0.   引言

水泥混凝土路面施工期间现场的温度调节技术主要是用来预防早期路面温度应力超过混凝土强度而出现过早的开裂。Schindler等认为混凝土浇筑后的前24~72h早龄期温度对路面性能有显著的影响, 过高的温度将增大混凝土初期水化率、渗透性, 增大路面板温度应力, 引起路面板早期开裂, 降低路面使用阶段强度、耐久性等^[1-2]; Yi等研究也发现混凝土养护温度和龄期对混凝土后期强度的发展存在耦合影响^[3]; 另外, 美国交通研究中心近年来的研究成果证实, 混凝土路面早龄期温度发展和固化温度梯度会在路面板的生长初期形成残余应力和固化翘曲, 进而对路面板的临界荷位、平整度、脱空、断板等长期性能有显著影响^[4-5]; Asbahan等通过现场路面板温湿度、内部应变和路面板表面轮廓的监测, 发现路面板早龄期阶段形成的固化翘曲将使路面板板角向上翘曲, 可能存在潜在的路面板从上至下疲劳断裂风险^[6-7]; Wade等也认为路面板的固化翘曲与终凝时刻的路面板固化温度梯度显著相关^[8]。近年来国外也开始开展基于长期性能考虑的施工早龄期温度控制研究, Andersen等针对高温环境条件下施工的水泥混凝土路面提出了早龄期温度控制措施^[9]; Ye采用温度场数值模拟方法评估了早龄期施工养护工艺对路面板温度控制的有效性^[10]。

目前国外水泥混凝土路面温度控制还主要集中在早龄期温度应力控制方面, 仍未考虑对于路面早龄期终凝时刻对应的固化温度以及固化基础温度的施工控制。而国内专门针对水泥混凝土路面早龄期温度场特性与模拟程序的相关研究缺乏, 相关方面主要集中在大体积混凝土(大坝、桥梁承台) 等领域^[11-12]。由于国内水泥生产和路面施工相关规范与国外不同, 气候也有很大差异, 一般并不能直接照搬国外的温度场程序和研究结论。

鉴于以上, 本文综合国内外最新研究进展, 探讨了路面早龄期温度场的综合控制原则, 基于专门针对中国路面技术特点编制的水泥混凝土路面早龄期温度场数值模拟程序^[13], 研究了影响水泥混凝土路面早龄期温度场参数的敏感性和影响特性, 并评估了控制路面早龄期温度技术的有效性。

1.   早龄期温度场控制与计算

1.1   路面早龄期温度场性状特征

路面早龄期温度场受外部条件和材料参数影响, 如气温、太阳辐射、风速、混凝土配合比、水泥水化热、铺筑时间、养护方式等。铺筑后路面早龄期温度场受到水化和环境条件的相互耦合作用, 存在一个发展演变的过程, 早龄期温度场随环境变化呈周期性波动, 但由于水化热的作用, 水泥混凝土路面前24h或前36h温度场显著高于后期。

现场条件下混凝土水化期间, 混凝土温度发展是胶结材料水化热释放和结构与周围环境的热交换平衡的体现, 具体表现为受以下3方面影响。

(1) 混凝土水化热。众多因素影响着混凝土水化热, 而且各因素之间的相互作用非常复杂, 水泥组分、水泥细度、水泥用量、水灰比、矿物掺合料和化学外加剂的存在以及水化初始温度均影响着水化热。

(2) 环境影响。如大多数化学反应一样, 水泥的水化反应也受其当前的温度和湿度状态强烈影响。环境条件虽昼夜循环波动, 诸如环境气温、风速、相对湿度、太阳辐射、云量等参数值不断变化, 特别是对于路面板这种薄板结构, 环境影响尤为显著。

(3) 热交换。现场混凝土铺筑好后, 热量就会从混凝土传入环境或从环境传入混凝土, 热传递机理被认为是模拟短暂的热交换。

1.2   路面早龄期温度场控制

综合目前的研究成果, 早龄期路面板温度场需要多方面进行控制, 主要体现在早龄期温度应力控制、固化基础温度控制、凝固对应的固化温度控制和适宜的养生温度控制, 具体如下。

(1) 通过温度历程控制, 避免早期应力开裂。路面混凝土早期强度较低, 很容易由于过大的温度应力而开裂, 因此, 需对混凝土早龄期温度发展进行时程控制。

(2) 控制混凝土早龄期温度在适宜养生温度范围。实践表明, 混凝土温度不宜过高或过低, 混凝土早龄期温度过高或过低会影响混凝土的生长。在合适的低温下养护混凝土能得到较高的最终强度, 但强度发展初期速率较低。而施工期混凝土的高温会导致坍落度损失, 加快混凝土凝结, 特别是可能导致混凝土的后期耐久性下降。

(3) 控制终凝的固化基础温度和固化温度差。这2个参数的控制是基于近年来固化翘曲理论提出的^{[4, 6-7, 14]}, 该理论认为, 运营阶段路面板翘曲是由环境温度梯度引起的翘曲与早龄期形成的固化翘曲组成。固化翘曲是在早龄期由于路面板施工阶段凝固时形成的固化温度梯度、路面板浅部的不可逆干缩和徐变等多个早龄期性状综合作用形成的一种翘曲。固化翘曲会影响路面板变形、应力分布和路面不平整度, 甚至造成路面板脱空, 诱发复杂的破坏模式和过早的断裂^{[4, 14-15]}。

国外已经开始探索通过控制施工期间凝固时对应的固化温度梯度来降低固化翘曲, 以提高路面的耐久性^{[4, 6-7, 14]}。固化翘曲往往通过变形反演等效温度差反映, 因而未充分考虑路面板凝固时对应的沿板厚平均固化基础温度(一般取混凝土终凝时刻的板底温度) 的影响。然而事实上, 凝固时刻的固化基础温度不仅仅影响板的均匀伸缩和接缝传荷, 同时由于路面板与基层摩擦也会诱发一定量的翘曲, 因此, 有条件的情况下, 对混凝土固化基础温度进行有效控制也十分必要。

1.3   路面早龄期温度场计算程序

水泥混凝土路面板早龄期行为十分复杂, 影响因素众多。编制专用程序对现场施工路面板进行温度场仿真, 观察各因素对路面温度场的影响特性, 对于评估施工温度控制手段十分重要。

目前, 用于研究水泥混凝土路面温度场特性的分析软件主要分为商业软件和专业软件。商业软件一般为大型通用软件, 适用于大型复杂结构或各因素耦合分析, 但存在建模复杂、边界条件难确定且不能考虑水泥的水化反应等问题, 因此, 近年来美国、日本等发达国家结合本国情况先后开发了如HIP-ERPAV、DuCOM、Quaderl、HYMOSTRUC、4C-Temp & Stress、TMAC²等专用程序^{[2, 10]}。

国内目前对水泥混凝土路面早龄期性状研究关注较少, 早龄期温度场模拟程序缺乏。胡昌斌等针对中国路面技术和路面混凝土材料特点, 专门编制了水泥混凝土路面早龄期温度场数值模拟程序FZUJPET, 该温度场程序选取水泥水化放热、环境变化、热交换三方面的模型和参数, 采用有限差分法进行编制, 并通过现场足尺路面板早龄期与长期温度场监测试验、室内小板试验进行了调试验证^[13]。

2.   早龄期温度场参数敏感性分析

首先基于FZUJPET程序对各类影响参数进行敏感性分析。选择福建省典型夏季施工路面条件参数作为基准值(表 1), 对某一模型参数进行分析时, 保持其他参数不变。分别取板中距板顶4cm处温度代表总体路面板温度和板顶与板底温度差ΔT为观测对象。中国水泥组分和水化热介于美国ASTM C150水泥分类的Ⅰ型和Ⅱ型之间, 由于中国对水泥类型没有从组分方面分类, 且不同生产厂家或不同生产批次之间存在差异, 因此, 本文将针对ASTM的水泥类型进行影响分析。

表  1  主要变量

Table  1.  Main variables

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基于参数变量在取值范围内变化对路面前72h温度场改变量级的大小, 将路面早龄期温度场对参数变量的敏感性分为3个等级。

(1) 高等级。观测点温度或板顶板底温度差的最大变化值不小于7℃。

(2) 中等级。观测点温度或板顶板底温度差的最大变化值在3℃~7℃之间。

(3) 低等级。观测点温度或板顶板底温度差的最大变化值不大于3℃。

各参数敏感性级别汇总于表 2。表 3给出了各参数变量在取值范围内对路面板终凝时刻固化温度的影响情况(终凝时刻近似为路面板摊铺后6h), 固化温度差以板顶温度大于板底温度为正。从表 2、3可得如下结论。

表  2  各参数敏感性

Table  2.  Sensitivity of each parameter

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表  3  各参数对路面板固化温度影响

Table  3.  Effect of each parameter on built-in temperature of slab

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(1) 总体来看, 在各参数取值范围内, 对路面板前72h温度、板顶板底温度差、固化温度、固化基础温度影响均敏感的参数主要为现场环境参数和施工工艺参数, 其次是混凝土材料参数, 例如, 水灰比和水泥用量、路面辐射吸收率、水泥类型等, 最低的是环境湿度和路面板厚度。

(2) 针对路面板温度、板顶板底温度差、固化温度、固化基础温度其中一项特定的温度而言, 现场环境参数和施工工艺参数的影响敏感性次序并不相同。例如, 对路面板板顶板底温度差影响敏感量级高的参数依次为铺筑时刻、养护方式、风速, 而对路面板固化基础温度影响敏感量级高的参数依次为混凝土摊铺温度、铺筑时间、风速、水灰比和水泥用量、环境温度, 对固化温度差影响敏感量级高的参数依次为铺筑时刻、风速、养护方式, 特别值得关注的是, 混凝土摊铺温度、水灰比和水泥用量对于固化基础温度影响显著, 然而这3个参数对路面板的总体温度和历程影响则不显著。

3.   早龄期温度场参数影响特性分析

本文针对上述表现敏感的参数进行前72h路面温度场影响特性分析。

3.1   环境参数

敏感性分析表明影响路面板早龄期温度场的环境参数主要包括环境温度、太阳辐射(q)、风速(v)。图 1~6给出了上述环境参数对水泥混凝土路面早龄期温度场发展的影响, 结论如下。图 1中T_max、T_min分别为环境温度的日最高温与最低温。

图  1  环境温度对路面板早龄期温度的影响

Figure  1.  Effect of ambient temperature on slab early-age temperature

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图  2  环境温度对板顶板底温度差的影响

Figure  2.  Effect of ambient temperature on slab temperature difference

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图  3  太阳辐射对路面板早龄期温度的影响

Figure  3.  Effect of solar radiation on slab early-age temperature

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图  4  太阳辐射对板顶板底温度差的影响

Figure  4.  Effect of solar radiation on slab temperature difference

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图  5  风速对路面板早龄期温度的影响

Figure  5.  Effect of wind speed on slab early-age temperature

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图  6  风速对板顶板底温度差的影响

Figure  6.  Effect of wind speed on slab temperature difference

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(1) 环境温度影响路面板早龄期整体温度, 对板顶板底温度差影响很小。从图 1、2可以看出, 其他参数不变时, 环境温度整体改变了路面板温度, 最大变化9.7℃, 而板顶板底温度差基本不受其影响。

(2) 太阳辐射强度增大, 路面板早龄期温度每天波动幅值随之增大, 板顶板底正负温度差也随之增大, 且在白天增大明显。由图 3、4可以看出, 太阳辐射强度越大, 路面板温度越高, 特别是白天阶段, 板顶的温度受太阳辐射增强而迅速增高, 最大变化9.5℃, 随着热量的传递, 板底温度随之提高, 但提高幅度小于板顶。到夜间, 由于白天太阳辐射的增加, 路面板温度也有小幅提高。板顶板底温度差也随着太阳辐射的增强而变大, 白天变化较明显, 最大变化6.1℃。

(3) 风速越大, 水分蒸发速率越快, 路面板早龄期的温度越低, 板顶板底温差也随之减小, 并且白天时板的温差下降非常明显。图 5、6给出了风速对早龄期温度预估结果的影响, 在湿养护条件下, 随着风速的增大, 路面水分蒸发速率增大, 水分蒸发潜热也增大, 路面板被带走的热量也越多, 随即路面板温度下降, 最大变化16.1℃。由于预估温度时忽略了夜间的水分蒸发散热, 所以随风速增大, 板顶板底温度差在白天时明显下降, 而到夜间时随风速变化不大。

3.2   铺筑时间

约定新拌混凝土初始温度均为25℃。图 7~9给出了不同时间施工路面的早龄期温度场的变化。

图  7  铺筑时间对路面板温度场的影响

Figure  7.  Effect of paving time on slab temperature field

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图  8  不同铺筑时间路面板温度的发展

Figure  8.  Slab temperature developments at different paving times

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图  9  铺筑时间对板顶板底温度差的影响

Figure  9.  Effect of paving time on slab temperature difference

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研究发现, 铺筑时间对路面早龄期温度场的影响非常明显, 特别是前24h, 影响随着龄期的增长逐渐减弱。

从图 7、8可以看出, 上午7:00施工路面的温度迅速增长且峰值最大, 这是由于水化热和太阳辐射基本在同一时间达到最大值。19:00施工的路面, 由于基本没有太阳辐射, 板内温度的增高只是由于水化热造成的, 所以温度增长缓慢, 且最高温度小于上午7:00施工路面的最高温度。13:00施工路面的温度迅速增长, 但由于太阳辐射逐渐减弱, 其峰值远小于上午7:00施工路面温度峰值。凌晨1:00施工路面的温度先稍微降低, 然后随着水化热、气温和太阳辐射的增高而增高, 其峰值小于上午7:00施工路面的温度峰值。

从图 9可以看出, 施工时间对早龄期板的温度梯度影响也很明显, 随着龄期的增长影响消失。白天施工路面在接下来的几个小时内, 温度梯度为正温度梯度, 即板顶温度大于板底温度, 而夜间施工路面的温度梯度最初几个小时内为负温度梯度。

综合来看, 铺筑时间的影响主要是水化放热与环境场变化之间的节奏。如当水泥水化放热速率与气温和辐射同时增大, 且在相同时间达到峰值时, 出现“共振”现象, 此时路面温度将达到最高值。

3.3   养护方式

目前国内水泥混凝土路面铺筑完成后一般采用覆盖保湿膜、土工毡、土工布、麻袋等洒水湿养护方式。养护方式对路面热量的影响主要有2种方式: 水分蒸发散热, 混凝土热量散失的快慢、多少由表面水分蒸发速率和水分蒸发潜热确定; 太阳辐射吸收率的改变, 覆盖物的颜色和材料影响了路面太阳辐射吸收率。根据不同养护方式和养护材料的特点, 图 10~12给出了不同蒸发速率、养护方式下路面板早龄期温度场的发展。

图  10  蒸发速率对路面板早龄期温度的影响

Figure  10.  Effect of water evaporation rate on slab early-age temperature

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图  11  不同养护方式下路面板早龄期温度的发展

Figure  11.  Developments of slab early-age temperatures under different curing methods

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图  12  蒸发速率对板顶板底温度差的影响

Figure  12.  Effect of water evaporation rate on slab temperature difference

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研究发现, 养护条件对路面板早龄期温度场有显著影响。水分蒸发速率越快, 路面散射热量越多, 路面的温度越低, 停止养护后, 路面温度升高。

从图 10可以看出, 水分蒸发速率越快, 路面板温度越低, 最大变化13.3℃。从图 11可以看出, 覆盖黑色土工布的路面板早龄期温度比覆盖白色土工布的路面板早龄期温度高, 这主要是由于黑色土工布吸收太阳辐射较多, 导致路面温度升高。在停止养护后, 路面的温度场快速逼近无养护路的温度场。采用养护剂和覆盖薄膜的路面板早龄期温度最高, 因为覆盖薄膜隔离了水分的蒸发, 路面热量不能通过水分蒸发的形式散失。

从图 12可以看出, 水分蒸发散热使板顶板底温度差变大, 主要是由于水分蒸发散热使板顶温度降低明显, 造成白天板顶板底温度差由于蒸发速率增加而明显降低, 而夜间温度受养护条件影响较小。

3.4   新拌混凝土初始温度

水泥混凝土路面施工现场的原料一般堆置于太阳直射下, 拌和前原料已具有很高温度。而新拌混凝土的初始温度是原料配合比、原料拌和前温度等因素的函数。拌和前原料温度过高意味着混凝土在水泥水化放热之前具有很高的起始温度, 这将影响路面早龄期温度场的发展, 图 13、14分别给出了新拌混凝土初始温度对路面板早龄期温度场的影响。

图  13  混凝土初始温度对路面板早龄期温度的影响

Figure  13.  Effect of concrete initial temperature on slab early-age temperature

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图  14  混凝土初始温度对板顶板底温度差的影响

Figure  14.  Effect of concrete initial temperature on slab temperature difference

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研究发现, 新拌混凝土的初始温度对路面板前24h温度场有较明显的影响, 随着混凝土龄期的增长, 影响越来越小。从图 13可以看出, 混凝土初始温度越高, 路面板在铺筑后前24h的温度越高。从图 14可以看出, 在前24h内板顶板底正温差减小, 负温差变大, 在24h后板顶板底温度差基本不受其影响。

3.5   水泥类型及水灰比

水泥水化放热是路面早龄期温度场的一个重要发展动力, 影响水分放热的主要参数是水泥组成、水灰比和水泥用量。本文针对ASTM的水泥类型进行影响分析。依据中国水泥混凝土路面情况, 水灰比采用0.38。图 15~18分别给出了水泥类型和水灰比(p) 对路面板早龄期温度场的影响。

图  15  水泥类型对路面板早龄期温度的影响

Figure  15.  Effect of cement type on slab early-age temperature

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图  16  水泥类型对板顶板底温度差的影响

Figure  16.  Effect of cement type on slab temperature difference

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研究发现, 水泥类型、水灰比和水泥用量在水泥水化初期阶段(约前24h) 对路面板温度场影响较大, 随着龄期的增长影响减弱。

图  17  水灰比对路面板早龄期温度的影响

Figure  17.  Effect of water cement ratio on slab early-age temperature

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图  18  水灰比对板顶板底温度差的影响

Figure  18.  Effect of water cement ratio on slab temperature difference

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由图 15可以看出, 采用Ⅲ型水泥的路面板在前24h内的温度最高, 而Ⅳ型水泥的路面板温度最低。由图 16可以看出, Ⅳ型水泥的路面板顶板底正温差最大, 而Ⅲ型的最小, 负温差方面, Ⅳ型最小, Ⅲ型最大。因为Ⅲ型细度最大, 水化放热速率最大, 且水化热又很大, 导致Ⅲ型水泥的路面板温度升温最快、温度最高, 温差最小, 而Ⅳ型水泥中C₃S含量最小, 细度又低, 水化热最低, 导致Ⅳ型水泥的路面温度升高最慢, 温度最低, 温差最大。从图 17、18可以看出, 水灰比越大, 水化热越多, 路面板温度越高, 路面板白天的正温差越小, 夜间的负温差越大。

4.   早龄期温度场控制技术

4.1   施工条件和材料对早龄期温度场的影响分析

(1) 环境条件对水泥混凝土路面早龄期温度有非常显著的影响。炎热夏季施工的路面早龄期温度最高可接近70℃, 最低也在40℃左右。而寒冷冬季施工的路面早龄期温度平均在10℃左右, 这说明不同季节施工的路面混凝土的生长环境有很大不同, 因此, 选择季节可以显著调节路面板温度。

(2) 铺筑时间段也是影响路面温度场特征的一个关键参数, 其影响主要体现在水泥水化放热速率与环境温度和太阳辐射的变化规律耦合作用上。

从敏感性分析结果(图 7~9) 可以看出, 不同铺筑时间显著影响路面前24h的温度场。高温夏季早晨铺筑的路面, 其受到水泥水化放热的影响, 水化放热速率与太阳辐射强度同时达到峰值, 使得路面有可能达到服役阶段的最高温度。中午施工路面的水化放热速率增大, 而环境温度和太阳辐射呈减小趋势, 水化放热与环境条件影响相互抵消, 致使路面前24h的温度不高, 因此, 选择铺筑时段可以显著调节路面板温度。同时对于炎热夏季施工路面, 应尽量避免早晨施工时段导致的混凝土水化热与中午天气出现的叠加升温效应。

(3) 从影响特性分析结果(图 11) 可以看出, 养护也可以显著调节路面板温度, 不同养护方式下路面温度的高低次序为养生剂或薄膜养护、无养护、黑色土工布洒水养护、白色土工布洒水养护。可以看出, 高温夏季施工, 洒水养护对路面早龄期温度场来说是有利的, 而低温冬季施工时覆盖薄膜或养生剂养护对路面早龄期保温性有利。

(4) 分析表明, 新拌混凝土初始温度会影响路面前24h的温度场, 特别是影响固化基础温度。炎热夏季或寒冷冬季铺筑的路面可通过调节新拌混凝土的初始温度来控制路面早龄期温度场。

(5) 相比环境和施工因素, 材料参数对路面早龄期温度影响显著性稍弱, 但仍有一定的调节作用。对于夏季施工路面应选择低水化热的水泥, 而冬季施工路面可选择高水化热的水泥。在不影响力学性能的前提下, 夏季铺筑路面的颜色尽量控制为灰白色, 而冬季路面可为深灰色。夏季路面应选用低水泥用量、低水灰比的混凝土, 冬季与之相反。添加粉煤灰用来替代水泥, 可以降低水泥水化放热, 延缓水泥水化反应。

4.2   早龄期温度场控制技术有效性评估

从上面分析可以看到, 在各参数取值范围内, 对路面板前72h温度、板顶板底温度差、固化温度、基础固化温度影响均敏感的参数主要为现场环境参数和施工工艺参数, 其次是混凝土材料参数, 因此, 在施工现场对路面板早龄期温度进行控制的技术措施应该主要围绕环境、施工工艺和材料设计的改变方面。较为经济的措施是选择适宜的铺筑季节和铺筑时段, 采用恰当的养护方式和养护材料, 调节混凝土摊铺温度和路面辐射吸收率。

本文对以上措施的有效性进行了计算评估, 见表 4、5。计算工况条件同第2节, 表中结果可为实际工程应用提供一定参考。

表  4  降低路面板早龄期温度的措施和效果

Table  4.  Countermeasures reducing slab early-age temperature and effects

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表  5  降低板顶板底温度差的措施和效果

Table  5.  Countermeasures reducing slab temperature difference and effects

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值得注意的是, 由于水泥混凝土路面板复杂的早龄期温度场特性, 对路面板温度场历程、固化基础温度及固化温度差的控制会存在相互冲突, 例如, 降低新拌混凝土的初始温度虽然可以降低路面板前24h的温度, 但也将提高路面的温度梯度, 水泥用量和水灰比越大, 路面板温度越高, 路面板白天的正温差越小, 夜间的负温差愈大。从目前国外的最新发展来看, 基于施工仿真程序对相关措施进行精细化的综合平衡、联合控制是未来趋势。

5.   结语

(1) 路面早龄期温度场受外部条件和材料参数影响, 如气温、太阳辐射、风速、混凝土配合比、水泥水化热、铺筑时间、养护方式等。铺筑后路面早龄期温度场受到水化和环境条件的耦合作用, 存在一个发展演变的过程, 早龄期温度场随环境变化呈周期性波动, 但由于水化热的作用, 水泥混凝土路面前24h或前36h温度场显著高于后期。

(2) 参数敏感性分析表明, 在各参数取值范围内, 对路面板前72h温度、板顶板底温度差、固化温度、固化基础温度影响均敏感的参数主要为现场环境参数和施工工艺参数, 其次是混凝土材料参数, 例如水灰比和水泥用量、路面辐射吸收率、水泥类型等, 最低的是环境湿度和路面板厚度。混凝土摊铺温度、水灰比和水泥用量对固化基础温度影响显著。

(3) 依据典型夏季施工路面条件参数作为基准值进行计算, 结果表明, 在施工现场对路面板早龄期温度进行控制的技术措施应该主要围绕环境、施工工艺和材料设计的改变方面, 而较为经济的措施是选择适宜的铺筑季节和铺筑时段, 可使相同龄期下路面温差改变达20℃左右, 采用恰当的养护方式和养护材料可降低路面板温度12℃以上, 最后是调节新拌混凝土摊铺温度和降低路面辐射吸收率, 可降低正温差6℃左右。

(4) 由于水泥混凝土路面板复杂的早龄期温度场特性, 对路面板温度场历程、固化基础温度及固化温度差的控制会存在相互冲突, 必要时需结合现场路面板早龄期温度仿真程序对相关措施进行精细化的综合平衡与联合控制。