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

(1.济南金科骏耀房地产开发有限公司,山东 济南 250101; 2.济南鑫都置业有限公司,山东 济南 250101)

0 引言

随着我国公路网建设的逐步完善[1],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[2-3]。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[4-5]。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[6-7]。

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(FWD)[8-10]。FWD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[11]。因此,针对FWD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。

1 混凝土路面温度监测方案

1.1 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4～5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FWD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[12-14]。

用φ150取芯钻在距路缘1m处钻芯打孔,成孔直径15cm,深度20cm,分层埋置温度传感器探头(φ4×25/防水型/-55～125℃),埋深为4,8,12,16cm,并拌制与路面同强度等级的C40混凝土对钻孔进行回填,待28d后进行试验[15]。

1.2 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24h实时监测(测试时间为2022年5月4日),结果如图1,2所示。

图1 混凝土路面不同深度24h温度变化Fig.1 24 hours temperature change of concrete pavement at different depths

由图1可知,路面各层监测所得温度波动规律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6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15时地表温度升至最高后快速下降,于19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:

ΔT=(Tn-T0)/T0×100%

(1)

式中:ΔT为各埋深深度温差率;Tn为各埋深深度实测温度;T0为0cm处实测温度。

由图2可知,早上6时至下午15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9时起,地表温度升高趋势逐步高于各埋深温度,在下午15时左右达到温度梯度峰值,其中埋深16cm处,温度较地表低10.8℃,温差率为25.6%。

图2 混凝土路面不同埋深温度与地表温度梯度曲线Fig.2 Temperature gradient curve of different buried depth and surface temperature

2 FWD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(FWD)是当今国际上普遍应用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3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[16]。

2.1 FWD测试原理与试验方案

FWD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FWD的加载原理可知,FWD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FWD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[17-18]。

本次试验采用美国落锤式弯沉检测系统(见图3),该设备主要参数为:荷载范围7～120kN;弯沉传感器分辨率1gm;系统误差2%;弯沉传感器数量7～9个;荷载盘直径30cm。按照JTG 3450—2019《公路路基路面现场测试规程》进行试验。FWD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1μm),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3 落锤式弯沉仪Fig.3 Falling weight deflectometer

2.2 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3级,路面结构参数检测和接缝传荷能力3级荷载均为50kN,测定混凝土面板在不同荷载(50,60,70kN)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4所示。

图4 测试路面结构示意Fig.4 Diagram of the pavement structure

采用落锤式弯沉仪(FWD)将荷载施加在板中心位置,如图5所示。

图5 考虑温度变量的混凝土路面板主点弯沉试验方案Fig.5 Bending test scheme of main point in concrete pavement slab considering temperature variable

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[19-20]。故本文只考虑气温和太阳辐射对路面的影响。同时结合1.2节混凝土路面24h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15时为试验时间。

2.3 考虑温度变量的混凝土路面板主点弯沉试验结果

自2022年5月至6月期间,共进行测试6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6次试验进行数据分析,如表1所示。获得地表和地下4,8,12,16cm各层温度在不同荷载作用下的弯沉值响应曲线,如图6所示。

表1 不同荷载作用下弯沉值与各层温度数据Table 1 Bending value and temperature data of each layer under different loadings

图6 混凝土路面不同深度温度在荷载作用下弯沉值响应曲线Fig.6 Response curves of bending value of concrete pavement at different depths under loads

由图6可知,在50,60,70kN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:

D=aT+b

(2)

式中:D为中央弯沉值(μm);T为温度值(℃);a,b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7所示。

图7 不同荷载作用下地表温度与弯沉值拟合关系曲线Fig.7 Fitting curves between bending value and surface temperature under different loads

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2所示。

表2 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Table 2 Parameters of fitting curve between temperature and bending value of each layer of concrete slab under different loads

由相关系数R2可知,在50,60,70kN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16cm处至地表相关系数值越接近于1,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a,即斜率越大。

3 结语

1)通过混凝土路面温度试验和考虑温度变量的FWD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。

2)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6时至下午15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9时起,地表温度升高趋势逐步高于各埋深温度,在下午15时左右达到温度梯度峰值,其中埋深16cm处,温度较地表低10.8℃,温差率为25.6%。

3)考虑温度变量的混凝土路面板主点FWD弯沉试验结果表明,在对混凝土路面施加50,60,70kN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R2,自地下16cm处向上,越接近地表相关系数值越接近于1,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a,即斜率越大。