水泥混凝土路面早龄期行为分析理论的研究与进展

胡昌斌, 孙增华, 王丽娟

(福州大学土木工程学院，福建 福州 350108)

0 引言

近年来，关于混凝土和路面板早龄期行为影响的路面板分析理论引起学界注意.研究发现，以往预估水泥混凝土路面性能方面，除了早期开裂，还存在早龄期固化形成的初始性状影响，即指路面铺筑后28 d内路面板固化的初始性状[1].研究显示，这些面板早龄期性状是预估水泥混凝土路面后期性能的基准关键参数，对路面服役性能有显著影响[2].

学者研究发现，在施工阶段，由于特定不均匀的温湿度场、水泥水化、边界条件和自重约束的综合作用，还会在路面板上形成初始固化变形[3-4]、初始内应力[5-6]、初始平整度[7-8]、接缝初始张开宽度[9]，并记忆温湿梯度和初始热力学参数基准值等一系列早龄期基准性状.这些早龄期性状会与服役阶段的环境场、交通荷载共同作用，对路面力学行为和破坏模式产生显著和复杂的影响[2, 10].以固化翘曲为例，Hansen等[3]研究发现，高温夏季铺筑的路面相比秋季将形成更大的早龄期初始固化翘曲，直接引起面板板底脱空，在叠加服役期温度场与车辆荷载后，影响水泥混凝土路面的破坏模式和量级.美国路面长期性能 (long term pavement performance, LTPP) 项目研究数据统计分析显示，施工季节对面板裂缝数量影响显著[11].

由于早龄期理论显示出的潜在研究价值，近年来研究学者们在此方面开展了大量研究.综合路面早龄期理论研究历程，目前主要有4个方面的研究： ① 面板早龄期的性状观察； ② 早龄期理论的概念构建； ③ 早龄期行为仿真分析技术研究； ④ 早龄期性状参数反演与理论应用.随着研究的积累，水泥混凝土路面早龄期整体理论与系统技术的构建逐渐成为可能.鉴于此，本研究从早龄期理论构架、研究方法、机制及应用等方面对目前路面早龄期分析理论的研究进展进行归纳阐述，以期为水泥混凝土路面早龄期行为理论的建立与应用提供支持.

1 路面板早龄期性状的实践观察

1.1 早龄期性状实践观察历程

水泥混凝土路面板为薄板结构，极易受到环境条件影响.此外，施工环境条件、工艺、混凝土材料、结构等因素对路面板早龄期病害的形成均有影响.从实践中观察到早龄期病害主要有早期塑性开裂、干缩开裂、温度应力开裂、剥落等.除了可见病害以外，路面早龄期理论认为对长期性能影响的还有早龄期性状.研究发现，在施工阶段路面板会形成初始固化变形、初始内应力、初始平整度、接缝初始张开宽度等早龄期基准性状，这些早龄期性状会与服役阶段的环境场、交通荷载共同作用，对路面力学行为和破坏模式产生显著和复杂的影响[2, 10].表1对反映路面板早龄期性状及其影响实践观察历程的文献进行了回顾.

表1 早龄期性状及其影响的实践观察历程

分析显示，对早龄期性状实践观察大致可分为如下几个阶段.

1) 直接力学性状实践观察.早期研究学者发现，服役期面板在环境场下带有初始的翘曲和不平整度[13-15].这个初始不平度会引起面板板角脱空，采用等效板顶板底温度差反演量级，可达-5 ℃.此阶段，研究学者更多关注环境场下面板平整度的实践观察.

2) 复杂早龄期性状概念构建与观察.1998年，学者研究认为面板早龄期将固化形成初始的基准性状参数，Yu和Khazanovich等[18-19]对其定义了“固化翘曲”(built-in curling)概念，并认为固化基准性状叠加服役期车辆荷载，对面板破坏模式影响显著.此阶段，研究学者主要开展固化翘曲形成机制、性状观察研究，并构造了早龄期固化翘曲等简化参数，开展了参数反演与应用研究[1-4, 10, 18-19].研究发现，面板早龄期除了固化翘曲，还会在内部形成初始的残余应力，该初始残余应力对面板强度存在折减作用[5, 21].由于应力的不可直接测量特性，对残余应力的实践观察存在困难，有学者采用机械应力释放方法，但该方法目前还处于探索阶段[5, 21].

3) 早龄期性状演化行为观察.由于简化参数无法表达早龄期全过程固化演化特征，此阶段研究人员开展了面板早龄期全时程、全过程、全面板翘曲行为的试验和数值仿真研究[22-23].此阶段主要关注早龄期固化参数演化行为，寻求对早龄期固化行为的更贴切表达与理论应用.

4) 同时，目前在早龄期性状参数的长期稳定性观察及其对路面服役性能影响研究等方面，也是学者们的研究热点[23].

1.2 早龄期性状试验测试与观察

混凝土面板早龄期性状的现场试验观察主要包括混凝土路面环境场、面板早龄期变形与应力等方面，近年来主要进展如下.

1.2.1 早龄期施工环境场与温、湿度场

施工早龄期面板环境场监测试验主要包含施工气象条件监测、面板温度场、湿度场等.

1) 环境气象的监测主要采用自动气象站，可监测气温、环境湿度、风速、太阳辐射等.

2) 混凝土面板早龄期温度场大多采用热电偶测量，传感监测技术比较成熟.研究发现，铺筑结束后面板由于水化热存在升温阶段，约持续6～14 h后温度下降.后期面板温度随环境气温而发生昼夜周期变化，一般正午左右温度达最大值，凌晨达最小值.温度变化量级与施工环境场、铺筑时间、配合比、水泥组分、集料类型等因素有关[24].

3) 路面混凝土早龄期湿度监测结果与测试技术及传感器精度密切相关.湿度监测传感器主要有冷镜式露点湿度传感器、电容式湿度传感器、湿敏传感器等.如HM1500LF和M200等探头式传感器、SHT75湿度传感器、纽扣式湿度传感器等，如图1所示.湿度监测一般结论认为，早龄期面板湿度场变化依次经历水汽饱和期、下降期和波动期； 湿度存在昼夜周期变化，变化趋势与环境湿度变化相近，与气温变化相反[24-26].

图1 不同湿度传感器[24-28]Fig.1 Different types of moisture sensors[24-28]

由于采用的传感器不同，早龄期湿度监测结论也存在一定差异.① 有学者认为面板内部湿度变化受温度影响较小，可忽略不计[24]； 但也有监测表明，面板内部湿度与温度变化呈相反变化趋势，内部温度变化对湿度有一定影响[25-26].② 有研究发现面板距表面5 cm或一定深度以下为饱和状态[27]； 但也有监测表明，面板干燥深度存在于全面板厚度，即板底也会发生湿度下降[28].③ 有研究发现面板板顶湿度始终低于板底，呈负湿度梯度[29]； 但也有监测显示，一天中面板板顶板底湿度差也会呈现正负交替[28, 30].除了采用不同湿度传感器的原因外，以上研究表明，面板内部湿度除了与水分的迁移扩散有关，还受内部温度变化的耦合影响.

对比温湿度监测技术可以看到，温度场监测技术较成熟，而湿度场的测试技术和试验方法一直在不断改进.不同研究学者采用的湿度传感器不同，以致出现早龄期湿度监测结论不同.沿面板厚度方向温度与湿度梯度是混凝土面板早龄期变形的主要驱动力，二者一般使面板呈现相反翘曲形状，在早龄期互相抵消.但由于热膨胀系数大于湿度变形系数，一般面板温度翘曲更为明显.

1.2.2 早龄期面板变形行为

不同学者开展的面板早龄期变形行为试验监测研究主要有两类.

一类是设计不同工况，开展不同施工条件(如养护方式、施工时段等)下的面板早龄期翘曲、脱粘、接缝宽度的性状研究及其影响因素分析.如美国联邦公路局Mccullough等[31](1994-1996)，Schell等[32](1998-1999)、Zollinger等[24](2004)、冯德成等[33](2010)、王丽娟等[23]开展的早龄期面板变形相关监测试验等，统计如表2所示.

表2 早龄期路面板环境场与变形监测统计

另一类是监测面板早龄期温湿度场与服役期翘曲变形，开展基于有限元的早龄期性状参数的反演研究.如Kim[26]、孙华斌[39]等.

对水泥混凝土路面早龄期变形行为的监测, 虽然从1994年至今已有二十多年，但相关研究成果与监测技术息息相关，进展十分缓慢.尤其在路面板全面板的翘曲变形方面，早期大多学者采用千分表进行面板的有限单点监测，千分表存在需设立支架，且易受扰动、精度低等问题.随着线性可变差动变压器(linear variable differential transformer, LVDT)的使用，实现了自动读数，提高了试验效率，但LVDT仍需设立支架，且支架在环境场下的变形误差对于高精度监测试验不可忽视.

2017年福州大学[23]采用全面板多点布置竖向设置振弦式应变传感器监测竖向位移的方法，对夏季现场试验路面板进行早龄期应变和全面板位移监测，成功得到了面板早龄期三维翘曲形状的完整渐变演化过程.研究发现早龄期翘曲形状中存在马鞍形中间态翘曲，随着龄期增长逐渐被“凸型”翘曲代替.试验观察证实，面板早龄期零温度梯度时刻以板角翘曲为主，总体固化向上板角翘曲形状.

此外，在应力监测方面，目前主要的技术是无应力瓦(或无应力圆筒)装置[30]，其原理是采用应变与变形传感器，从应变监测结果中剥离温、湿度引起体积变形，并通过理论公式考虑徐变松弛，计算获得面板应力.以上应力测量方法其中包含了许多误差.如何直接剥离温、湿度引起的体积变形，考虑徐变松弛，对面板早龄期复杂综合参数进行全时程直接监测十分困难.

随着技术的发展，采用分布式光纤、压电骨料、微型土压力盒等传感技术，结合无线传输[40]与大数据分析，可为进一步开展早龄期性状的实践观察、试验及仿真技术开发与参数反演研究提供新的途径.

2 路面板早龄期性状的概化与参数表达

2.1 混凝土早龄期热物理力学参数

路面混凝土基本热学参数包括水化热、比热容、导热率、热扩散系数、热膨胀系数等.这些参数对于研究早龄期水化热引起的路面混凝土的内部应力、应变分布和温度开裂十分重要.通常混凝土的热学性质反映水泥浆(包括水泥，水，化学添加剂)和集料，以及那些依赖于混合比例和成分类型的物质[41].

目前路面混凝土早期力学性能参数主要关注抗压强度、抗折强度、弹性模量、徐变、泊松比等，与面板抗断裂性能息息相关的冲击韧性和断裂力学参数由于理论研究薄弱，仍有待进一步加强.其中，徐变在平衡路面板初期变形和内应力时起到至关重要的作用.现场长期观测发现，路面早龄期性状在徐变作用下存在显著的演变现象.监测实验表明，在徐变、干缩和结构约束的综合作用下，路面板施工阶段形成的应力和翘曲变形性状，在施工后长达2年内都呈现出显著的松弛演变现象[24].路面混凝土徐变特性方面的研究发现，同一加载龄期下路面混凝土的压缩徐变比普通混凝土的小约20%，比高强混凝土的大约40%[42]，且徐变主要受混凝土组分、水分迁移、温度、湿度条件、加载龄期、加载时间以及应力水平影响.

早龄期混凝土力学性能很大程度上依赖水化水泥的微观结构发展，是水化度的函数，受多种因素的综合影响，如配合比、水灰比、龄期、养生条件和加载速率的影响.各个力学性质发展的速度并不一样，且涉及不同尺度转换，明确这些力学特性的耦合关系尚需诸多研究工作.

2.2 结构早龄期性状概化与参数

早龄期理论认为，由于早龄期水泥水化、不均匀温湿度场、边界条件和自重约束的综合作用，路面混凝土会在面板结构上形成一系列早龄期基准性状，目前概化的一般参数有早龄期干燥收缩、接缝性状、固化温度、固化翘曲、固化残余应力等.

2.2.1 早龄期干燥收缩、湿度卷曲与接缝性状

研究发现，路面混凝土早龄期湿度收缩存在显著特性，其24 h龄期内的收缩占整个早龄期阶段(龄期28 d内)收缩总量的一半以上[43].早龄期干缩变形主要受总湿度损失、蒸发率、泌水等因素影响.因此，与此相关的混凝土水泥组分、水灰比、骨料、环境养护条件等均对混凝土面板早龄期浅部干缩有影响.

在一般工作环境下，板表面往往容易干燥，但在距板顶50 mm以下将保持在一个相对稳定的高水平湿度.浅部的干燥将导致板顶收缩，从而致使板向上卷曲.Khazanovich等[18]认为面板施工阶段浅部干缩为永久的不可逆干缩分量.板顶和板底之间不可逆的干缩差产生了板深方向永久的收缩变形差，这就导致了路面板的永久卷曲(warping).

此外，研究显示缝宽严重影响传荷能力和衰减特性，接缝的张开爬移将减弱接缝处的荷载传递能力.早龄期的接缝张开量基本受路面温湿度改变的影响和混凝土的温度收缩系数、干缩、基层约束等控制[9].混凝土配合比设计也决定了接缝的宽度、接缝集料嵌锁的有效性，其中大粒径、硬度高集料对于传递荷载更有效.缩缝宽度不仅和施工环境、凝固温度密切相关，同时会随着季节变化收缩爬移，重新分布彼此之间的宽度，改变路面接缝传荷能力和结构支撑状态[9].

2.2.2 固化温度差与固化基础温度

图2 夏季上午施工面板固化温度概念示意图 Fig.2 Diagram of built-in temperature for slab constructed in summer morning

以夏季早晨铺筑的路面板为例，终凝时刻往往存在很高的正温度差和板底平均温度[2].终凝时刻面板是平的，却存在基准的终凝温度梯度，与此后面板环境温度的作用产生相反叠加影响，近似于面板记忆了一个负凝固时刻温度梯度，这个即早龄期分析理论所指的固化温度[1-3, 18-19].固化温度一般可分为固化温度差和固化平均温度两部分.图2以夏季施工面板为例，给出了早期固化温度差的概念示意图.基于早龄期固化温度差概念，图中显示面板板顶板底固化温度差量级近似为-(t1-t2).固化平均温度则为终凝板底温度的负值(-t2).面板为零温度差(板顶板底均为t5)时刻，由于施工固化温度影响，面板呈翘曲状态.

研究发现，不同地区施工面板早龄期存在不同固化温度差，其中高海拔地区由于昼夜温度差较大，施工后面板早龄期固化温度差也显著大于其它地区[23].固化平均温度主要与拌合料初始温度相关，基本反映的是当地施工气温特征.不同的固化温度特征叠合当地气候环境，对面板服役阶段的翘曲和脱空会产生明显影响.

2.2.3 固化翘曲

1998年，Yu和Khazanovich等[18-19]提出了“固化翘曲”(built-in curling)概念，通过观察和总结，他们认为路面板服役阶段产生的翘曲可归因于5个非线性分量的综合作用，如表3所示.

表3 水泥混凝土路面板翘曲分量组成

Khazanovich等[18-19]认为随着沿板深温度梯度和湿度梯度的变化，面板翘曲每天循环变化，固化温度差、凝固阶段的干缩和徐变这3个早龄期分量引起的翘曲在后期变化很小，但占路面总翘曲的比重却很大，因此该3个分量产生的翘曲可称为“固化翘曲”.为方便固化翘曲的反演，通常将服役期板顶板底温度差分量剥离，剩余4个分量采用有效固化温度差(effective built-in temperature difference, EBITD)参数表达.

研究表明，固化翘曲是面板施工阶段凝固时形成的固化温度差、面板浅部的不可逆干缩和徐变的综合反映，对面板支承与脱空状态、破坏模式、平整度、结构界面力学反应等路面长期性能有显著影响，是路面板早龄期性状中的关键参数[1-2].

文献[23]从早龄期多参数耦合演化角度，对固化翘曲的形成与演化特征及其对服役阶段性能的影响展开深入研究.研究显示，由于早龄期因素的多次循环综合消减作用，路面施工28 d后面板会总体形成始终向上的固化翘曲.此阶段的固化翘曲量级与凝结固化阶段量级也有所不同.

2.2.4 固化残余应力

路面板早龄期固化残余应力由固化应力和硬化残余应力两个部分组成.早龄期固化应力指的是混凝土从流塑态到固态的过程中，由于水化速率和凝固温度不同，出现了膨胀和收缩不均匀，而固化产生的不均匀内应力.固化应力是由水泥水化过程中的凝结固化不均匀场诱发的，在面板整体结构中形成不均匀应力分布，主要发生在混凝土初凝阶段.在混凝土面板初凝之后的硬化阶段，由于环境场、非线性弹性模量增长、早期徐变损伤的影响，混凝土面板不均匀膨胀、收缩而形成内应力，该应力称为硬化残余应力.

以往研究将固化应力与硬化阶段残余应力统称为“固化残余应力”.1990年，美国联邦航空管理局(FAA)在ASTM E837-95基础上，提出了采用钻孔-应变法测量混凝土机场道面固化残余应力方法.随后，Hung等[44]、Pessiki等[45]、Castaneda等[6]、李新凯等[5, 21]也对路面板残余应力的机械应力释放反演方法进行了各种尝试.路面板为薄板结构，环境场与龄期的耦合影响, 材料的不均匀特性如凝结固化、收缩膨胀与模量分布不均匀等，使得固化残余应力形成与松弛机制复杂，目前仍有待揭示.

2.2.5 路面板早龄期参数概化构建与稳定性研究

1) 构建早龄期参数方面.构建参数都是为早龄期性状和行为刻画服务的，所定义的参数类型和深度反映的是当前的研究状态.目前所采用的早龄期行为理论构造参数大多为单一因素、或多因素的简化表达参数，在描述面板早龄期性状还存在一些偏差.参数的构造是为了充分表达早龄期性状，而某一性状也可由多类参数进行表征.例如，水泥混凝土路面早龄期固化残余应力性状，可以采用面板7 d最大残余应力、28 d最大残余应力等直观简化参数，也可采用残余应力等效温度差、残余应力分布函数等二次计算参数.深入开展早龄期参数系的概念构造和理论研究，基于多尺度分析方法，考虑早龄期性状的水化、固化、硬化形成演化过程，构造参数系对面板早龄期复杂性状进行表征，对进一步提升早龄期理论发展十分重要.

2) 早龄期参数的稳定性和演化.学者们同时也对早龄期参数的长期稳定性十分关注[22-23].李丞斌[22]试验研究发现，早龄期固化应力中早期应力的比例最大，且存在时间长.王丽娟等[23]对早龄期参数28 d的连续观察发现，早龄期性状的影响是多方面的，如引起面板板中隆起的早龄期固化翘曲将在施工后2～3 d显著衰减，但引起的面板固化板角翘曲则会不断积累，最终在服役期增大面板板角翘曲，影响面板服役性能.此外，王丽娟构造了路面板第28 d早龄期性状影响参数N-EB28，通过对不同地区路面板的早龄期性状影响参数N-EB28量级的观察，发现其具有明显的长期稳定性[23].

3 路面板早龄期行为仿真分析技术研究

3.1 国外早龄期力学性状仿真研究

国外目前可考虑混凝土早龄期力学性状的分析程序主要有HIPERPAV、荷兰DIANA、伊利诺伊大学的ICON自编程序.

1) HIPERPAV程序.1996年美国联邦公路局开发的HIPERPAV是最早的可以模拟混凝土路面早期强度和应力的专用程序[46].该程序可以考虑诸多早期参数，如施工时间、混凝土配合比、锯缝时间、养护方式、结构尺寸等，基于路面性能经验公式来计算路面板的强度和应力，预估路面的早期裂缝生长情况.通过早期参数敏感性分析和应力强度结果对比，可确定早期裂缝生长的影响因素，进而给出预防早期裂缝生成的材料设计方法和施工工艺，从而改善和提高水泥混凝土路面的使用性能和寿命.

HIPERPAV在预测早期裂缝方向有其突出的优点.然而该类程序并不侧重于早龄期行为的计算，且都是二维程序，只适用于平面应力的计算仿真，致使路面板三维空间上的早龄期性状被忽略.特别是该程序无法模拟路面结构效应，导致无法将早龄期理论应用于结构设计优化.

2) DIANA软件.DIANA有限元软件作为通用程序，通过二次开发或编制子程序可实现混凝土早龄期三维性状的分析计算.但其内嵌的收缩徐变模型仅是简单的数学模型，其输入参数需根据具体的收缩徐变数据曲线拟合得到，即计算前需先预估混凝土收缩徐变值.由于早龄期收缩徐变演化复杂，与当时环境因素、材料因素等密切相关，深入的分析还不能实现.

3) ICON自编专用程序.Lee等[47]很早便意识到三维早龄期混凝土路面板性状演化机制的重要性，并于2006年开始着手编制早龄期专用程序ICON.该程序考虑温度、湿度收缩、混凝土自重、混凝土徐变等的影响，但所建模型为1/4路面板模型，且面板-基层为光滑界面，没有考虑结构约束，也无法表达不对称翘曲变形.

3.2 福州大学开发的FZU-JPES专用程序

三维路面板早龄期性状的形成演变机制仿真分析是完善并提升路面早龄期理论研究的系统性、综合性和深度的重要手段，福州大学自2007年以来致力于开发三维路面板早龄期模拟程序，并取得了一定研究进展，程序的开发分为4个阶段.

1) 面板早龄期温湿度程序开发.2009年胡昌斌等[48]采用有限差分法编制了水泥路面板早龄期温度场数值分析程序(FZUJPET 2.0)，程序选取水泥水化放热、环境变化、热交换3方面的模型和参数，通过现场足尺路面板早龄期、长期温度场监测试验，和室内小板试验调试验证了模型和程序.在湿度场方面，胡昌斌等[49]采用有限差分法编制水泥路面板早龄期湿度场数值分析程序(FZUJPEM 2.0)，程序考虑面板温度变化、环境各参数、基层吸水及供水能力对板内湿度的影响, 依据室内试验和现场足尺板监测试验标定程序模型和参数.以上为早龄期力学行为分析提供了面板早龄期温湿度场性状数据基础.

2) 1/4面板早龄期力学行为仿真程序研发.福州大学曾宇鑫[50]基于Fortran语言编制了1/4路面板三维早龄期力学行为数值仿真程序FZU-JPES.该程序综合了多种混凝土线弹性模型、热弹性模型及固化徐变模型，采用增量法计算混凝土早期的应力应变增量形式.王仁华[51]在程序中增加了湿度变形模块，使程序能考虑面板早龄期的湿度变形.

3) 全面板、全龄期面板早龄期力学行为仿真程序研发.王丽娟等[52]在已有早龄期温度场计算子程序(FZUJPET)、早龄期湿度场计算子程序(FZUJPEM)、1/4板早龄期力学行为仿真程序和混凝土早龄期室内材料试验研究的基础上，开发了考虑面板-基层的界面摩擦约束与边界接缝约束的接触界面计算模块(FZUJPEI)； 基于Fortran 语言，结合MSC.PATRAN软件开展了全面板三维早龄期翘曲有限元数值仿真技术研究和程序(FZU-JPESⅡ)开发研究.图3为FZU-JPESⅡ中采用的全面板模型结构图与1/4模型结构对比.目前仿真结果显示该程序具有较高的计算稳定性和精度.相比1/4面板仿真程序能更好地描述不对称早龄期翘曲的形成机制，考虑摩擦接触界面、接缝约束的仿真更贴近试验结果.

图3 面板结构模型设计[52]Fig.3 Design of pavement slab structure model[52]

4) 性状梯度影响与精细化本构考虑.进一步考虑路面板早龄期硬化模量不均匀、损伤徐变、精细化本构模型、多尺度分析与超早龄期本构是目前面板早龄期力学行为仿真重点研究方向.

3.3 早龄期行为仿真技术对比与多尺度分析技术开发

水泥混凝土路面早龄期行为模拟涉及环境场、边界约束、混凝土早龄期材料本构、结构应力与变形场等诸多仿真模块，对不同早龄期行为仿真技术对比列于表4.

表4 面板早龄期行为仿真程序对比

可以看到，相比其它程序，目前FZU-JPESⅡ在面板早龄期行为分析可以考虑温湿度场、徐变基层与边界约束、三维全面板结构效应的影响，可以模拟面板早龄期三维翘曲形状的完整渐变演化过程.但当前程序对路面混凝土弹性模量的非均匀分布，终凝的时间差带来的后续影响、固化残余应力的形成演化和释放特性以及锯缝施工等对路面内应力的释放特性等均无法考虑.

近期研究显示，在早龄期混凝土行为仿真中可引入多尺度仿真分析方法，该方法分别从微观尺度上基于水泥水化程序(如HYMOSTRUC3D、CEMHYD3D、Mic model等)对水泥水化过程进行仿真，获得水泥浆产物的微观形貌和系列力学计算参数(如模量).基于获得的力学参数，引入3D格构模型可开展混凝土早龄期损伤、断裂、耐久性等研究，如图4所示.

以上多尺度仿真研究方法为混凝土路面早龄期性状的仿真提供了重要思路，从微观、细观和宏观多尺度构建混凝土各相成分，模拟混凝土早期水化固化过程，基于材料的细观分析和模拟结果寻求材料的宏观代表性性状，实现混凝土早龄期变形与应力的形成演化数值仿真，对进一步深入开展混凝土路面早龄期性状研究是一个新的途径.

图4 混凝土早龄期水化与力学仿真[53]Fig.4 Hydration and mechanical simulation of concrete at early age[53]

4 早龄期行为的理论研究

4.1 早龄期性状形成演化阶段

4.1.1 早龄期性状形成阶段的描述

水泥混凝土路面板其形成主要包含水化、固化、硬化、徐变松弛等几个阶段.表5给出了路面板在不同阶段的主要行为.

混凝土路面在浇筑后由于水化反应，主要有两个过程： 固化(失出流动性的过程)和硬化(强度发展).在早龄期不同阶段，工程中关心的面板性状不同： 塑性阶段早龄期，一般指初凝以前(约0～4 h)，工程上主要关心塑性开裂、离析、混凝土性能的各向异性以及此阶段由于施工形成的面板较密集波浪翘曲等； 在早龄期成型阶段，一般指初凝到终凝(约2～6 h)，主要关心混凝土体积稳定性、温度开裂、自收缩、自愈合、损伤与隐形开裂等； 在早龄期生长阶段，一般指终凝到7 d龄期，主要关心整板变形与应力协调，徐变损伤等； 早龄期性状调整阶段，一般指7～28 d，甚至两年内，此阶段面板水化逐渐减少，在环境场作用，面板变形应力协调，最终固化早龄期基准性状.由于早期徐变、模量的发展，此过程中环境场对面板不同阶段早龄期性状的形成-释放-消散过程影响显著.

表5 水泥混凝土路面各形成阶段主要行为

4.1.2 早龄期性状形成机制与演化行为

水泥混凝土路面早龄期性状的形成主要与以下机制有关.

1) 水化固化硬化机制.混凝土拌和时即发生水化反应，环境场下的水泥混凝土路面板早龄期水化受不均匀温度场影响，将使面板不同位置水化速率不同，进而造成凝结速率的差异.随着不同位置发生凝结固化，不同时刻凝结的位置互相牵扯，形成局部应力，同时伴随着面板的三维不均匀模量的发展，使面板逐渐形成三维分布的固化初始应力与固化翘曲形状.

2) 早龄期性状耦合形成机制.研究发现[23]，面板早龄期温度、湿度场变化存在耦合影响，面板内部应变与变形也有一定相关性.首先温度、湿度均随环境场呈现昼夜周期变化，二者互相影响，变化规律为反向，且温湿度梯度对面板翘曲变形影响也为相反规律，互相抵消.面板早龄期应变发展为面板材料特性与结构体效应相互作用结果，在早龄期低模量、高徐变、边界约束等多方面综合耦合影响下，应变与结构变形存在一定相关性，但不是简单对应的，应变是受多方面因素耦合影响的结果.在以上机制的影响下，面板存在三维结构效应，呈现复杂的不对称翘曲特征.

3) 早龄期损伤、徐变松弛作用机制.混凝土路面铺筑后分别经历塑性、半塑性半弹性和弹性阶段.塑性阶段，虽然混凝土面板存在温、湿度三维分布，但因其内部塑性松弛，应力消散.随着水化硬化发展，混凝土形态从塑性渐变成弹性体，此过程中环境场下的路面板不同位置凝结固化、收缩膨胀与模量分布等存在差异，特别是沿板深还分布有温湿度梯度，此过程早期蠕变损伤可以松弛部分应力.随着龄期发展，徐变松弛作用减弱，面板固化分布着三维不均初始性状.面板早龄期固化性状在龄期演化过程中，与施工环境场、徐变松弛效应、材料三维固化不均匀特性等都显著相关.

4) 以上早龄期性状作用机制显示，由于环境场、龄期、松弛徐变以及界面约束的共同作用，路面板存在早龄期性状演化现象.同时，早龄期性状在不同尺度的形成机制以及超早龄期性状形成机制也仍有待揭示.

4.2 早龄期性状对面板性能的影响效应研究

4.2.1 早龄期性状的影响机制研究

目前多使用EBITD参数开展早龄期固化性状对面板服役性能的影响研究.

1) 通过将EBITD代入面板模型，计算板块的变形和应力.主要方法有将沿板深的固化温度差、干缩单独或者合并等效为温度差(忽略徐变)，或者将固化温度差与干缩等效温度差合并后采用经验折减考虑徐变，然后和服役期间的环境温度差叠加.更简便的方法是直接将固化温度差与服役期间的环境温度差叠加(忽略干缩与徐变)，带入结构模型进行力学或者变形分析.

Hansen等[3]研究发现不同季节施工面板固化的终凝温度差不同，对其叠加考虑干缩、徐变以及服役期温度场，将对面板疲劳应力和破坏位置有显著影响.Nassiri[38]提出了对Pittsburgh不同分区、不同月份施工面板取为-8.1～-6.8 ℃·cm-1的施工设计参数.

2) 对EBITD增加考虑固化平均温度影响，代入面板模型，计算板块的变形和应力.福州大学孙增华[54]研究认为，固化温度分布除固化温度差之外，固化平均温度部分对面板翘曲也有影响，由于基层约束的影响，沿板深均匀分布的温度发生改变时，也会产生面板翘曲现象.

3) EBITD与移动恒载、随机动荷载耦合作用下路面板的力学响应研究.Hiller等[2]采用影响线的方法，对不同EBITD下面板的临界荷位，最大疲劳损伤位置开展了研究.孙增华[54]分析了EBITD与温度场、车辆移动恒载、随机动荷载共同作用下对水泥混凝土路面的受力特性.研究发现，早龄期固化翘曲与服役环境场、面板结构形式、轴载条件等综合作用下，将使面板产生自上而下和自下而上的横缝、纵缝和板角裂缝.

文献[23]基于面板早龄期力学三维仿真程序FZU-JPESⅡ，联合面板服役阶段的温度场和荷载场，提出了疲劳损伤度和幂次换算的轴载比观察指标，开展了早龄期固化基准性状对面板服役性能的影响研究.基于早龄期-服役期两阶段力学联合分析，实现了早龄期固化基准性状(包括固化翘曲和残余应力)对服役性能影响研究的分析.

但是联合分析计算工作量大，对早龄期固化性状还需建立有效表征的中间参数系，对早龄期固化性状的理论影响机制还有待进一步揭示.

4.2.2 早龄期性状的影响效应

分析不同学者的研究发现，路面早龄期性状对面板服役性能影响效应主要有以下几方面.

1) 对面板疲劳和强度折减的影响.研究发现，早龄期固化性状主要会增大面板板顶疲劳损伤[23].特别是刚性地基相比软土地基支撑条件，早龄期固化性状对面板疲劳损伤影响更为显著.考虑固化翘曲的影响，孙增华等[54]研究显示沿板外侧边行驶位置对路面最不利，且不同的固化翘曲型式影响面板疲劳开裂路径.此外，早龄期固化的残余应力还会对面板强度进行折减，进一步影响路面板的服役性能.

2) 对脱空的影响.由于边界约束会出现翘曲不对称情况，进而引起板底脱空、改变面板应力和车辆荷载的作用行为.文献[54]分析了固化翘曲与服役阶段温度场共同作用对路面板底脱空的影响，发现过大的负有效固化温度差将使路面板在服役阶段始终出现板角脱空现象，凌晨阶段脱空最显著.夏季晴天早上和冬季夜间施工的路面在服役阶段更容易出现板底脱空.由于固化平均温度的影响，高温夏季铺筑的路面在低温冬季时更容易出现板底脱空.

3) 对临界荷位变化的影响.研究显示，固化翘曲、温度场与动荷载的共同作用对路面十分不利，且使临界荷位、路面板疲劳破坏位置和断裂模式变得十分复杂而不固定[2, 54].Hiller等[2]研究发现，早龄期固化翘曲与服役环境场、面板结构形式、轴载条件等综合作用下，将使面板产生自上而下和自下而上的横缝、纵缝和板角裂缝.王丽娟[23]对比不用月份和地区施工固化的早龄期性状对面板破坏形式的影响发现，相比降温月份施工，高温月份施工面板板顶累计损伤更大，存在板角“由上至下”潜在断板模式； 比较全国不同地区发现，拉萨地区的全年累计损伤度明显大于其它地区，损伤较大区域分布在距板角1～2 m的纵缝和横缝边.

4) 早龄期性状的影响存在敏感性工况.研究显示，水泥混凝土路面的寿命和破坏模式首先受到路基、线型条件和综合承载能力影响，在路基条件较刚、结构承载力较强条件下，早龄期固化性状的影响开始显现，诱发脱空，改变面板破坏模式.

早龄期性状的影响效应主要源于以下几个方面的原因.

1) 现场施工与路面的薄板结构特质.路面一般都是现场浇筑施工，极易受到环境的影响(如果养护28 d，就要经受28个日夜循环)，由于是薄板结构，环境场的影响将很容易贯穿整个面板深度.即使是影响深度较浅的干缩(一般在面板5 cm深度以内)，也会相对于20～30 cm厚的面板占到很大比例，再加上结构的薄板横截面，影响将进一步突出.

2) 素混凝土的脆性与面板受力对脱空敏感.路面一般为素混凝土板，由于混凝土的脆性特质和薄板横截面，路面板对于脱空十分敏感(0.2 mm的脱粘即意味着脱空)，因此早龄期形成固化变形或记忆的热物理反应参数分布，如对面板翘曲脱空有任何促进作用，则对路面的受力和抵抗断裂性能造成很大影响.

3) 车辆动荷载作用.路面是在车辆动荷载这种极不利环境下工作的，目前也是混凝土结构中寿命最短一类，早龄期性状和车辆动荷载的共同作用是路面早龄期影响的又一个特别地方.

当前，早龄期性状的结构、施工与材料的影响效应以及早龄期性状与车辆荷载共同作用效应的理论体系建设与数学定量化分析方法尚未展开和建立.

5 早龄期理论体系建设与应用

由于早龄期参数是环境、材料、施工、结构共同作用的结果，也是路面行为全寿命分析的基准起始参数，可以将早龄期参数作为纽带，实现环境场、结构设计、施工、材料影响的一体化考虑，将施工阶段与服役阶段连接在一起，实现早期-服役期两个阶段的联动影响的理论观察，进而形成早龄期理论的体系和框架, 如图5所示.

图5 早龄期水泥混凝土路面理论研究框架Fig.5 Theoretical research framework of early age cement concrete pavement

1) 结构设计提升.早龄期研究发现，结构型式以及约束构造会在早龄期阶段对面板的初始固化变形、初始应力、甚至初始损伤形成重要影响.然而以往结构设计遗漏了这一部分，在有了早龄期概念之后，结构设计就可以从早龄期-服役期双阶段共同作用、全过程分析角度考虑的结构组合和设计，设计的结构将更为合理，同时也将具备相比以往更精巧的协调和处理设计要素矛盾冲突的能力.

在此方面较为成功的分析案例有贫混凝土基层结构与双层板结构过早断板的分析解释与设计.从早龄期角度看，刚度很大的贫混凝土基层对于固化翘曲包容更为不利，容易引起过早断板[39].而在结合式双层板的结构中，考虑到双层板均存在早龄期固化翘曲，且由于旧板的刚度大，包容性差，更易出现层间脱空、过早开裂、断板现象.在以上结构中，推荐设沥青夹层或采用设沥青夹层双层板结构[55].

2) 施工质量的改善与提升.从早龄期性状产生的机制来看，只要是施工环境发生了变化，在混凝土板内就将形成不同的初始基准性状.研究表明混凝土板的早龄期性状特性与施工季节、施工时段关系密切[2-3], 即使是现场一天连续浇筑的面板也会有自己独特的“个性”、进而也会有不同的力学反应特点.如果对此估计不足，就会出现对路面质量和可靠度高估的情况.但从另外一个角度，即如果能根据早龄期理论进行事先分析评估，进而及时根据外部环境和材料变化提出调节和控制措施，对于进一步提升路面质量的稳定性、建造高质量的路面无疑具有重要价值.

已有研究发现，高温夏季铺筑的路面相比秋季将形成更大的早龄期初始固化翘曲，引起面板板底脱空，秋季施工更有利于路面性能改善[3].在双层板加铺结构的施工中，选择适宜的摊铺季节、摊铺时段、环境条件、混凝土初始温度等都能有效降低混凝土的早龄期温度，进而降低面板翘曲，从而提高加铺面板的使用寿命[55].

3) 材料的效能改善方面.材料在现场的应用效能研究对于新材料的应用和评价十分关键.特定的工程往往是一个系统，材料某一方面性质的增强往往会对工程结构牵一发而动全身，如果不能深刻理解材料在现场对结构性能的复杂影响，极易在实践中出现新材料应用顾此失彼、室内外使用效果存在巨大差距的情况.

以道路水泥材料要求为例，研究发现水泥组分中C3A为水泥混凝土早期水化热主要来源，混凝土早期水化热过大，将集聚较大早期内应力，引起混凝土面板收缩和损伤，造成早期开裂.因此，基于此方面理论认识，道面专用水泥规范对水泥熟料中的C3A进行了控制[56].早龄期系统分析理论可以填补材料-施工-结构之间的联系，实现早期和服役期的联动过程观察，这将为新材料性能配伍合理设计的理论指导，新材料在工程应用的理论预评估，起到重要的支持作用，进而加快新材料在路面实践中的应用和研发.

6 结语

早龄期性状是环境、材料、施工、结构共同作用的结果，也是路面行为全寿命分析的基准起始参数，将早龄期参数作为纽带，可以实现环境、材料、施工、结构影响的一体化考虑，将施工阶段与服役阶段连接在一起，可以实现早期-服役期两个阶段联动影响的理论观察.基于三维性状机制研究构造参数系、明晰多参数耦合关系，研究路面板早期-服役期性能的联动分析方法，对于拓展、推广早龄期的理论应用十分重要.

由于混凝土早龄期固化硬化行为和三维路面结构条件的作用，各早龄期性状是相互耦合、联动消减的，早龄期由于环境加载-徐变-三维结构-边界的联合作用，将产生很多的复杂机制和现象.实现微观、细观和宏观多尺度联合仿真与更准确的试验传感监测技术，对深入开展路面早龄期性状研究是一个重要途径.

早龄期性状的结构、施工与材料的影响效应以及早龄期性状与车辆荷载共同作用效应的理论体系建设与定量化研究，及其在路面结构设计提升、施工质量的改善提升、材料效能改善与新型材料设计等方面的应用仍需开展研究.

混凝土初凝之前的早龄期性状及其影响效应，与路面施工质量的控制保障和提升关系密切，同时影响路面板耐磨、平整度等服务性能和长期性能，也是未来需要深入研究的重要领域.