水泥混凝土路面温度应力与病害防治措施

水泥混凝土路面温度应力与病害防治措施

王永安

中国民航机场建设集团公司西南分公司四川成都610202

摘要：针对水泥混凝土路面温度裂缝，分析温度应力产生机理，利用ANSYS有限元软件，采用三维有限元法分析路面温度应力。探讨面板尺寸、厚度和弹性模量对面板中温度应力的影响规律，为施工中减少温度应力产生的裂缝、坑洞等病害提供参考。

关键词：路面工程；水泥混凝土路面；有限元；温度应力

前言

水泥混凝土路面以其高强度、耐磨耗、环保性好等优点，在较低等级路面中仍应用广泛。然而，由于低等级公路设计水平和施工技术不够完善，路面在自然环境的影响下易产生由温度应力引起的裂缝、错台、坑洞等病害。本文结合现行规范[1]，从分析水泥混凝土面板温度应力入手，采用三维有限元建立路面结构三维实体模型，分析水泥混凝土面板尺寸、厚度、模量对温度应力的影响规律。以此分析施工中控制温度应力减少病害的方法，为路面设计、施工和后期维护提供参考。

1水泥混凝土路面温度应力与影响因素

1.1水泥混凝土路面温度应力

水泥混凝土面板由于温度分布不均匀[2]或温度升降[3]不能自由伸缩而产生的应力，即为水泥混凝土路面温度应力。温度应力的存在常常会引起一系列的路面病害，如裂缝、坑洞、错台等病害。在温度应力的作用下，路面板形成微裂缝，与车辆荷载耦合作用，微裂缝发展延伸并最终贯穿整个面板，地表水与雨水通过裂缝进入路面结构的内部，浸润基层材料，迅速削弱其承载力和刚度，间接形成坑洞和错台等路面病害。

按温度应力成因不同大致可分为两个阶段[4]：

第一阶段为水泥混凝土铺筑完成至水泥路面温度稳定，这期间由于水泥的水化放热，混凝土面板内部温度高而外部温度相对较低，由于温度差的存在，路面板不同位置的膨胀量不同，是混凝土材料分子产生相对位移并开始出现微裂缝。

第二阶段道路使用阶段水化放热相对环境热可以忽略不计，路面温度应力主要受自然环境的影响。由于路面材料热传递性能差，当外界环境温度变化时，面板出现温度梯度上下伸缩不一致，出现翘曲现象，在车轮荷载的作用下容易发生断裂，如图所示[5]：

图2夜间在温度梯度和轮载耦合作用下面板破坏形式

1.2影响因素

水泥混凝土路面内部温度应力的产生，是诸多因素共同作用的结果。概括分为内部因素和外部因素两个方面。

外部因素是指气温、太阳热辐射、风等不可控制的气候因素。水泥混凝土面板的温度是随着环境变化而变化的，早晚的温差、四季气温的变化，使混凝土面板在一天内和一年内重复发生伸缩变形，并且产生伸缩应力。约束伸缩变形的主要阻力是板底与基层顶面的层间阻力和临板的作用力。当交通荷载作用于临界位置时，易产生裂缝。

内因是指水泥混凝土路面的材料、施工、养护等可以避免或减小的人为因素。水泥混凝土面板的平面尺寸、厚度和模量，是影响温度应力的关键。混凝土的材料性质、配合比和养护直接影响着水泥混凝土的模量。

2有限元分析

2.1模型建立

假设水泥浆混凝路面为热线弹性层状体系，采用ANSYS有限元软件分析混凝土面板尺寸、板厚Tp（10cm、13cm、16cm、19cm、22cm、25cm）和模量Ep（20000MPa、25000MPa、30000MPa、35000MPa）对面板温度应力的影响。路面计算参数如表1所示，建立三维有限元模型如图3所示，模型高度h为5m，长宽为分析变量。

图3水泥混凝土路面三维模型

2.2结果分析

2.2.1面板尺寸

分析水泥混凝土面板的平面尺寸对温度应力的影响，面板模量取30000MPa，厚度取20cm，计算结果如图4所示。

图5面板厚度对温度应力的影响

水泥混凝土面板内温度应力水平，随面板厚度增大而提高，其变化规律如图5所示，可以看出，即使面板尺寸不同，温度应力一致随其厚度增大而增长。3m×3m的面板板厚由10cm增至25cm时，温度应力增长了1.53倍；4m×3m的面板板厚由10cm增至25cm时，温度应力增长了1.23倍；5m×3m的面板板厚由10cm增至25cm时，温度应力增长了1.08倍。因此，在增加面板厚度时，要特别注意板内温度应力，必要时要采取适当措施改善混凝土面板的温度应力状态。

2.2.3面板模量

设定面板尺寸为5m×3m，板厚为20cm，计算不同面板模量条件下的混凝土面板温度应力，其计算结果如图6所示。从图中可以看出，面板内温度应力与面板模量呈线性关系，温度应力随模量的增大而增大。模量从20GPa到35GPa增长了75%，而面板内温度应力增长了44.86%。水泥混凝土面板的模量对温度表较敏感，在温度降低时模量会大幅增加，而采用固定模量计算面板温度应力则偏于危险，也就是降温等环境下实际温度应力会比该处计算的温度应力大很多，所示要选择适当的路面材料和路面结构形式，降低面板模量对温度应力的影响。

图6面板模量对温度应力的影响

3水泥混凝土路面温度应力病害防治措施

1）原材料控制

混凝土的标号不宜过高。在一般混凝土结构物中，混凝土的力学强度和安全储备会比较高，这样导致施工时水泥水化放热大，混凝土内部温度高，内外温差高，从而产生较大的温度应力。混凝土的强度指标和耐久性指标之间不是正比例关系，还受到工程、施工水平等因素影响，因此实验室内选择混凝土要满足标号要求和工程环境要求。

选择合适的骨料。混凝土的细骨料，宜采用优质河砂，细度模数控制在2.5~3.0之间的中砂。由于泥土对混凝塑性收缩的影响很大，河砂含泥量要满足小于1%的要求。粗骨料一般采用碎石，强度和粒径都应符合要求。

2）配合比优化

在混凝土配合比设计中，水灰比是重要指标，水灰比过大，游离水会增多。混凝土表面在太阳热和风的作用下，会很快蒸发，产生温度应力。水灰比控制在0.43~0.44之内比较适宜。目前，拌合站能较准确地控制水灰比和拌和质量，实验室选择的配合比能指导现场施工。

3）施工环境控制

太阳辐射和风速对混凝土温度应力的产生有直接影响。在夏季施工中，应避免在气温大于30℃或者混合料出料温度大于30℃时施工。夜间施工气温较低，无太阳辐射，可降低出现温度裂缝。风力大于Ⅳ级（风速5~6m）时，如果不及时进行遮挡养护，路表游离水会较快蒸发，引起路面开裂。所以应当避免在Ⅳ级风中施工。

4）切缝和养护

选择合适的切缝时机。切缝能降低混凝土板内应力，减少初始裂缝的发展。切缝时机的选择是否合理，直接影响混凝土面板早期裂缝的破坏程度。切缝过早会导致面板边角受损，切缝过晚会造成路面产生早期裂缝，如图7[6]所示。此外，切缝深度一般要达到板厚的四分之一，以保证裂缝沿切缝走向断开。

图7切缝时机对水泥混凝土强度影响

进行优质养护。混凝土路面的养护与温缩裂缝有很大关系。路面养护能防止水分快速蒸发，降低水化产生的温度应力，减少早期裂缝。养护时，应及时洒水或喷洒表面养护剂以保证混凝土表面湿润。

4结论

本文分析了温度应力产生路面病害的机理和过程，并指出影响水泥混凝土面板温度应力的内因和外因，并着重研究对板尺寸、板厚和模量面板温度应力的影响，得到以下结论：

1）面板尺寸从2m×2m增至5m×3m时，面板温度应力增长1倍多；板厚cong10m增至25cm时，面板温度应力增长近1.5倍；面板模量从20GPa增至35GPa时，面板温度应力增长了44.86%。

2）从路面材料、设计配比和施工控制等方面提出了合理措施，降低水泥混凝土面板内温度应力，以控制温度应力引起的路面病害的发生和发展。

参考文献

[1]JTGD40-2002.公路水泥混凝土路面设计规范[S].2002.

[2]胡昌斌,曾惠珍等.湿热地区水泥混凝土路面温度场与温度应力研究[J].福州大学学报,2011,(10).

[3]李永毅，沈哲等.高温差环境下水泥混凝土道面温度应力试验研究[J].混凝土,2010(8).

[4]昌运兴.浅谈水泥混凝土路面的施工温度与裂缝[C].海南:海南省公路学会交流论文集,2004.

[5]易红晟.水泥混凝土路面早龄期病害产生机理与防治措施研究[D].华南理工大学,2012(6):13.

[6]刘晓曦,王旭,刘国忠.机场水泥混凝土道面早期裂缝治理方法研究[J].工业建筑,2008,38(6):79-81.