水泥混凝土路面板早龄期力学行为数值模拟研究

【摘要】：水泥混凝土路面施工早龄期阶段力学行为十分复杂,不利的环境、结构、材料组合可能导致混凝土早期开裂。同时国内外最新研究表明,路面板早龄期固化初始性状会对其服役阶段力学行为和破坏模式产生显著影响。因此,对水泥混凝土路面早龄期行为开展深入研究对于改善路面性能十分重要。本文在前期水泥混凝土路面早龄期温度场数值模拟程序研究基础上,开展了单块路面板早龄期力学行为数值模拟和现场试验研究,具体如下：对比选择线弹性模型、热弹性模型以及固化徐变模型,采用增量法推导了路面板早龄期力学行为的应力应变增量形式,并结合虚功原理进一步得到有限元计算的弱解形式。采用Fortran软件编制相应的有限元程序,并结合ABAQUS软件进行了对比验证。本程序特点有可考虑面板内部温度实时变化、环境气象参数、底部边界约束条件、自重、龄期以及徐变等对路面板早龄期力学行为的影响。水泥混凝土路面早龄期力学行为早龄期性状和参数敏感性分析发现：随龄期增长板角竖向位移逐渐增长,板中位移变化幅度不显著,但板中在白天高温阶段会出现凸形翘曲板底脱空现象。板块主应力随着天气和龄期变化出现拉压循环的现象,呈增大趋势。热膨胀系数、受拉徐变参数、界面受拉劲度是影响路面板早龄期竖向位移绝对值的显著因素；受拉徐变参数是影响路面板早龄期板中主应力的显著因素,其次是弹性模量、热膨胀系数、压徐变参数、路面板结构尺寸和界面受拉劲度。不同施工季节面板早龄期性状研究表明：不同季节铺筑路面板存在显著的固化温度差别,本文典型工况下不同季节早7：00铺筑路面前4天最大翘曲位移依次为夏季(264.6μm)、春季(123.3μm)、秋季(29.13μm)、冬季(8.961μm)。板中最大主应力依次为夏季(0.36MPa)、春季(0.15MPa)、秋季(0.07MPa)、冬季(0.01MPa)。铺筑时刻对水泥混凝土路面早龄期力学行为有显著影响。现场试验研究发现,冬季施工面板面板各位置竖向位移值均很低,浇筑后24小时(终凝12小时)内的第一天各个位置基本都处于膨胀阶段,早期由于板内部温度高导致初期竖向膨胀位移比板角大。观察到与国外文献类似的面板早龄期应变与温度反向变化现象。数值模拟对比表明温度场模拟合理,应力趋势一致。理论分析和现场试验均表明,路面板早龄期行为除受到环境温度作用外,还受到凝固固化温度、水化反应、重力、徐变以及板块变形形状和内部应力应变协调的综合作用,性状表现与成熟的水泥混凝土路面有很大不同。