多孔混凝土基層溫縮應(yīng)力分析

王 新

(河北省高速公路衡大管理處)

1 引 言

路面結(jié)構(gòu)研究的主要內(nèi)容之一是確定多孔混凝土基層板體的最大裂縫間距。本文通過多孔混凝土材料和多孔混凝土基層道路結(jié)構(gòu)特性并結(jié)合相應(yīng)的溫度環(huán)境條件進(jìn)行溫縮應(yīng)力分析，確定合理的切縫間距，對提高路面使用質(zhì)量具有重要意義。

2 多孔混凝土基層溫縮應(yīng)力

多孔混凝土材料的收縮是其物理路用性能的重要方面，收縮使混凝土產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，路面結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，誘發(fā)路面出現(xiàn)裂縫，降低其強(qiáng)度和剛度;此外混凝土內(nèi)部的微裂縫也是由收縮引起的，混凝土內(nèi)部微結(jié)構(gòu)受到破壞，會導(dǎo)致多孔混凝土層耐久性能的降低。同普通混凝土一樣，多孔混凝土的收縮可以分為兩種類型:一種是混凝土硬化后其內(nèi)部毛細(xì)孔和凝膠孔的吸附水在不飽和空氣中流失引起的干縮;另一種是溫度變化從而引發(fā)的溫縮。在干縮和溫縮兩者綜合作用下，多孔混凝土層內(nèi)部收縮應(yīng)力逐漸增長，當(dāng)應(yīng)力累積達(dá)到多孔混凝土材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，在最大拉應(yīng)力處或者是結(jié)構(gòu)層薄弱處將會產(chǎn)生收縮裂縫。

3 多孔混凝土基層開裂臨界溫度差的預(yù)估

把沒有接縫的多孔混凝土基層假設(shè)為一塊長且寬的板，在平均溫差的影響下板內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)變?yōu)?

由于溫度的降低，底面摩阻力的完全約束著多孔混凝土層，其內(nèi)部的溫度應(yīng)力逐漸增大。假設(shè)當(dāng)溫度降至某一臨界溫度之前，混凝土板不會發(fā)生變形，即εx= εy=0，根據(jù)式(1)得出當(dāng)時(shí)的拉應(yīng)力為:

因此，混凝土板變形受到完全阻礙時(shí)的拉應(yīng)力與多孔混凝土的模量成正比，與平均板溫的變化幅度也成正比。

在計(jì)算多孔混凝土層溫縮應(yīng)力時(shí)，由于溫度取值是考慮結(jié)構(gòu)層的年溫度變化，其時(shí)間跨度較長，必須考慮多孔混凝土的徐變，否則會導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏大。

當(dāng)其他條件不變時(shí)，灰漿率越小，徐變越小;結(jié)晶體量多、形成快的水泥，它配制的徐變會比較小;骨料的結(jié)構(gòu)密度較大、較緊密、級配好，空隙較少，徐變小，砂巖骨料比石灰?guī)r骨料徐變大;粗骨料用量的少混凝土比用量多的徐變大;加荷齡期越晚，持荷應(yīng)力越小，持荷時(shí)間越短，徐變越小;結(jié)構(gòu)尺寸越大，徐變越小。因此，根據(jù)式(1)得出溫度應(yīng)力時(shí)彈性模量采取徐變模量Ecc需考慮徐變的影響因素。

式中:φ(t，τ)為多孔混凝土的徐變系數(shù)。參考ACI 混凝土的提出的混凝土基本徐變公式為:

式中:t 為結(jié)構(gòu)持荷時(shí)間，d;τ 為加載齡期，d;φ∞為徐變系數(shù)最終值，取值范圍在1.30 ～4.15 之間，ACI 推薦的平均值為2.35。

使多孔混凝土溫度應(yīng)力與多孔混凝土抗拉強(qiáng)度相等，即

可求得臨界溫度差ΔTc。當(dāng)ΔT ＜ΔTc時(shí)，多孔混凝土基層橫向可不進(jìn)行切縫。

取多孔混凝土的彈性模量E 分別為12 000 MPa、15 000 MPa、18 000 MPa、21 000 MPa，由多孔混凝土材料試驗(yàn)得知，兩種級配的溫縮系數(shù)分別為6.38 數(shù)分別－6 和5.17 數(shù)分別－6，取溫縮系數(shù)平均值為α=5.78×10－61/℃，泊松比μ=0.15，容許拉應(yīng)力為［σ］=1.2 MPa，由式可得對應(yīng)的臨界溫度差分別為39.43、31.54、26.28 和22.53 ℃。由計(jì)算結(jié)果可知，隨著多孔混凝土模量的增加，多孔混凝土基層板開裂的臨界溫度逐漸減小，多孔混凝土模量越低，越不容易發(fā)生開裂。

4 多孔混凝土基層開裂間距

當(dāng)多孔混凝土基層施工溫度和年最冷時(shí)刻板中部的溫度差時(shí)，如果不進(jìn)行切縫，由于溫度應(yīng)力超出其臨界值會導(dǎo)致基層開裂。這時(shí)需要對多孔混凝土基層進(jìn)行切縫處理，切縫間距由多孔混凝土拉應(yīng)力臨界值和摩阻力的大小確定。

多孔混凝土受溫度影響產(chǎn)生脹縮時(shí)，多孔混凝土板下的下基層和基層上的瀝青面層兩層的摩阻力是控制其長度變化的主要因素，如圖1 所示。作用于單位寬度長度為x 上的多孔混凝土基層摩阻力為:

圖1 多孔混凝土基層約束模式

式中:γ1為面層瀝青混凝土密度，即單位體積的重力;γ2為多孔混凝土密度，即單位體積的重力;h1為瀝青混凝土面層的厚度;h2為多孔混凝土板的厚度;f1為多孔混凝土基層與面層間的摩阻系數(shù);f2為多孔混凝土基層與下基層間的摩阻系數(shù)。

但是在實(shí)際道路結(jié)構(gòu)中，由于多孔混凝土基層表面比較粗糙，當(dāng)瀝青面層施工時(shí)，通過機(jī)械碾壓，多孔混凝土基層與瀝青面層結(jié)合緊密，考慮到瀝青材料的蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象，可以認(rèn)為當(dāng)多孔混凝土板在溫度收縮過程中，瀝青面層的變形與多孔混凝土基層的變形保持一致，即式(6)可寫成如下表達(dá)式:

摩阻系數(shù)與多孔混凝土基層的位移量、位移反復(fù)情況和下基層的類型有關(guān)，需按通過試驗(yàn)確定，一般可在1.0 ～2.0的范圍內(nèi)選取。

假設(shè)作用于基層頂面和底面的摩阻力是均勻分布在截面上的，我們可以暫時(shí)忽略它對板截面的力矩作用，則與摩阻力平衡的截面應(yīng)力為:

由此可得，距板自由端與摩阻應(yīng)力的距離成正比，降低溫度時(shí)摩阻應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在板長的中央，即

令多孔混凝土的容許拉應(yīng)力與摩阻應(yīng)力相等，即

由此求得最大板長L，即為要求的最大縮縫間距。

多孔混凝土容許拉應(yīng)力取1.2 MPa，γ1為0.025 MN/m3;γ2為0.02 MN/m3;f2為0.5。

由表1 可知，隨著瀝青面層厚度的增加，多孔混凝土基層開裂間距會減小，隨著多孔混凝土基層厚度的增加，多孔混凝土基層開裂間距會增加。多孔混凝土基層開裂間距計(jì)算時(shí)取1.5，在實(shí)際道路施工中，為避免多孔混凝土基層中的水進(jìn)入下基層和底基層，會在多孔混凝土板與下基層的層間設(shè)置封層，多孔混凝土下基層與基層間的摩阻系數(shù)如果小于1.5，那么多孔混凝土基層的開裂間距會更大。

表1 多孔混凝土板開裂間距(m)

5 結(jié) 論

(1)多孔混凝土基層的開裂與否，不僅與多孔混凝土材料性質(zhì)有關(guān)，而且與年溫差有關(guān)。當(dāng)基層年溫差大于臨界開裂溫度時(shí)，多孔混凝土基層將發(fā)生開裂;

(2)隨著瀝青面層厚度的增加，多孔混凝土基層開裂間距會減小;隨著多孔混凝土基層厚度的增加，多孔混凝土基層開裂間距會增加;

(3)多孔混凝土基層與下基層間的摩阻系數(shù)時(shí)，多孔混凝土基層開裂間距在30 ～60 m 之間。

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