹曲，徐變作用使翹曲量級逐漸減小。這說明溫度場穩(wěn)定條件下，濕度收縮對翹曲形狀產(chǎn)生顯著作用。

圖11 1#試驗路面板對角線翹曲形狀Fig.11 Measured curling outlinesof slab diagonal in slab 1#

試驗顯示，養(yǎng)生結(jié)束時的干燥收縮引起的濕度翹曲很顯著，在養(yǎng)生保濕階段路面板翹曲量級較小，養(yǎng)護結(jié)束后路面翹曲顯著增加。例如1#路面板養(yǎng)護期內(nèi)翹曲峰值約為200μm；而養(yǎng)護結(jié)束后，受大氣溫度、太陽輻射以及失水干縮的共同作用，路面板的翹曲量明顯增加，峰值將達到600μm，板頂板底溫度梯度差波動范圍也增加(圖9)，且周期性向上向下翹曲波動十分明顯。

3)由于溫度場的三維不均勻性和結(jié)構(gòu)約束，路面板翹曲形態(tài)呈現(xiàn)不對稱性。分析發(fā)現(xiàn)，圖14擬合得到的1#路面板對角線翹曲性狀的不對稱翹曲主要是受溫度場不均勻以及接縫約束的影響。

3.3 早齡期應(yīng)變歷史

圖15～圖17為試驗板不同位置總應(yīng)變曲線，圖18～圖19所示為通過無應(yīng)力圓筒裝置得到的應(yīng)變分量。

圖18 1#試驗路面板板中底部應(yīng)變曲線Fig.18 Strain histories measured at bottom of slab 1#

圖19 2#試驗路面板板中底部應(yīng)變曲線Fig.19 Strain histories measured at bottom of slab 2#

試驗發(fā)現(xiàn)：

1)混凝土總應(yīng)變整體呈現(xiàn)先增大、后減小、再波動循環(huán)的基本特征(圖15～圖17)，量級為?150με～150με。分析認(rèn)為，前面兩個行為與水化放熱行為顯著相關(guān)，應(yīng)變波動循環(huán)則與日氣溫波動有關(guān)。以隧道3#板為例，早期應(yīng)變主要受水泥水化作用影響(圖17)，后期應(yīng)變循環(huán)幅值變化很低，板頂混凝土短暫膨脹后快速收縮，總應(yīng)變降低約100με，板底混凝土熱量散失較慢，溫度持續(xù)升高造成膨脹量較大，后期降至穩(wěn)定溫度時，收縮約80με，板頂收縮大于板底收縮造成面板產(chǎn)生向上的固化翹曲變形。

圖15 1#試驗路面板不同位置總應(yīng)變曲線Fig.15 Total strain histories at different locations in slab 1#

圖17 3#試驗路面板不同位置總應(yīng)變曲線Fig.17 Total strain historiesat different locationsin slab 3#

2)路面混凝土的早齡期溫度應(yīng)變與濕度應(yīng)變也呈晝夜波動，但是節(jié)奏相反，混凝土溫度升高發(fā)生應(yīng)變增加(膨脹)時，濕度應(yīng)變往往是降低的(收縮)。早齡期溫度應(yīng)變受水化熱和環(huán)境條件影響，而后期由環(huán)境決定。濕度應(yīng)變表現(xiàn)為收縮應(yīng)變，隨齡期增長，濕度收縮緩慢增長(圖18和圖19)。

4 路面板早齡期應(yīng)力性狀分析

4.1 路面板早齡期應(yīng)力性狀

根據(jù)監(jiān)測所得應(yīng)變歷史，采用應(yīng)力疊加計算方法，分析路面板的早齡期應(yīng)力性狀如圖20所示。

圖20 1#和2#試驗路面板混凝土早齡期應(yīng)力評估Fig.20 Evaluated early-age stresses histories in slabs1# and 2#

1)1#試驗板板中應(yīng)力歷史顯示，路面板早齡期應(yīng)力先呈現(xiàn)壓應(yīng)力(階段I)，隨后為拉應(yīng)力(階段II)，后期為應(yīng)力波動(階段III)，而應(yīng)力波動中包括了壓應(yīng)力波動和拉壓應(yīng)力循環(huán)波動。

該試驗板于高溫夏季傍晚鋪筑，終凝結(jié)束后在水化熱作用下，溫度升高，混凝土膨脹產(chǎn)生壓應(yīng)力(階段I)，幅值為0.15 MPa；水化放熱結(jié)束，路面板溫度降低，混凝土收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力(階段II)，應(yīng)力幅值為0.27 MPa；隨著后期路面板剛度提高、持續(xù)降溫，整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生板角向上、向下翹曲交替出現(xiàn)，路面板應(yīng)力周期波動(階段III)，先經(jīng)歷了壓應(yīng)力區(qū)波動，壓應(yīng)力幅值為0.75 MPa，之后轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓑簯?yīng)力循環(huán)波動，應(yīng)力波動范圍在±0.5 MPa之內(nèi)。

2)2#試驗板板底應(yīng)力時程顯示，終凝后路面板由于水化熱作用溫度升高，混凝土膨脹產(chǎn)生壓應(yīng)力(階段I)，幅值為0.17 MPa；之后混凝土散熱溫度降低，收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力(階段II)，最大值為0.24 MPa；隨著混凝土剛度提高，路面持續(xù)降溫，整體結(jié)構(gòu)板角向上的翹曲變形波動，路面板應(yīng)力也是周期性波動(階段III)，先經(jīng)歷了壓應(yīng)力區(qū)波動，壓應(yīng)力幅值為0.75 MPa，之后在長期環(huán)境場的作用下逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓑簯?yīng)力循環(huán)波動。

3)綜合1#夏季和2#冬季工況下應(yīng)力發(fā)展特征可以看出，路面板早齡期應(yīng)力經(jīng)歷了水化溫升產(chǎn)生短暫的壓應(yīng)力(階段I)，水化熱消散結(jié)束降溫產(chǎn)生拉應(yīng)力(階段II)，以及后期受環(huán)境氣溫波動引起的應(yīng)力波動(階段III)3個階段。溫升溫降會導(dǎo)致應(yīng)力的變化，但不決定拉、壓應(yīng)力的狀態(tài)。

同時還看到，1#和2#板早齡期階段出現(xiàn)的純壓波動狀態(tài)，然后逐漸抬升偏移，直至出現(xiàn)拉壓循環(huán)，分析認(rèn)為這可能是觀察到的一個路面板早齡期應(yīng)力其他同類研究也觀察到的典型現(xiàn)象。很多已有早齡期應(yīng)變監(jiān)測觀察發(fā)現(xiàn)，早齡期階段的應(yīng)變經(jīng)常出現(xiàn)與翹曲對應(yīng)計算的拉壓反向的情況(反常)[35?36]，但到了后期和服役期監(jiān)測的應(yīng)變將和翹曲形狀計算對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變工況一致(即恢復(fù)到正常)。從本試驗可以看到，這個反常的恢復(fù)時間夏季大約需要5 d，冬 季2#板的早齡期應(yīng)力拉壓波動趨勢恢復(fù)緩慢，壓應(yīng)力區(qū)波動時間較長，經(jīng)歷了很長時間(15 d)才轉(zhuǎn)換到拉壓應(yīng)力循環(huán)的正常階段。分析認(rèn)為，這種恢復(fù)行為可能與早齡期階段路面板放熱、固化硬化行為產(chǎn)生初始應(yīng)力與約束條件的相互作用，直至初始應(yīng)力獲得一定程度松弛有關(guān)，主要的應(yīng)力松弛行為是板整體變形、翹曲變形與約束和邊界的循環(huán)疲勞作用。

4)綜合來看，早齡期應(yīng)力的行為影響因素可分為主動因素和被動因素。主動的驅(qū)動因素有水化放熱、環(huán)境場溫濕度變化、翹曲變形和重力的聯(lián)合作用，被動影響因素有水泥混凝土的硬化行為和徐變行為、結(jié)構(gòu)約束、邊界條件情況等。

觀察早期徐變主要效應(yīng)是消減早期應(yīng)力值，不改變早齡期應(yīng)力狀態(tài)，但是對應(yīng)力的松弛影響具有復(fù)雜性。從圖20對比有無徐變的應(yīng)力情況，可以看出徐變降低了1#路面板早齡期階段的應(yīng)力峰值，降低幅度約33%，但是后期拉應(yīng)力幅值并沒有受徐變影響。同樣地，徐變降低了2#試驗板早齡期應(yīng)力峰值約28%，后期降低壓應(yīng)力峰值的同時提高了拉應(yīng)力值，這主要與翹曲變形的重新分配有關(guān)。

4.2 早齡期應(yīng)力與溫度梯度、翹曲的關(guān)系

圖21所示為現(xiàn)場試驗獲得的早齡期應(yīng)力和板角翹曲演變過程與溫度差之間對應(yīng)的聯(lián)系。

圖21 早齡期應(yīng)力時程與溫度差和翹曲的對應(yīng)關(guān)系Fig.21 Relationship between early-age stress history and temperature difference and curling

研究發(fā)現(xiàn)：

1)分析可以發(fā)現(xiàn)，早齡期期間面板應(yīng)力和翹曲兩者耦合聯(lián)動，同時翹曲變形會改變路面板的形狀狀態(tài)(甚至支承狀態(tài))進而直接影響應(yīng)力的分布。初期水化熱效應(yīng)顯著，路面板剛度低，早齡期應(yīng)力主要為整體溫度變化和結(jié)構(gòu)約束產(chǎn)生的應(yīng)力；后期隨著面板剛度大，水化熱效應(yīng)下降，早齡期應(yīng)力與面板溫度梯度形成的路面板翹曲形狀引起的重力綜合作用份額增大，并通過反復(fù)漲縮和翹曲變形循環(huán)作用對邊界和約束進行破壞，從而實現(xiàn)對早期積累的特定早齡期固化初始應(yīng)力進行松弛。

2)通過比較路面板的一些變形和平整度實驗觀測，分析認(rèn)為這種松弛現(xiàn)象的附加效應(yīng)就是面板結(jié)構(gòu)約束和界面的松動，以及面板位置的爬移。有試驗研究對面板的整體的平整度觀察發(fā)現(xiàn)，2年內(nèi)路面存在板翹曲變形松弛、量級減小現(xiàn)象[8]。也應(yīng)值得注意的是，在剛通車的初始階段和齡期1個月以后的后期的通車階段，面板內(nèi)部的應(yīng)力條件并不相同。例如2#板的板底在第3 d～17 d處于持續(xù)的純壓波動循環(huán)的階段，面板總體向上翹曲，對應(yīng)的板頂將處于持續(xù)的受拉波動狀態(tài)，一旦通車后板頂將極易受損開裂，形成由頂向下的過早斷裂，如何規(guī)避這其中的不利情況，避免早期過早斷板值得探究。

4.3 討論

將本文結(jié)果與國外同類研究進行了對比，如圖22所示，早齡期應(yīng)力基本規(guī)律較為接近。終凝后短暫水化升溫階段呈現(xiàn)出壓應(yīng)力，隨后一段齡期內(nèi)板底應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，之后板底應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，均呈現(xiàn)晝夜周期波動。

圖22 路面板早齡期應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果對比Fig.22 Comparison of early-age stressmonitoring results

綜合來看，水泥混凝土路面早齡期應(yīng)力受施工氣候條件、施工工藝、結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)等諸多因素耦合影響。影響因素可分為主動因素和被動因素。主動的驅(qū)動因素有水化放熱、環(huán)境場溫濕度變化、翹曲變形和重力的聯(lián)合作用，被動影響因素有水泥混凝土的硬化行為和徐變行為、結(jié)構(gòu)約束、邊界條件情況等?？梢钥吹剑看温访姘逶琮g期現(xiàn)場監(jiān)測試驗數(shù)據(jù)都具有自身應(yīng)變應(yīng)力歷史和獨特性。

總體由于早齡期最初期的混凝土收縮、水化放熱的溫升、水化放熱高峰結(jié)束的散熱降溫、正常階段的氣溫溫度梯度影響，路面板早齡期應(yīng)力一般會先后經(jīng)歷壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和應(yīng)力波動3個階段，應(yīng)力波動階段還會存在一個應(yīng)力松弛過程，具體的松弛過程與初應(yīng)力積累、結(jié)構(gòu)和界面的約束情況有關(guān)。早齡期應(yīng)力的應(yīng)力波動和松弛過程的存在，造成路面板在初期運營的一段時間內(nèi)面板內(nèi)應(yīng)力并不相同，需要在設(shè)計時提前規(guī)避可能存在的過大的拉應(yīng)力狀態(tài)，避免早期過早斷板。

現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，路面板早齡期應(yīng)力波動與板位有很大關(guān)系，而無應(yīng)力圓筒裝置尺寸較大，無法獲得板頂表面位置的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，后續(xù)可對無應(yīng)力圓筒裝置的監(jiān)測技術(shù)進行進一步改進。此外，早齡期應(yīng)力應(yīng)變的初始值假定為路面板的終凝時刻，可能對初始早齡期應(yīng)力狀態(tài)評估形成一定誤差，研究開發(fā)一種能夠準(zhǔn)確判別混凝土應(yīng)力狀態(tài)的傳感技術(shù)對于路面板應(yīng)力研究十分重要?，F(xiàn)場試驗觀察是理論研究的前提，但數(shù)值仿真相比試驗技術(shù)研究可更全面、深刻地揭示水泥混凝土路面早齡期性狀及其對長期性能的影響，及時開展相關(guān)數(shù)值研究也十分必要。

5 結(jié)論

本文選擇夏季高溫、冬季低溫、隧道恒溫三種典型環(huán)境工況開展現(xiàn)場試驗，采用無應(yīng)力圓筒裝置從總應(yīng)變實測結(jié)果中剝離出與應(yīng)力有關(guān)的應(yīng)變時程，基于應(yīng)變歷史結(jié)合步進法考慮徐變的影響后獲得應(yīng)力時程，通過理論結(jié)合試驗獲得路面早齡期應(yīng)力性狀，并同步觀察路面板早齡期應(yīng)力性狀與溫度梯度和翹曲變形的相互關(guān)系，研究表明：

(1)水泥混凝土路面早齡期應(yīng)力受施工氣候條件、施工工藝、結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)等諸多因素耦合影響。影響因素可分為主動因素和被動因素。主動的驅(qū)動因素有水化放熱、環(huán)境場溫濕度變化、翹曲變形和重力的聯(lián)合作用，被動影響因素有水泥混凝土的硬化行為和徐變行為、結(jié)構(gòu)約束、邊界條件情況等。由于早齡期最初期的混凝土收縮、水化放熱的溫升、水化放熱高峰結(jié)束的散熱降溫、正常階段的氣溫溫度梯度影響，路面板早齡期應(yīng)力一般會先后經(jīng)歷壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和應(yīng)力波動3個階段，應(yīng)力波動階段還會存在一個應(yīng)力松弛過程。

(2)試驗顯示，夏季高溫施工路面板產(chǎn)生的早齡期應(yīng)力和翹曲量級高于冬季低溫施工的路面板。隧道恒溫條件下施工的路面板，由于濕度收縮，會形成板角始終向上的凹形固化翹曲。早齡期期間面板應(yīng)力和翹曲兩者耦合聯(lián)動，同時翹曲變形會改變路面板的形狀狀態(tài)(甚至支承狀態(tài))進而直接影響應(yīng)力的分布。初期水化熱效應(yīng)顯著，路面板剛度低，早齡期應(yīng)力主要為整體溫度變化和結(jié)構(gòu)約束產(chǎn)生的應(yīng)力；后期隨著面板剛度大，水化熱效應(yīng)下降，早齡期翹曲引起的重力作用份額增大。

(3)早齡期階段面板可以通過反復(fù)漲縮和翹曲變形循環(huán)作用對早期積累的特定早齡期固化初始應(yīng)力進行松弛。早齡期應(yīng)力的應(yīng)力波動和松弛過程的存在，造成路面板初期運營的一段時間的應(yīng)力與后期正常服役期并不相同，需要規(guī)避可能與設(shè)計狀態(tài)不符的初期不利工況，避免早期過早斷板。