[发明专利]一种考虑养生效应的水泥混凝土路面湿度场的建模方法

说明书

技术领域

本发明属于公路和城市道路水泥混凝土路面技术领域，涉及一种可用于公路和城市道路水泥混凝土路面设计的考虑养生效应的水泥混凝土路面湿度场的建模方法。

背景技术

在水泥混凝土路面结构分析理论和设计方法中，路面板的应力分析和计算是一项十分重要的基础性研究工作。

由于水泥混凝土路面承受交通荷载作用，荷载应力是路面板应力的主要组成部分。水泥混凝土路面板除承受荷载应力以外，由于其长期暴露在自然环境中，还承受由环境引起的翘曲应力。翘曲应力产生的机理是：当水泥混凝土路面板的上表面温度或者湿度低于(或高于)下表面的温度或者湿度，由于混凝土材料的热胀冷缩机理，水泥混凝土路面板会产生向上(或向下)的翘曲变形，在水泥混凝土路面板和基层的摩阻作用下，水泥混凝土路面板的变形受阻，进而会产生翘曲应力和变形。水泥混凝土路面板的翘曲会导致板与地基之间产生脱空。在车辆荷载作用下，水泥混凝土路面板中上表面(或下表面)处产生拉应力集中，最终可导致板的横向断裂，影响水泥混凝土路面板的使用性能、缩短路面结构寿命。在中国，这种翘曲导致的路面板断裂较为普遍，重载作用下，水泥混凝土路面板通常在修筑完毕的3年至5年后即产生断裂，而且断板率随时间呈直线上升趋势，相应的维修和重建造成严重交通堵塞和经济损失。因此，研究翘曲破坏及相应影响因素对准确设计水泥混凝土路面具有重要意义。

根据成因的不同，翘曲可分为由温度梯度引起的温度翘曲和由湿度梯度引起的湿度翘曲。一直以来，人们对混凝土路面板温度翘曲的研究较多而且认识较为统一，形成了系统、完整的温度场预估、翘曲变形和应力计算方法，并将其应用到了设计实际中。对于湿度翘曲，虽然研究人员已经意识到它对路面板的变形及应力有较大影响，但对水泥混凝土路面湿度梯度的形成机理的研究较少，主要原因是水泥混凝土路面板湿度的影响因素和边界条件较多，如路面周围环境的相对湿度、降雨、混凝土中的自由水、底基层或路基水分含量等。同时，湿度翘曲的发展是相对复杂的，因为混凝土收缩不仅取决于水泥混凝土路面板的相对湿度及其梯度，而且受混凝土的龄期的影响。这种混凝土变形的时间依赖特性需在翘曲应力的计算过程中加以考虑，因为相对湿度的变化速度比温度变化缓慢。目前，国外已经有一些水泥混凝土湿度分别的建模方法，但是这些方法均没有考虑公路和城市道路用水泥混凝土路面的特点，即没有考虑早期的养生效应。因此，国内外目前没有一套适合设计用的描述水泥混凝土路面结构水分迁移的数学模型，无法准确预测路面板的湿度场，进而无法计算路面板的湿度翘曲和相应应力。因此，目前国内外的水泥混凝土路面设计方法和分析理论中均不考虑湿度梯度的作用，从而完全忽略了湿度梯度对路面板变形和应力的影响。上述现状可能会导致对水泥混凝土路面内实际产生的翘曲及应力估计不足，使路面设计参数与实际服役情况不符。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中水泥混凝土路面应力分析不考虑湿度梯度的作用的不足，进而提出一种为公路和城市道路用水泥混凝土路面的准确设计提供参数的考虑养生效应的水泥混凝土路面湿度场的建模方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种考虑养生效应的水泥混凝土路面湿度场的建模方法，其特征在于：所述考虑养生效应的水泥混凝土路面湿度场的建模方法包括以下步骤：

1)利用Fick第二定律建立水分迁移的控制方程，所述水分迁移的控制方程的函数表达式为：