基于早龄期应力历史的水泥混凝土路面板硬化翘曲研究

摘要

硬化翘曲在路面水泥混凝土硬化阶段形成，会直接影响水泥混凝土路面板的应力状态和翘曲形态，进而对路面在车辆荷载作用下的长期服役行为和耐久性产生深远影响。现有的研究方法还不能充分揭示硬化翘曲的形成机理，我国水泥混凝土路面设计也没有充分考虑硬化翘曲对结构力学响应产生的影响，施工也没有明确提出相应的技术措施调节板内硬化翘曲的量值和分布形态。因此，论文在对相关研究成果梳理的基础上，通过野外试验、室内试验和理论分析等手段，着重研究和探讨了水泥混凝土路面硬化翘曲的形成机理，主要完成的工作和得到的结论如下：
　　在野外修筑了半刚性基层水泥混凝土路面六联板试验路，首次量测了早龄期水泥混凝土板沿深度方向的温度场和不同平面位置处（板角、板边中部）的竖向翘曲变形时程，结果表明硬化翘曲具有明显的平面位置依赖性和随龄期的波动性。进一步修筑了柔性基层单独厚板试验路，量测了早龄期和硬化后水泥混凝土板厚方向不同深度处的温度时程和应变时程，结果表明残余应变在板厚方向也与深度有关，且残余应变梯度随龄期出现先增大后减小直至反号的现象。
　　论文建立了早龄期水泥混凝土路面瞬态温度场和湿度场的数值计算模型，编写了相应的子程序，基于绝热温升试验数据、不同养生方式板温度场数据和单面干燥梁湿度场数据标定了模型参数取值。基于此模型评价了温湿度场的空间均匀性、等效线性温湿度梯度和截面温湿度平均值等参数随养生方式和浇筑时刻的变化特征。结果表明上述指标能够有效区分不同施工工况下水泥混凝土板内温湿度历史。
　　归纳了早龄期水泥混凝土拉伸、压缩徐变特性的相关研究成果，指出修正B3模型能够较为准确的描述早龄期水泥混凝土的徐变行为。论文基于修正B3模型建立了早龄期混凝土徐变度和松弛模量的转换关系，建立了早龄期水泥混凝土基本徐变行为的持荷时间-受荷龄期等效模型，确定了徐变度和松弛模量移位因子的表达式和主曲线方程，分析了不同徐变度历史对残余应变的影响机制。计算结果表明残余应变的符号和水平与拉压徐变度幅值和应力历史直接相关。
　　建立了全面考虑早龄期水泥混凝土基本徐变行为、干燥徐变行为、温度胀缩行为、拉压差异徐变行为、拉伸与压缩应变软化行为的力学本构模型，编写了相应的本构子程序。基于单轴拉压和单面干燥水泥混凝土梁深入分析了上述因素对残余应变的作用机理，结果表明初始干燥龄期和温度变化速率从根本上影响残余应变的水平。进一步，提出了水泥混凝土路面硬化翘曲的正向计算方法流程，给出了硬化温度翘曲的稳定时刻确定方法和残余应力与残余变形的转换方法。
　　最后，论文基于建立的热-湿-力顺序耦合计算模型和提出的硬化温度翘曲正向计算方法，分析了混凝土徐变松弛能力、浇筑时刻和路面板结构尺寸等因素对硬化翘曲的影响机制，指出路面板内温度场均匀性、混凝土初始干燥龄期、混凝土徐变度幅值、板内应力历史、路面结构约束强度等因素均会对最终的硬化翘曲幅值或分布形态产生影响。此外，当车辆荷载作用于存在硬化翘曲的混凝土板时，板内较高应力区域发生迁移，表明硬化翘曲的存在可能增加板发生板角开裂和横向开裂的风险。最终，根据不同因素对硬化翘曲的影响机制提出了水泥混凝土路面板硬化翘曲的调节方法。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外在该方向的研究现状及分析

1.3 本文主要研究内容

第2章 不同约束形态足尺混凝土板硬化翘曲量测

2.1 有相邻板约束的水泥混凝土板硬化翘曲量测

2.2 无相邻板约束的水泥混凝土板硬化翘曲量测

2.3 本章小结

第3章 温湿度历史对水泥混凝土板硬化翘曲的作用

3.1 硬化期水泥混凝土路面温湿度场预测模型的建立

3.2 热湿本构参数辨识与标定

3.3 水泥混凝土路面板硬化期温湿度场演化特点表征

3.4 本章小结

第4章 早龄期混凝土徐变历史对硬化翘曲的作用

4.1 早龄期水泥混凝土拉压徐变行为的差异性

4.2 混凝土的固化徐变理论（B3模型）

4.3 早龄期水泥混凝土松弛方程的确定

4.4 早龄期水泥混凝土基本徐变行为的持荷时间-受荷龄期等效模型

4.5徐变历史对残余应变的影响机制

4.6 本章小结

第5章 水泥混凝土路面硬化翘曲正向计算方法

5.1 早龄期混凝土本构模型的建立及其数值求解

5.2 残余应变和残余应力的产生机理分析

5.3 水泥混凝土路面板硬化翘曲正向计算方法

5.4 本章小结

第6章 水泥混凝土路面板硬化翘曲影响因素分析

6.1 不同因素对水泥混凝土板硬化翘曲的影响机制

6.2 存在硬化翘曲的混凝土板在重载车辆荷载作用下的开裂模式

6.3 试验板硬化翘曲变化规律的分析

6.4 水泥混凝土路面硬化翘曲控制方法

6.5 本章小结

结论

参考文献

附录A 水泥混凝土板竖向翘曲变形实测数据

附录B 残余应力的等效线性温度梯度

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历