水泥混凝土路面板温度翘曲室内试验研究

论文摘要

水泥混凝土路面板沿厚度方向存在温度梯度时将会发生翘曲变形,即温度翘曲,如果水泥混凝土板不受任何约束作用,板发生温度翘曲变形后将不会产生任何应力,然而由于水泥混凝土板的翘曲变形将会受到不同约束的影响（板自重、基层、路肩以及相邻板块）,导致水泥混凝土路面板内产生温度翘曲应力,这部分应力是水泥混凝土路面设计时的重要部分。虽然,很多研究者对水泥混凝土路面的温度翘曲变形和应力进行了大量研究,但尚局限于理论计算分析,试验方面开展较少。因此,为了能够充分掌握水泥混凝土路面板的温度翘曲行为,本文将通过室内模拟试验,进行不同基层约束状况下水泥混凝土板的温度翘曲变形的对比分析。本文主要开展了如下工作:首先,完成了水泥混凝土基本力学参数的试验研究,主要包括抗压强度、抗折强度、抗压弹性模量以及热膨胀系数。对热膨胀系数的研究采用了美国AASHTO推荐的AASHTO TP 60试验方法,并开发了全套的试验设备,通过实测得到混凝土的热膨胀系数为10.64×10-6/℃。然后,通过斜剪试验以抗剪强度作为评价指标对不同基层与混凝土面层的接触状况进行了试验研究,得到水稳碎石基层试件的抗剪强度为4.20MPa,水稳砂砾基层试件的抗剪强度为3.12MPa,试验表明水稳碎石基层对混凝土面层的约束大于水稳砂砾基层对混凝土面层的约束。其次,浇注了3块水泥混凝土板,基层约束分别为水泥稳定碎石、水泥稳定砂砾和无基层约束,在环境控制箱内进行了板的温度翘曲变形试验研究,完成了不同约束状况下水泥混凝土板温度翘曲变形的试验对比分析。试验表明:无基层约束自由板的翘曲变形最大、水稳砂砾基层混凝土板的变形次之,而水稳碎石基层约束混凝土板的翘曲变形最小。这与斜剪试验中评价不同基层对混凝土路面变形约束的结果相符合。最后,为了与试验结果进行综合的比较分析,本文采用ANSYS软件对水泥混凝土板的翘曲变形进行了有限元模拟,对基层约束混凝土板和无约束自由板分别建立了完全连续模型和无限小约束模型。试验和有限元计算结果对比分析表明,水泥稳定砂砾基层板和无约束自由板的翘曲变形实测结果与计算结果具有较好的一致性,水泥稳定碎石基层板由于环境控制箱加热不均匀导致前期测量结果与实测结果偏差较大,当温度不均匀性降低后,计算结果与实测结果接近。有限元模型基本反映出了试验的具体情况,并由此计算出了温度梯度为75℃/m时,水稳碎石基层约束的混凝土板内温度应力为0.208MPa,水稳砂砾基层约束下混凝土板的温度应力为0.182MPa,进一步说明水稳碎石基层对混凝土变形的约束要比水稳砂砾基层大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 温度场以及翘曲变形研究
• 1.2.2 热膨胀系数研究
• 1.3 论文的主要研究内容
• 1.4 论文技术路线
• 第2章 总体试验方案及问题解决
• 2.1 混凝土板温度翘曲模拟试验
• 2.1.1 控温箱及数据采集系统
• 2.1.2 传感器布置
• 2.2 混凝土热膨胀系数试验
• 2.2.1 测量方法回顾
• 2.2.2 试验设备开发
• 2.2.3 支架温度修正
• 2.3 本章小结
• 第3章 混凝土配合比设计及基本参数试验
• 3.1 配合比设计
• 3.1.1 原材料
• 3.1.2 配合比设计
• 3.1.3 试验方法
• 3.1.4 试验结果
• 3.2 热膨胀系数试验
• 3.2.1 影响因素分析
• 3.2.2 试验过程
• 3.2.3 温度修正系数计算
• 3.2.4 混凝土热膨胀系数计算
• 3.3 基层对混凝土面层的约束评价
• 3.3.1 斜剪切试验原理
• 3.3.2 评价指标
• 3.3.3 试验过程及结果
• 3.4 本章小结
• 第4章 水泥混凝土板温度翘曲室内模拟试验
• 4.1 水泥混凝土板成型
• 4.1.1 水泥稳定基层成型
• 4.1.2 水泥混凝土面层成型
• 4.2 水泥混凝土板温度翘曲室内模拟试验
• 4.2.1 试验结果与分析
• 4.2.2 试验中遇到的问题及改进措施
• 4.3 本章小结
• 第5章 基于室内试验的有限元模拟
• 5.1 温度翘曲有限元模型的建立
• 5.1.1 温度翘曲有限元模型单元尺寸的划分
• 5.1.2 有限元计算参数的选取
• 5.1.3 有限元模型扩大基础的验证
• 5.2 基层约束水泥板温度翘曲模型及计算结果
• 5.3 自由板有限元模型及计算结果
• 5.4 不同约束混凝土板翘曲随温度梯度变化
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢