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《水泥混凝土路面板水分迁移理论及应用》可供从事公路、城市道路和机场道面工程的科研、设计、施工和管理的相关人员参考使用。
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| 內容簡介： |
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《水泥混凝土路面板水分迁移理论及应用》针对目前国内外水泥混凝土路面设计理论体系缺失湿度翘曲和湿度应力分析的现状，从水泥混凝路面板水分迁移理论、湿度场表征模型及湿度应力计算展开研究。建立考虑养生效应的早龄期混凝土路面板和干湿循环下硬化后混凝土路面板的湿度场表征模型及其对应的数值和近似解析解法，并以室内试验数据进行模型验证；分析早龄期和硬化后水泥混凝土路面板在不同工况下的湿度分布规律，并对模型的参数进行敏感性分析；利用弯矩等效原理，推导得到均匀和非均匀无限混凝土板的等效温度梯度公式，构建水泥混凝土路面湿度应力分析的基本方法。
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| 目錄：
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目录
前言
第1章绪论1
1.1水泥混凝土路面概况1
1.1.1国外水泥混凝土路面1
1.1.2我国水泥混凝土路面4
1.2水泥混凝土路面设计理论发展回顾6
1.3研究背景和意义8
1.4研究现状9
1.4.1混凝土水分迁移模型10
1.4.2水分迁移模型求解方法12
1.4.3湿度对混凝土的力学影响12
1.4.4研究现状评述13
1.5研究内容与技术路线14
1.6小结15
第2章水泥混凝土路面板的水分迁移试验与机理分析17
2.1早龄期水泥混凝土路面板水分迁移试验17
2.1.1材料及试验过程17
2.1.2试验结果19
2.2硬化后水泥混凝土路面板水分迁移试验22
2.2.1材料及试验过程22
2.2.2试验结果24
2.3水泥混凝土路面板水分迁移机理26
2.4小结27
第3章水泥混凝土路面板的湿度场表征模型28
3.1早龄期水泥混凝土路面板的湿度场表征模型28
3.1.1水分迁移控制方程28
3.1.2自干燥模型29
3.1.3定解条件30
3.1.4模型的数值解法32
3.1.5参数标定33
3.1.6基于Adomian分解法的近似解析解34
3.1.7基于Boltzmann变换的近似解析解38
3.1.8模型的验证40
3.2硬化后水泥混凝土路面板的湿度场表征模型48
3.2.1湿润过程模型48
3.2.2干湿循环过程模型49
3.2.3定解条件49
3.2.4模型的求解49
3.2.5模型的验证50
3.3小结52
第4章不同工况下水泥混凝土路面板的湿度分布规律53
4.1早龄期混凝土板湿度分布规律53
4.1.1工况设定53
4.1.2评价指标54
4.1.3计算结果55
4.1.4参数敏感性分析59
4.2硬化后水泥混凝土板单向湿润过程湿度分布规律60
4.2.1单向湿润过程的分布规律60
4.2.2参数敏感性分析62
4.3硬化后水泥混凝土板双向湿润过程湿度分布规律63
4.3.1双向湿润过程的分布规律63
4.3.2参数敏感性分析65
4.4硬化后水泥混凝土板干湿循环过程湿度分布规律66
4.4.1干燥过程空气湿度的影响66
4.4.2干湿时间比的影响67
4.5小结68
第5章水泥混凝土板湿度翘曲应力计算理论69
5.1湿度及湿度梯度对混凝土板的影响69
5.2均匀无限板湿度应力计算理论70
5.2.1均匀板湿度残余应力70
5.2.2均匀板等效温度梯度72
5.3非均匀无限板湿度应力计算理论72
5.3.1非均匀板湿度残余应力72
5.3.2非均匀板等效温度梯度74
5.4湿膨胀系数74
5.5等效温度梯度算例75
5.5.1均匀板湿度应力及等效温度梯度75
5.5.2非均匀板湿度应力及等效温度梯度77
5.6小结79
第6章连续配筋混凝土路面湿度应力分析81
6.1CRCP81
6.2二维CRCP有限元模型及参数82
6.3基层特性的力学影响84
6.3.1对板顶应力的影响84
6.3.2对钢筋应力的影响85
6.3.3对裂缝宽度的影响86
6.4小结89
第7章结论与展望90
7.1结论90
7.2创新点92
7.3展望92
参考文献94
附录ACrank-Nicolson有限差分法MATLAB代码102
附录B遗传算法MATLAB代码104
附录C求解线性扩散方程的特征展开法109
附录DAdomian分解法求解非线性扩散方程MAPLE代码111
附录E不同工况下早龄期混凝土湿度场分布规律114
附录FCRCP湿度应力分析有限元脚本155
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| 內容試閱：
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第1章绪论
水泥混凝土路面作为一种高等级路面结构形式，具有使用寿命长、工程造价低、养护工作量小、能源消耗少、施工简便、对交通等级和环境适应性强等优点，早期在国内外得到广泛应用。然而，随着近年来国民经济和公路交通运输事业的大力发展，运输车辆中重型货运车辆的比例不断增加，汽车的总载重量和轴载重量不断提高，越来越大型化，且交通量逐年增加。传统水泥混凝土路面的诸多优势正逐渐减弱，难以满足现代交通运输的需求，导致水泥混凝土路面在高等级路面中所占的比例逐渐降低。从技术角度看，造成目前现状的原因主要是水泥混凝土路面设计与施工不当而引起的早期损坏和行车舒适性问题。
随着汽车工业的持续发展和公路交通运输需求的不断增长，面向现代交通特点的水泥混凝土路面势必重新呈现出巨大生机。同时，我们也应该看到沥青路面同样存在各种形式的早期损坏，而且近来石油价格的持续攀升使得沥青路面的造价远远超过水泥混凝土路面。因此，在修建沥青路面的同时，也应看到水泥混凝土路面的优势。加快水泥混凝土路面的发展和技术进步是我国公路建设的客观需求，也是促进我国能源发展、环境保护的战略举措。
1.1水泥混凝土路面概况
1.1.1国外水泥混凝土路面
水泥混凝土作为筑路材料用于铺筑路面最早出现在英国。1828年在伦敦郊外，英国用水泥混凝土铺筑了道路基层，1913年美国阿肯色州修筑了美国历史上第一条水泥路面，其尺寸为长24mi（1mi＝1.609344km）、宽9ft（1ft＝0.3048m）、厚5in（1in＝2.54cm），此后，威斯康星州和加利福尼亚州逐渐把水泥混凝土用于铺筑标准的面层。直到1914年第一次世界大战后，水泥混凝土路面才得到广泛应用。20世纪30～40年代，水泥混凝土路面由于高强、耐久、行车性能好等一系列优点，在欧美各国迅速发展。
第二次世界大战以后，全世界汽车工业迅猛发展，特别是货运车辆载重量和轴重迅速增加，在美国和欧洲普遍出现了大范围的水泥混凝土路面破损，主要表现为唧浆、沉陷和破碎。通过大量的调查和研究发现，在重车作用下，混凝土板下的土基或基础失稳是造成破坏的主要原因。于是各国对土基和基层做出了严格的要求。近年来，美国高速公路网中，水泥混凝土路面占49%左右；在欧洲，比利时是使用水泥混凝土路面最多的国家，目前有50%的高速公路是水泥混凝土路面；法国最近每年建成的高速公路约30%为水泥混凝土路面，连续配筋水泥混凝土路面已被广泛用于高速公路；德国是大量使用水泥混凝土路面最早的国家，1960年以前建成的高速公路几乎是混凝土路面；英国自1970年以来修建的主要干道中约有22%为水泥混凝土路面。
国外早期的混凝土路面的设计寿命基本为20～25年，进入20世纪90年代以来，美国和欧洲一些国家提出，对于交通量大和使用繁忙的城市走廊道路，按照长寿命道路的概念设计路面，即初始使用寿命大于40年。在美国，长寿命路面的使用已经被证明是一种降低寿命周期成本、降低用户出行延误的有效策略。有些国家提出按50～60年的寿命设计路面结构，不少国家构思修建钢筋混凝土（包括连续配筋路面在内）特强基层，50年不维修，必要时5～8年更换上面沥青混合料功能层，这样水泥混凝土路面在可持续发展战略地位中表现出独特的优势。
美国联邦公路局在2006～2007年开展了一项名为“长寿命水泥混凝土路面扫描”的项目，专家技术组考察了加拿大、德国、奥地利、比利时、荷兰、英国等国家的水泥路面技术和使用状况，包括设计原理、材料要求、施工方法和养护策略（包括冬季养护）。经过总结提炼，项目推荐了以下水泥路面修筑技术。
（1）双层摊铺技术。1891年，美国在贝尔方丹修筑了世界上第一条双层摊铺水泥混凝土路面（two-liftpavement），如今已超过100年，仍在使用。
此后，1976年，艾奥瓦州在复合式路面改造时，铺筑了一段双层摊铺水泥混凝土路面，下层采用回收集料拌和的混凝土，上层采用耐磨集料混凝土，这条路至今性能良好。1978年，佛罗里达州新建了一条双层摊铺水泥混凝土路面，下层采用低弯拉强度混凝土，上层采用高弯拉强度混凝土，该路至今仍在使用中，状况良好。1993年，密歇根州修筑了一条双层摊铺水泥混凝土路面，用以取代底特律市的一条干线高速公路，上层采用露石工艺，为行车提供耐磨、抗滑、低噪的行驶表面。
目前，双层摊铺水泥混凝土路面在加拿大、荷兰、奥地利、法国和德国等国家被大量采用，且美国联邦公路局在长寿命水泥路面专项调研报告中首先推荐采用双层摊铺技术。在我国，高等级公路普遍采用沥青路面，因此水泥混凝土高速公路较少，双层摊铺水泥混凝土路面尚未见公开报道。
（2）目录设计法。路面目录设计已成功地在欧洲使用多年。在美国，混凝土路面的设计传统上一直以单个项目为基础。这种方法曾在美国路面工程中使用好多年。然而，随着交通流量的增加、轴载的不同，单个项目的设计可能并不总是必需的。此外，随着材料的变化和新的发展，要求路面设计流程能灵活地考虑材料性能对路面结构的影响。这种需求已经体现在力学经验路面设计指南（MEPDG）中。
目录设计方法是一种用于选择初始路面结构的简单程序。调研的许多欧洲国家都经常使用目录设计法选择路面的厚度和其他一些路面的技术指标。使用设计目录的国家认识到，简单地采用内插或外延经验是不可靠的，往往导致过度的混凝土路面设计。目录中设计特点和厚度能反映当地的气候、材料和交通水平的长期经验，这些经验是经过专家团队分析验证的，专家小组采用实验室测试和实地观察来验证设计目录。这些设计目录大约每5年重新修订一次。
目录设计本身不是设计的程序，而是确定在路面分析中使用适当的路面设计特点的媒介。开发目录设计的最快的方式是简单地使用表现良好的标准设计。设计目录中的方案需要通过实验室和实地调查进行验证。
（3）低噪声露石表面功能设计。水泥混凝土路面产生的噪声水平在75～85dBA，高于沥青路面的平均水平（72～76dBA）。为改善路面的安全性和排水能力，对新鲜的混凝土面层进行拉毛处理，一定程度上能降低噪声，其噪声水平在73～79dBA。但考虑到安全等因素，逐渐被等间距刻槽所代替。等间距刻槽方法增加了交通噪声，一般噪声水平在76～85dBA。为降低噪声，美国PCA协会、AASHTO和比利时道路研究中心研究认为，从降噪角度出发，采用纵向刻槽有利于降低噪声，但纵向刻槽不利于雨水的排走，同时会影响摩托车等车辆的操纵性，所以为兼顾抗滑要求，推荐采用变间距横向刻槽，间距在15～30mm随机变化。另外间距随机变化的斜向刻槽可降低噪声。根据美国Kuemmel等2000年发表的“水泥混凝土路面噪声与表面构造”研究报告，相对于传统的横向刻槽路面，随机变间距横向刻槽的噪声降低1～3dBA，随机斜向刻槽降低4dBA，纵向刻槽降低4～7dBA。
随后裸露集料低噪水泥混凝土路面逐渐出现，最早的裸露集料混凝土路面是1970年在比利时修筑的，当时采用旋转的刷子直接在新混凝土表面工作，并用水冲走浮浆，实际上这种裸露集料法属于机械方法。在1971～1980年比利时共计7×105m2的路面使用这种方法。化学裸露集料方法最早于1976年在丹麦使用，并大面积在比利时推广使用。化学裸露集料方法需要高质量的缓凝剂，如柠檬酸或糖蜜，路面施工完毕后立即喷洒缓凝剂，为保水在混凝土表面覆盖养生薄膜，在随后的48～72h掀起薄膜，用旋转钢丝刷清除混凝土表面的砂浆。1991年PIARC表面功能委员会根据奥地利和挪威的试验路建议：为达到降噪的目的，裸露集料磨耗层的最大粒径为7～8mm，主要粒径为4～8mm。根据Monazewska和Kumar的实测裸露集料水泥混凝土路面的噪声水平在71～80dBA，采用小粒径裸露集料水泥混凝土路面的噪声水平在70～74.5dBA。根据奥地利的资料，相对于旧水泥混凝土路面，小粒径裸露集料水泥混凝土路面的最大降噪达7dBA。
1.1.2我国水泥混凝土路面
我国水泥混凝土路面起步较晚。至1970年，全国公路水泥混凝土路面的里程仅为200km，占高级和次高级路面总里程的0.87%；至1980年，混凝土路面的里程为1600km，约占高级和次高级路面总里程的1.01%。随着高等级公路的发展，至1990年，水泥混凝土路面总里程增加到11773km，占高级和次高级路面总里程的4.37%；至2000年，水泥混凝土路面总里程增加到111574km，占高级和次高级路面总里程的64.9%。
近年来，随着公路建设的大发展，公路总里程和公路密度迅猛增加。如图1.1所示，截至2013年年底，全国公路总里程达435.6万km，比上年末增加11.8万km；公路密度为45.4km100km2，提高1.24km100km2；公路养护里程达425.14万km，占公路总里程的97.6%，提高0.4%。全国等级公路里程达375.56万km，比上年末增加14.60万km，占公路总里程的86.2%，提高1.0%。其中，二级及以上公路里程达52.44万km，增加2.25万km，占公路总里程的12.0%，提高0.2个百分点。全国高速公路里程达10.44万km，比上年末增加0.82万km。其中，国家高速公路达7.08万km，增加0.28万km。全国高速公路车道里程达46.13万km，增加3.67万km。
图1.1全国公路总里程及公路密度
各类型路面里程分别为：有铺装路面246.53万km，其中沥青混凝土路面68.81万km，水泥混凝土路面177.72万km，各等级公路的里程和铺装情况详见表1.1，其构成比例如图1.2和图1.3所示。
表1.12013年年底我国公路里程情况统计（单位：km）
项目有铺装路面（高级）简易铺装路面（次高级）未铺装路面（中级、低级、无路面）总计合计沥青混凝土水泥混凝土
图1.22013年年底各路面铺装类型构成
图1.32013年年底各国家高速公路路面铺装类型构成
可以看出，虽然水泥混凝土路面占全部路面里程的40.8%，远高于沥青混凝土的比例（15.8%），但是在高等级公路路面中的比例比较小。究其原因，主要是早期水泥混凝土路面设计与施工不当，使其使用状况欠佳，使用寿命低于设计使用年限，尤其是一些重载交通干道，早期损坏严重，使得水泥混凝土路面不但没有体现出使用寿命长、养护费用低等优点，维修困难的弱点反而进一步突现，甚至造成一些地区限制水泥混凝土路面在干线公路中应用。而沥青路面凭借表面平整、无接缝、行车舒适、噪声低、施工期短、适于分期修建等优点得到广泛应用，占据了路面结构的主流形式。
但随着水泥混凝土路面设计、施工水平的发展和公路交通运输需求的不断增长，水泥混凝土路面势必凭借以下优势重新呈现出巨大生机：①水泥混凝土具有较高的抗压强度、抗弯拉强度以及较强的抗磨耗能力；②水泥混凝土路面具有良好的稳定性，高温稳定性、低温稳定性和水稳定性均良好；③水泥混凝土路面具有较好的耐久性，材料不易老化衰变，正确设计的路面有优良的耐疲劳性能，是长寿命路面的最佳选择；④承载能力高，非常适宜于重载交通，工矿道路、停车场、机场跑道均宜优先选用水泥混凝土路面。
1.2水泥混凝土路面设计理论发展回顾
水泥混凝土路面在车轮荷载作用下，作为承重结构，主要以它的板体抗弯曲强度与刚度保持着路面的正常工作状态。因此，长期以来水泥混凝土路面面板厚度设计一直以路面板的抗弯拉应力达到极限强度、路面板产生疲劳开裂作为设计的破坏标准。
最早的设计方法由Older和Goldbeck于1920年提出，他们假设路面板底部局部脱空，板体处于悬臂状态，利用材料力学的方法得到板体的最大弯拉应力，并以此作为板厚的设计依据。1925年，Westergaard采用了铁道工程设计中惯用的Winkler地基来假定刚性路面以下的地基支撑，用弹性力学中的薄板假定来描述刚性面板，并假定车轮对面板的作用比拟为一个面积相当的圆形均布垂直荷载，通过数学推导，得到三个不同荷载位置下，刚性面板在板中、板边、板角受荷时出现的最大弯拉应力。长期以来，威氏公式被广泛应用并证明基本与实际相符。但是Winkler地基假定未能充分估计到地基各个方向上的相互约束，计算结果略微偏高。当板角
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