水泥路面板早期固化殘余應力產(chǎn)生機理及測量方法研究

水泥混凝土路面早期固化翹曲和殘余應力將導致水泥路面發(fā)生板頂-底開裂，但是在我國設計規(guī)范中并沒有考慮早期固化翹曲因素。本項目首先針對水泥混凝土早期收縮行為，借鑒國內(nèi)外相關(guān)研究成果，根據(jù)水泥混凝土毛細孔壓力收縮機理，建立了水泥混凝土內(nèi)部相對濕度變化和干縮變形的關(guān)系，開發(fā)了一種能夠測量水泥混凝土內(nèi)部相對濕度的試驗裝置，并通過室內(nèi)和試驗試驗驗證了該裝置的可行性及可靠性。然后，針對水泥路面早期固化翹曲機理，分不同時間澆筑了多個大尺寸梁式試件，埋設了溫濕度傳感、應變傳感等自澆筑開始為期15天的連續(xù)監(jiān)測，分析了環(huán)境溫度和濕度對其翹曲行為的影響機理，確定了早期翹曲計算方法和零應力溫度梯度的確定方法，并通過有限元模型分析了早期固化翹曲對服役期水泥路面板開裂行為的影響。最后，針對早期固化翹曲在水泥路面板表面形成的殘余應力問題，借鑒金屬工程中殘余應力測量方法-鉆孔法，本項目提出了鉆環(huán)法測量水泥路面板表面殘余應力的方法，建立了鉆環(huán)法的有限元計算模型，通過生死單元技術(shù)完成了鉆環(huán)前后水泥路面板表面應力釋放的數(shù)值模擬分析，并通過不同工況的數(shù)值模擬分析提出了鉆環(huán)法測量水泥路面表面殘余應力的合理參數(shù)，與美國機場道面研究中心完成的梁式結(jié)果對比檢驗了有限元模型的準確性，通過室內(nèi)小型尺寸水泥路面板的鉆環(huán)試驗檢驗了該方法的可行性。 本項目的研究成果解釋了水泥路面早期固化翹曲和殘余應力的產(chǎn)生機理，與水泥路面的板頂-底實際開裂狀況有著密切聯(lián)系，為將來水泥路面設計規(guī)范的完善提供了依據(jù)。 2100433B

水泥混凝土路面板早期收縮變形受到內(nèi)部骨料和外部邊界約束后將導致早期固化殘余應力和早期固化翹曲的發(fā)生，從而影響板的開裂行為。為此，本項目首先針對水泥混凝土早期收縮行為，開發(fā)能夠測量水泥混凝土內(nèi)部相對濕度的試驗裝置，并基于毛細孔液面平衡方程建立相對濕度和內(nèi)應力發(fā)展的細觀計算模型，分析水泥混凝土早期固化殘余應力產(chǎn)生機理；然后通過室內(nèi)大尺寸板試驗研究水泥路面板內(nèi)相對濕度變化規(guī)律和板早期固化翹曲行為，在此基礎(chǔ)上建立邊界約束和非線性相對濕度梯度下水泥路面板翹曲計算模型，分析早期固化殘余應力和翹曲對板開裂行為的影響；最后借鑒金屬工程中測量表面殘余應力的方法，采用鉆環(huán)法測量水泥混凝土板表面殘余應力，通過室內(nèi)試驗和鉆環(huán)過程的數(shù)值模擬完成不同工況下的對比分析，驗證測量方法的可行性。.本研究有助于解釋水泥混凝土早期固化殘余應力產(chǎn)生機理，提出并驗證鉆環(huán)測量方法的可行性，為水泥混凝土路面設計方法的完善提供依據(jù)。

復合材料固化殘余應力模型是描述復合材料殘余應力與固化溫度、時間及壓力之間關(guān)系的數(shù)學模型。

中文名稱

復合材料固化殘余應力模型

英文名稱

residual stress model of composite

定　　義

描述復合材料殘余應力與固化溫度、時間及壓力之間關(guān)系的數(shù)學模型。

應用學科

材料科學技術(shù)（一級學科），復合材料（二級學科），增強體（三級學科）

1.盲孔法殘余應力測量

它的原理是在平衡狀態(tài)下的原始應力場上鉆孔 ，以去除一部分具有應力的金屬，而使圓 孔附近部分金屬內(nèi)的應力得到松弛，鉆孔破壞了原來的應力平衡狀態(tài)而使應力重新分布，并呈現(xiàn)新 的應力平衡，從而使圓孔附近的金屬發(fā)生位移或應變，通過高靈敏度的應變儀，測量鉆孔后的應變 量，就可以計算原應力場的應力值。

殘余應力檢測儀主要采用盲孔法進行各種材料和結(jié)構(gòu)的殘余應力分析和研究，還可作為在靜力強度研究中測量結(jié)構(gòu)及材料任意點變形的應力分析儀器。如果配用相應的傳感器，也可以測量力、壓力、扭矩、位移和溫度等物理量。它以計算機為中央微處理機，采用高精度測量放大器、數(shù)據(jù)采集和處理器，測量中無需調(diào)零，可直接測出殘余應力值的大小及方向，實現(xiàn)了殘余應力測量的自動化。

2.磁測法殘余應力測量

磁測法殘余應力檢測法主要是通過磁測法來測定鐵磁材料在內(nèi)應力的作用下磁導率發(fā)生的變化確定殘余應力的大小和方向。眾所周知，鐵磁材料具有磁疇結(jié)構(gòu)，其磁化方向為易磁化軸向方向，同時具有磁致伸縮性效應，且磁致伸縮系數(shù)是各向異性的，在磁場作用下，應力產(chǎn)生磁各向異性。磁導率作為張量與應力張量相似。通過精密傳感器和高精度的測量電路，將磁導率變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，輸出電流（或電壓）值來反映應力值的變化，并通過裝有特定殘余應力計算機軟件的計算機計算，得出殘余應力的大小、方向和應力的變化趨勢。

3.X射線衍射法殘余應力測量

在各種無損測定殘余應力的方法之中，X射線衍射法被公認為最可靠和最實用的。它原理成熟，方法完善，經(jīng)歷了七十余年的進程，在國內(nèi)外廣泛應用于機械工程和材料科學，取得了卓著成果。

X-射線應力測定儀是一種簡化和實用化的X射線衍射裝置，因而它還有一項附加的功能──測定鋼中殘余奧氏體含量。由于它適用于各種實體工件，而且能夠針對同一點以不同的φ角、Ψ角進行測試,以探測織構(gòu)的影響，這項功能便具備了重要而獨特的用途。

鉆孔灌注樁存在因泥皮降低側(cè)阻與沉渣降低端阻及承載力離散等問題，故灌注樁后注漿技術(shù)應運而生。但目前對灌注樁注漿后帶來樁端持力層的加固作用、殘余應力等方面缺乏研究，同時對樁基的破壞方式與破壞機理缺乏系統(tǒng)研究。本課題采用室內(nèi)注漿模擬試驗、 現(xiàn)場注漿試驗、現(xiàn)場靜載試驗、鉆孔取芯觀測及理論建模研究相結(jié)合的方式，對樁端后注漿過程中漿液擴散、樁端加固作用、殘余應力及破壞機理進行系統(tǒng)研究。通過室內(nèi)試驗研究了注漿對土層物理力學參數(shù)的影響、砂土漿液的可注入性的影響因素以及漿液在不同土體中的壓濾、壓密和劈裂效應及其發(fā)展規(guī)律；通過現(xiàn)場試驗研究樁端后注漿殘余應力及變化規(guī)律、樁端后注漿殘余應力對樁基承載力的影響以及樁端后注漿破壞方式和破壞機理；在試驗的基礎(chǔ)上，建立了后注漿過程中滲透注漿、壓密注漿模型，水泥漿液壓濾模型以及樁端殘余應力模型等內(nèi)容。課題研究結(jié)果很好的解決了樁端后注漿過程中的關(guān)鍵難題，為后注漿的推廣應用提供了很好的基礎(chǔ)。 2100433B