温度在混凝土路面中的传播规律及对弯沉值的影响.pdf

年 月下第 卷 第 期施工技术（中英文）：温度在混凝土路面中的传播规律及对弯沉值的影响李清川，赵延涛，路兆武（济南金科骏耀房地产开发有限公司，山东 济南；济南鑫都置业有限公司，山东 济南）摘要 为进一步研究温度在混凝土路面中的传播规律和对弯沉值的影响，采用落锤式弯沉仪（）对温度梯度作用下的混凝土路面动态弯沉开展了试验研究。通过进行混凝土路面各层温度实时监测和考虑温度变量的混凝土路面板主点弯沉试验，得到弯沉值数据与实时温度及温度在水泥混凝土路面中的传播规律，研究结果表明：气温是影响路面结构温度的主要因素之一，混凝土路面各层温度与路表温度变化趋势相同；早上 时至下午 时期间，随着地表温度的升高，各埋深所测温度依次升高，下午 时左右达到温度梯度峰值；在，荷载作用范围内各层温度对应所测弯沉值呈现高度相关的线性关系。关键词 道路工程；混凝土；弯沉值；温度梯度；传播规律；落锤式弯沉仪中图分类号 文献标识码 文章编号（），（，；，）：，（），：；（）山东省自然科学基金（）作者简介 李清川，博士，工程师，：通信作者 赵延涛，助理工程师，：收稿日期 引言 随着我国公路网建设的逐步完善，公路管理部门的主要任务将从建设公路网转向养护、改建和改善，对现有路面结构性能的测试评定是路面改建和维护的基础。通过定量评价，可预警和研判路面结构损伤程度，为补强设计提供数据支撑和理论依据。研究表明，路面结构完全暴露在自然环境中，除承受行车荷载外还受持续变化的气候环境影响，如太阳辐射、气温、降水等环境因素。温度变化对 施工技术（中英文）第 卷混凝土路面的影响具体表现为：不同温度条件下路面损坏形式不同，从而导致强度降低，其疲劳寿命也受温度影响。温度的变化造成混凝土路面结构的动态弯沉与模量改变，故温度对路面使用性能的影响不可忽视，有必要对体现道路强度与刚度指标的测试弯沉及反算模量进行温度修正，但目前我国尚未建立相应的技术规范，尤其是温度修正关系的缺乏导致不同温度下测得的动态弯沉无法修正到标准温度下的弯沉值，阻碍了其在我国的应用与发展。另一方面，随着道路检测技术的发展，路面检测设备完成了从静力到动力的过渡，如目前广泛用于路面检测的落锤式弯沉仪（）。通过落锤模拟行车荷载，并能通过实测弯沉盆形状对路面结构层模量进行反算，进而评价路面的承载能力，但目前我国尚未建立与混凝土路面动态弯沉及反算模量温度修正研究相应的技术规范，尤其是考虑温度变量研究的缺乏导致不同温度下测得的动态弯沉无法修正到标准温度下的弯沉值，阻碍了我国公路建设的进一步发展。因此，针对 实测动态弯沉温度修正关系的研究迫在眉睫。本文以北方某校园混凝土道路为研究对象，借助落锤式弯沉仪对路面结构进行测试，对路面各层温度进行实时监测和考虑温度变量的混凝土路面板主点弯沉试验，研究温度与混凝土路面弯沉间的可靠关系和影响规律，为混凝土路面弯沉检测的温度换算提供依据。混凝土路面温度监测方案 试验方案 由于面层本身的强度与温度关系密切，且混凝土路面结构的弯沉与近 天的结构层内部温度及环境温度有很大的关系。因此，在混凝土路面上进行 测试时，一般要钻芯测量路面结构层内部的温度，并与近几天的温度综合考虑，对原始数据进行温度修正。用 取芯钻在距路缘 处钻芯打孔，成孔直径，深度，分层埋置温度传感器探头（防水型 ），埋深为，并拌制与路面同强度等级的 混凝土对钻孔进行回填，待 后进行试验。试验结果分析 为研究混凝土路面各层温度梯度的影响规律，选择当地夏季晴朗天气，对路表及内部各层温度进行 实时监测（测试时间为 年 月 日），结果如图，所示。由图 可知，路面各层监测所得温度波动规律图 混凝土路面不同深度 温度变化 图 混凝土路面不同埋深温度与地表温度梯度曲线 与地表温度波动规律基本一致，即路面各层温度与地表温度是直接相关的，气温的高低直接影响到路面各层的温度及温度波动幅度；早上 时起，所测各层温度并非由上到下递减，此时表层温度已开始上升，中间温度基本一样，而底层温度略高于中间温度，并不呈梯度分布；下午 时地表温度升至最高后快速下降，于 时起低于各埋深温度；各层温度在地表温度升至峰值后依次升至最高，并最终趋于一致。将温度梯度变化情况以下列公式定量表述，进一步分析温度梯度变化规律：（）（）式中：为各埋深深度温差率；为各埋深深度实测温度；为 处实测温度。由图 可知，早上 时至下午 时期间，随着地表温度升高，各埋深深度所测温度依次升高，但在上午 时起，地表温度升高趋势逐步高于各埋深温度，在下午 时左右达到温度梯度峰值，其中埋深 处，温 度 较 地 表 低 ，温 差 率为 。测试原理与考虑温度变量的弯沉值试验方案落锤式弯沉仪（）是当今国际上普遍应用 李清川等：温度在混凝土路面中的传播规律及对弯沉值的影响 的路面结构强度无破损检测仪器，其加载系统可较好地模拟行车荷载作用，量测系统可快速、精准获取路表整个弯沉盆数据信息，有效解决了静态弯沉仪参照系不稳定的问题，使用惯性基准点，同时克服了静态弯沉仪静力预载较大的缺点，可在整体性刚度较大的刚性路面上进行弯沉检测，是进行路面结构状况评定的有力工具。一般记录 方面数据：落锤点最大弯沉，以落锤点为中心的弯沉盆曲线，弯沉盆各点随时间变化的时程曲线。测试原理与试验方案 通过一定质量的重物自由下落，锤击具有一定刚性的承载板作用于路面结构，然后通过按一定间距布置的传感器测定路表的变形响应（即弯沉盆）。由 的加载原理可知，模拟了行车荷载对路面的瞬间作用，即瞬间行车荷载对路面垂直方向的效应。尽管 没有模拟整个行进过程，但能基本反映出路面在行车荷载下的应力及变形情况。本次试验采用美国落锤式弯沉检测系统（见图），该设备主要参数为：荷载范围；弯沉传感器分辨率；系统误差；弯沉传感器数量 个；荷载盘直径。按照 公路路基路面现场测试规程进行试验。通过计算机控制下的液压系统提升并下落重锤，对路面施加脉冲荷载。荷载大小可通过改变锤重和提升高度在相当大的范围内调整，并通过刚性圆盘作用到路面上。该系统测速快，精度高（分辨率为），可较好地模拟行车荷载的动力作用，目前被认为是较理想的路面无损检测设备。图 落锤式弯沉仪 考虑温度变量的混凝土路面板主点弯沉试验方案以某大学校园道路为测试对象，检测荷载设定为 级，路面结构参数检测和接缝传荷能力 级荷载均为，测定混凝土面板在不同荷载（，）下的弯沉值，并实时监测路面及各埋深温度传感器温度数据。测试路面结构如图 所示。采用落锤式弯沉仪（）将荷载施加在板中图 测试路面结构示意 心位置，如图 所示。图 考虑温度变量的混凝土路面板主点弯沉试验方案 研究表明，在众多环境因素对路面温度场的影响过程中，气温对路面温度场的影响最显著。相对于气温和太阳辐射而言，云层状况、大气的相对湿度、风速、降水等其他环境因素对路面温度场的影响十分有限，且与气温和太阳辐射间具有一定的相关性。故本文只考虑气温和太阳辐射对路面的影响。同时结合 节混凝土路面 温度数据及不同埋深温度与地表温度的梯度规律，选择晴朗天气，且温度梯度最大的下午 时为试验时间。考虑温度变量的混凝土路面板主点弯沉试验结果自 年 月至 月期间，共进行测试 次，得到不同荷载和温度条件下混凝土板弯沉值，取各测点弯沉值平均值，按地表温度由低到高对 次试验进行数据分析，如表 所示。获得地表和地下，各层温度在不同荷载作用下的弯沉值响应曲线，如图 所示。由图 可知，在，荷载作用下，各层温度对应弯沉值均呈较好的线性关系，为进一步探究混凝土路面温度与弯沉的相关关系，对不同温度、荷载下测点弯沉值结果建立关系如下：（）施工技术（中英文）第 卷表 不同荷载作用下弯沉值与各层温度数据 测试温度 弯沉值 图 混凝土路面不同深度温度在荷载作用下弯沉值响应曲线 式中：为中央弯沉值（）；为温度值（）；，为关系系数。以地表温度对不同荷载作用下弯沉值响应曲线为例，拟合关系曲线如图 所示。图 不同荷载作用下地表温度与弯沉值拟合关系曲线 进一步得到各埋深温度下混凝土路面弯沉值关系式参数，如表 所示。由相关系数 可知，在，作用荷载下，各层温度对应弯沉值呈现高度相关的线性关系，埋深地下 处至地表相关系数值越接近于，相关性越强。且随着埋深增加，越低层温度变化范围越小，关系系数，即斜率越大。结语 ）通过混凝土路面温度试验和考虑温度变量的 弯沉试验，对温度与混凝土路面弯沉间的可靠关系和影响规律进行了试验研究，研究表明，路表温度与各层间温度梯度是导致路面破损的原因之一。）混凝土路面温度测试结果表明，混凝土各层温度与路表温度同步变化，周期为一昼夜，各层温度在地表温度升至峰值后依次升至最高，最终趋于一致，早上 时至下午 时，随着地表温度升高，各埋深深度所测温度依次升高，但在上午 时起，地表温度升高趋势逐步高于各埋深温度，在下午 时左右达到温度梯度峰值，其中埋深 处，温度较地表低 ，温差率为 。）考虑温度变量的混凝土路面板主点 弯沉试验结果表明，在对混凝土路面施加，作用荷载时，各层温度对应弯沉值呈现高度相关的线性关系，进一步建立考虑温度、荷载变量的混凝土弯沉值关系式，通过分析公式参数相关系数，自地下 处向上，越接近地表相关系数值越接近于，相关性越强。且随着埋深的增加，越低层温度变化范围越小，关系系数，即斜率越大。李清川等：温度在混凝土路面中的传播规律及对弯沉值的影响 表 不同荷载作用下混凝土板各层温度与弯沉值拟合曲线参数 埋深 参考文献：饶宗皓，王宇，崔姝，等“十四五”高速公路建设重点解读中国公路，（）：，“”，（）：刘刚，陈磊磊，钱振东，等车辙深度对沥青路面结构性能影响性分析振动与冲击，（）：，（）：曾庆伟，陈李峰，高培伟，等基于 和 的路面结构性能评价方法公路，（）：，（）：戴秉佑，杨文臣，戢晓峰，等冬季高速公路逐时路表温度 预测模 型 中国 安全科 学学报，（）：，（）：陈柯柯甘肃省典型地区沥青路面高温温度场与车辙预估研究兰州：兰州理工大学，：，刘海军，赵政水泥混凝土路面结构温度分布特征研究交通科技，（）：，（）：周延翱，宋小金，潘勤学沥青路面 反算模量的温度修正方法公路工程，（）：，（）：柯能信基于 旧沥青路面加铺层设计方法研究中外公路，（）：，（）：宋金华，辛鹏飞 荷载下沥青路面弯沉盆几何特性分析重庆交通大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：，李伟雄，熊春龙，黄志勇，等基于 弯沉盆和大数据分析的沥青路面模量反演方法的合理性分析广东公路交通，（）：，（）：，付建村基于耐久性的季冻区混凝土桥桥面铺装结构材料施工协同优化研究西安：长安大学，：，耿巍，郑冬，钱振东，等路面材料导热系数 圆柱体试样测试法改进林业工程学报，（）：，（）：王丽娟，孙增华，胡昌斌环境荷载对混凝土路面板早龄期固化翘曲演化行为影响福州大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：罗乐根混凝土路面非常规尺寸水泥板温度应力与改善措施分析江西建材，（）：，（）：中交公路规划设计院公路水泥混凝土路面设计规范：北京：人民交通出版社，：，（下转第 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