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原文传递基于零应力时刻的水泥混凝土路面板早期应变测量与分离方法

论文题名：	基于零应力时刻的水泥混凝土路面板早期应变测量与分离方法
关键词：	水泥混凝土路面;健康监测;应变测量;应力应变分量;零应力时刻
摘要：	在水泥混凝土路面健康监测技术领域，采用应变计测量应变，再结合混凝土模量计算应力是混凝土板服役状态评价的有效途径和常用方法。然而，常规应变测量方法存在应变采集初始时刻选取缺少理论依据、测得应变包含与结构应力无关分量等问题，导致混凝土应变、尤其是早龄期应变测定结果的可靠性显著下降，严重影响了路面板的应力计算精度及安全评价结果。因此，有必要提出水泥混凝土路面板早龄期应变的测量和分离方法。本文建立了水泥混凝土零应力时刻的预估方法，为应变采集初始时刻的选取提供了依据，提出了应力应变分量的分离方法，有效剥离了非应力应变分量，对提高应力计算精度及安全评价技术水平具有重要理论和实用价值。　　针对常规应变测量方法无法区分实测应变是否与结构应力有关的问题，设计了两种无应力筒，构建了三种应变测试环境，实现了非应力应变分量的直接测量，进而提出了应力应变分量的分离方法。结果表明：依据应变是否与应力有关，实测应变可分为应力应变分量和非应力应变分量两类，前者主要包括温度和干燥收缩受约束时产生的应变、徐变应变和荷载产生的应变等；混凝土无应力环境应具备该环境下混凝土可自由胀缩，且自由胀缩产生的应变与常规环境下的非应力应变分量一致两个基本条件；设计的三种应变测试环境可以分别实现应力应变分量+非应力应变分量、非应力应变分量+附加干缩应变、非应力应变分量的测试。　　通过室内缩尺试验，测定了天然和再生集料两类混凝土在三种应变测试环境中早期应变的时变特征，在归纳曲线走势和分析原因的基础上，总结了恒温恒湿条件下混凝土早期应变的时变规律。结果表明：混凝土早期应变总体呈现先上升、再下降、最后稳定的趋势，整个过程可分为加速上升段、凸曲线下降段、凹曲线下降段、趋于稳定段和稳定段等五个阶段；环境温度越高，正应变出现时间、达到极值的时间越早，且极值不断增大；此外，再生集料对混凝土早期膨胀和收缩均有一定抑制作用，且环境温度越高，抑制作用越显著。　　在一维热传导微分方程的基础上，编写了混凝土路面板早期温度场预估程序，经验证该程序较好的反映了路面板早期温度场变化规律。结果表明：混凝土温度场的变化主要依附于太阳辐射和大气温度；白天，混凝土板温度随太阳辐射强度增强而升高，板顶温度到达最高值的时间较大气温度最高值时间提早约2小时；夜间，板顶温度下降至极低值的时间较大气温度极低值时间迟约 0.5~1h；混凝土板顶温度受太阳辐射和大气温度影响最大，随着深度的增加，温度变化幅度逐渐减小，反映时间依次延长。　　针对常规方法采集混凝土应变时，初始时刻选取缺少理论依据的问题，建立了恒温恒湿条件下零应力时刻的预估方法，推导了一般环境、恒温恒湿两种条件下混凝土成熟度的直接和间接等效计算式，并基于日气温模型，提出了一般环境条件下的零应力时刻的间接预估方法。结果表明：基于日气温模型的间接预估方法具有计算简便、结果稳定性高等特点，可作为零应力时刻的首选预估方法，混凝土拌合物终凝时间可作为零应力时刻确定的替代方法。　　在零应力时刻、非应力应变等成果的基础上，提出了混凝土路面板早龄期结构应力的计算方法，依托G109路面改造工程铺筑了长约120m的试验路，通过数值模拟、试验路验证评估了新方法对混凝土板结构应力及开裂风险的影响。结果表明：总应变显著大于应力应变分量，仅温度荷载作用时，采用应力应变分量计算结构应力，误差可降低42%以上；面层铺筑后的13~24小时是混凝土路面早期开裂的风险高发期；从开裂风险控制的角度，混凝土铺筑时间宜选择在16时前和22时后，应避开20时左右。
作者：	张艳聪
专业：	道路与铁道工程
导师：	郝培文
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2022