温-湿度耦合机制下混凝土道面板翘曲变形机理与抑制方法研究

Curling and warping deformations of concrete pavement which caused by fluctuating of ambient temperature and moisture are serious problems that puzzling the engineers. In this research, multi--scale constraints by using MgO expansion agent (MEA) and fibers are applied to demonstrating mechanism of controlling curling deformations. Firstly, temperature and moisture field of test section will be set as boundary conditions that may be used to build a finite element model, and then mechanism of curling deformation will be illustrated by modeling the curling stress. Secondly, Microscopic examination of new type concrete which modified by MEA and fibers will be analyzed by using SEM, mercury intrusion porosimeter(MIP) and TG/DSC, and then the relationship between micro-structures and physical characteristics of new type concrete will be established. Finally, mechanical properties, thermal properties and the volume stability performances of concrete specimens with different ratio of MEA and fibers under different curing conditions will be tested. The levels of strain rate and temperature at different positions in concrete specimens will be determined for different conditions of temperature. According to the above results and mechanism of curling deformation, using MEA together with fibers as multi--scale constraints, the control of curling deformation model for long life concrete pavements will be proposed based on the function of expansion and restriction. Research findings can be used to design durability cement concrete pavement.

由环境温度及湿度引起的道面混凝土翘曲变形一直是水泥混凝土路面结构中急需解决的科学问题。本项目通过分析道面混凝土翘曲变形特性，研究在新型MgO膨胀剂及纤维多因素约束机制下抑制混凝土道面板翘曲变形的作用机理。首先，采用试验段数据为边界条件耦合温度场及湿度场公式，建立翘曲应力计算模型，阐明道面混凝土内部翘曲应力发展规律，提出抑制道面板翘曲变形的物理参数；其次，通过SEM扫描电镜、MIP压汞分析及TG/DSC等微观分析方法，研究新型MgO膨胀剂与不同弹模的纤维对新型道面混凝土内部孔结构、水分消耗、放热、浆体内部气液相渗透性及热传导性的影响规律，阐明道面混凝土微观结构与其宏观物理特性的关系；最后，分析混凝土在多因素约束作用下的强度及应变发展规律，建立基于约束-温度-湿度下的混凝土自身体积变形模型，提出抑制混凝土道面板翘曲变形作用机理。研究成果为新型耐久性水泥混凝土路面设计提供理论依据。

本项目完成了道面混凝土内部温度场和湿度场耦合模型；根据试验段温度场及湿度场数据，对建立环境温度-湿度场模型进行对比分析，研究确定了满足道面混凝土设计要求的初始边界条件；根据环境温度-湿度场模型及初始边界条件，建立了道面混凝土翘曲应力计算模型；并提出了控制面板翘曲变形的相关性能参数指标。微观分析新型膨胀剂在不同龄期及养护条件下的水化程度及晶体生长规律，探讨温度及湿度变化对其膨胀性能的影响规律；研究道面混凝土在MgO膨胀剂及纤维作用下其干缩变形规律特性。探明新型膨胀剂水化进程及纤维对混凝土内部水分消耗、放热、宏观抗力、浆体内部气液相渗透性及热传导性的影响规律；通过分析混凝土不同龄期的内部孔结构分布及水分渗透性，揭示新型膨胀剂及纤维对混凝土湿度场及温度场分布的影响规律。本项目通过研究道面混凝土在不同膨胀剂掺量及纤维种类下的强度发展规律，建立新型混凝土强度发展与水化时间、养护温度及湿度的函数模型；研究混凝土在多因素作用条件下的体积变化规律。采用高低温干湿交替实验，研究道面混凝土在不同温度梯度及湿度梯度下内部应力场的变化规律。基于翘曲应力计算模型及新型混凝土强度发展模型，建立约束-温度-湿度条件下混凝土自身体积变形模型。通过分析道面混凝土在多尺寸约束作用下的变形规律，阐明了抑制大温差地区混凝土道面板翘曲变形作用机理。本项目首次提出采用新型氧化镁膨胀剂及连续配筋技术提高高海波地区特殊气候条件下的机场道面板体积稳定性能。本项目同时也首次提出采用Crank-Nicolson有限差分法对混凝土道面板一维方向的温度和湿度扩散进行分析，并通过建模将温度扩散系数K和湿度扩散系数D首次耦合至同一数值模型中，为揭示特殊气候条件下抑制道面混凝土翘曲变形机理提供重要的理论依据。本项目所取得的这两项成果可应用于我国“三北地区”及青藏高原地区特殊气候条件下的机场建设工程。