溫度在混凝土路面中的傳播規(guī)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(chǎn)開發(fā)有限公司,山東 濟南 250101; 2.濟南鑫都置業(yè)有限公司,山東 濟南 250101)

0 引言

隨著我國公路網(wǎng)建設(shè)的逐步完善[1],公路管理部門的主要任務(wù)將從建設(shè)公路網(wǎng)轉(zhuǎn)向養(yǎng)護、改建和改善,對現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)性能的測試評定是路面改建和維護的基礎(chǔ)[2-3]。通過定量評價,可預警和研判路面結(jié)構(gòu)損傷程度,為補強設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

研究表明,路面結(jié)構(gòu)完全暴露在自然環(huán)境中,除承受行車荷載外還受持續(xù)變化的氣候環(huán)境影響,如太陽輻射、氣溫、降水等環(huán)境因素。溫度變化對混凝土路面的影響具體表現(xiàn)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(jié)構(gòu)的動態(tài)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(xiàn)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(yīng)的技術(shù)規(guī)范,尤其是溫度修正關(guān)系的缺乏導致不同溫度下測得的動態(tài)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(yīng)用與發(fā)展[6-7]。

另一方面,隨著道路檢測技術(shù)的發(fā)展,路面檢測設(shè)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(jié)構(gòu)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(tài)彎沉及反算模量溫度修正研究相應(yīng)的技術(shù)規(guī)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(tài)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(shè)的進一步發(fā)展[11]。因此,針對FWD實測動態(tài)彎沉溫度修正關(guān)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(jié)構(gòu)進行測試,對路面各層溫度進行實時監(jiān)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(guān)系和影響規(guī)律,為混凝土路面彎沉檢測的溫度換算提供依據(jù)。

1 混凝土路面溫度監(jiān)測方案

1.1 試驗方案

由于面層本身的強度與溫度關(guān)系密切,且混凝土路面結(jié)構(gòu)的彎沉與近4～5天的結(jié)構(gòu)層內(nèi)部溫度及環(huán)境溫度有很大的關(guān)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(jié)構(gòu)層內(nèi)部的溫度,并與近幾天的溫度綜合考慮,對原始數(shù)據(jù)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(jié)果分析

為研究混凝土路面各層溫度梯度的影響規(guī)律,選擇當?shù)叵募厩缋侍鞖?對路表及內(nèi)部各層溫度進行24h實時監(jiān)測(測試時間為2022年5月4日),結(jié)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(jiān)測所得溫度波動規(guī)律與地表溫度波動規(guī)律基本一致,即路面各層溫度與地表溫度是直接相關(guān)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(guī)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(yīng)用的路面結(jié)構(gòu)強度無破損檢測儀器,其加載系統(tǒng)可較好地模擬行車荷載作用,量測系統(tǒng)可快速、精準獲取路表整個彎沉盆數(shù)據(jù)信息,有效解決了靜態(tài)彎沉儀參照系不穩(wěn)定的問題,使用慣性基準點,同時克服了靜態(tài)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(jié)構(gòu)狀況評定的有力工具。一般記錄3方面數(shù)據(jù):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(zhì)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(jié)構(gòu),然后通過按一定間距布置的傳感器測定路表的變形響應(yīng)(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(yīng)。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(yīng)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(tǒng)(見圖3),該設(shè)備主要參數(shù)為:荷載范圍7～120kN;彎沉傳感器分辨率1gm;系統(tǒng)誤差2%;彎沉傳感器數(shù)量7～9個;荷載盤直徑30cm。按照JTG 3450—2019《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》進行試驗。FWD通過計算機控制下的液壓系統(tǒng)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(nèi)調(diào)整,并通過剛性圓盤作用到路面上。該系統(tǒng)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(shè)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(shè)定為3級,路面結(jié)構(gòu)參數(shù)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(jiān)測路面及各埋深溫度傳感器溫度數(shù)據(jù)。測試路面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 測試路面結(jié)構(gòu)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(huán)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(huán)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(guān)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(jié)合1.2節(jié)混凝土路面24h溫度數(shù)據(jù)及不同埋深溫度與地表溫度的梯度規(guī)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(jié)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(shù)據(jù)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(yīng)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(shù)據(jù)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(yīng)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(yīng)彎沉值均呈較好的線性關(guān)系,為進一步探究混凝土路面溫度與彎沉的相關(guān)關(guān)系,對不同溫度、荷載下測點彎沉值結(jié)果建立關(guān)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(guān)系系數(shù)。

以地表溫度對不同荷載作用下彎沉值響應(yīng)曲線為例,擬合關(guān)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(guān)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(guān)系式參數(shù),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(shù)Table 2 Parameters of fitting curve between temperature and bending value of each layer of concrete slab under different loads

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

3 結(jié)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(guān)系和影響規(guī)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(jié)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(jié)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(yīng)彎沉值呈現(xiàn)高度相關(guān)的線性關(guān)系,進一步建立考慮溫度、荷載變量的混凝土彎沉值關(guān)系式,通過分析公式參數(shù)相關(guān)系數(shù)R2,自地下16cm處向上,越接近地表相關(guān)系數(shù)值越接近于1,相關(guān)性越強。且隨著埋深的增加,越低層溫度變化范圍越小,關(guān)系系數(shù)a,即斜率越大。