多孔混凝土基层温缩应力分析

2014-08-01王新

黑龙江交通科技 2014年8期

关键词：徐变下基层面层

王新

(河北省高速公路衡大管理处)

1 引言

路面结构研究的主要内容之一是确定多孔混凝土基层板体的最大裂缝间距。本文通过多孔混凝土材料和多孔混凝土基层道路结构特性并结合相应的温度环境条件进行温缩应力分析，确定合理的切缝间距，对提高路面使用质量具有重要意义。

2 多孔混凝土基层温缩应力

多孔混凝土材料的收缩是其物理路用性能的重要方面，收缩使混凝土产生内应力，路面结构发生变形，诱发路面出现裂缝，降低其强度和刚度;此外混凝土内部的微裂缝也是由收缩引起的，混凝土内部微结构受到破坏，会导致多孔混凝土层耐久性能的降低。同普通混凝土一样，多孔混凝土的收缩可以分为两种类型:一种是混凝土硬化后其内部毛细孔和凝胶孔的吸附水在不饱和空气中流失引起的干缩;另一种是温度变化从而引发的温缩。在干缩和温缩两者综合作用下，多孔混凝土层内部收缩应力逐渐增长，当应力累积达到多孔混凝土材料的抗拉强度时，在最大拉应力处或者是结构层薄弱处将会产生收缩裂缝。

3 多孔混凝土基层开裂临界温度差的预估

把没有接缝的多孔混凝土基层假设为一块长且宽的板，在平均温差的影响下板内任一点的应变为:

由于温度的降低，底面摩阻力的完全约束着多孔混凝土层，其内部的温度应力逐渐增大。假设当温度降至某一临界温度之前，混凝土板不会发生变形，即εx= εy=0，根据式(1)得出当时的拉应力为:

因此，混凝土板变形受到完全阻碍时的拉应力与多孔混凝土的模量成正比，与平均板温的变化幅度也成正比。

在计算多孔混凝土层温缩应力时，由于温度取值是考虑结构层的年温度变化，其时间跨度较长，必须考虑多孔混凝土的徐变，否则会导致计算结果偏大。

当其他条件不变时，灰浆率越小，徐变越小;结晶体量多、形成快的水泥，它配制的徐变会比较小;骨料的结构密度较大、较紧密、级配好，空隙较少，徐变小，砂岩骨料比石灰岩骨料徐变大;粗骨料用量的少混凝土比用量多的徐变大;加荷龄期越晚，持荷应力越小，持荷时间越短，徐变越小;结构尺寸越大，徐变越小。因此，根据式(1)得出温度应力时弹性模量采取徐变模量Ecc需考虑徐变的影响因素。

式中:φ(t，τ)为多孔混凝土的徐变系数。参考ACI 混凝土的提出的混凝土基本徐变公式为:

式中:t 为结构持荷时间，d;τ 为加载龄期，d;φ∞为徐变系数最终值，取值范围在1.30 ～4.15 之间，ACI 推荐的平均值为2.35。

使多孔混凝土温度应力与多孔混凝土抗拉强度相等，即

可求得临界温度差ΔTc。当ΔT ＜ΔTc时，多孔混凝土基层横向可不进行切缝。

取多孔混凝土的弹性模量E 分别为12 000 MPa、15 000 MPa、18 000 MPa、21 000 MPa，由多孔混凝土材料试验得知，两种级配的温缩系数分别为6.38 数分别－6 和5.17 数分别－6，取温缩系数平均值为α=5.78×10－61/℃，泊松比μ=0.15，容许拉应力为［σ］=1.2 MPa，由式可得对应的临界温度差分别为39.43、31.54、26.28 和22.53 ℃。由计算结果可知，随着多孔混凝土模量的增加，多孔混凝土基层板开裂的临界温度逐渐减小，多孔混凝土模量越低，越不容易发生开裂。

4 多孔混凝土基层开裂间距

当多孔混凝土基层施工温度和年最冷时刻板中部的温度差时，如果不进行切缝，由于温度应力超出其临界值会导致基层开裂。这时需要对多孔混凝土基层进行切缝处理，切缝间距由多孔混凝土拉应力临界值和摩阻力的大小确定。

多孔混凝土受温度影响产生胀缩时，多孔混凝土板下的下基层和基层上的沥青面层两层的摩阻力是控制其长度变化的主要因素，如图1 所示。作用于单位宽度长度为x 上的多孔混凝土基层摩阻力为:

图1 多孔混凝土基层约束模式

式中:γ1为面层沥青混凝土密度，即单位体积的重力;γ2为多孔混凝土密度，即单位体积的重力;h1为沥青混凝土面层的厚度;h2为多孔混凝土板的厚度;f1为多孔混凝土基层与面层间的摩阻系数;f2为多孔混凝土基层与下基层间的摩阻系数。

但是在实际道路结构中，由于多孔混凝土基层表面比较粗糙，当沥青面层施工时，通过机械碾压，多孔混凝土基层与沥青面层结合紧密，考虑到沥青材料的蠕变和应力松弛现象，可以认为当多孔混凝土板在温度收缩过程中，沥青面层的变形与多孔混凝土基层的变形保持一致，即式(6)可写成如下表达式:

摩阻系数与多孔混凝土基层的位移量、位移反复情况和下基层的类型有关，需按通过试验确定，一般可在1.0 ～2.0的范围内选取。

假设作用于基层顶面和底面的摩阻力是均匀分布在截面上的，我们可以暂时忽略它对板截面的力矩作用，则与摩阻力平衡的截面应力为:

由此可得，距板自由端与摩阻应力的距离成正比，降低温度时摩阻应力的最大值出现在板长的中央，即

令多孔混凝土的容许拉应力与摩阻应力相等，即

由此求得最大板长L，即为要求的最大缩缝间距。

多孔混凝土容许拉应力取1.2 MPa，γ1为0.025 MN/m3;γ2为0.02 MN/m3;f2为0.5。

由表1 可知，随着沥青面层厚度的增加，多孔混凝土基层开裂间距会减小，随着多孔混凝土基层厚度的增加，多孔混凝土基层开裂间距会增加。多孔混凝土基层开裂间距计算时取1.5，在实际道路施工中，为避免多孔混凝土基层中的水进入下基层和底基层，会在多孔混凝土板与下基层的层间设置封层，多孔混凝土下基层与基层间的摩阻系数如果小于1.5，那么多孔混凝土基层的开裂间距会更大。