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湿度和温度对路面的影响以及应对措施

发表时间：2021/5/10 来源：《基层建设》2021年第1期作者：陈成

[导读] 摘要：路基和路面材料的强度和刚度随湿度和温度的变化而变化。

        重庆交通大学重庆 400074
        摘要：路基和路面材料的强度和刚度随湿度和温度的变化而变化。路基和路面材料的体积也随着路基和路面结构中湿度和温度的上升和下降而膨胀和收缩。当这种膨胀和收缩受到约束时，它将产生湿度应力和温度应力，然后对道路结构产生破坏性影响。本文主要从湿度和温度两个方面分析了自然环境对路面路基的影响，并提出了相应的应对措施。
        关键词：路面；湿度；温度；影响；措施
        The Influence of Humidity and Temperature on the Pavement and the Countermeasures
        CHEN Cheng
        Chongqing Jiaotong University Chongqing 400074 China
        Abstract: The strength and rigidity of subgrade and pavement materials change with the change of temperature and humidity. The volume of subgrade and pavement materials also expands and contracts with the rise and fall of temperature and humidity in the subgrade and pavement structure. When this expansion and contraction are constrained, it will generate temperature stress and humidity stress, and then have a destructive effect on the road structure. This paper mainly analyzes the influence of natural environment on pavement subgrade from two aspects of temperature and humidity, and puts forward corresponding solutions.
        Key words: Pavemen; Humidity ;Temperature; Influence ; Measures
        0 引言
        路基路面结构直接暴露在大气中。除了直接承受车轮载荷外，还直接受到水、温度、空气和阳光等自然因素的影响。它们既有利于促进路面的成型和稳定，也有不利于的一方面，比如促进路面的软化、破坏和影响施工。实践证明，许多自然因素，特别是湿度和温度引起的损伤比施加车轮荷载引起的损伤更为严重。
        路基土和路面材料的刚度和强度有时随路面结构的温度和湿度变化很大。它们的体积随着路基路面结构内部温度和湿度的升降而引起膨胀和收缩。同时，它们的几何和物理性质随温度和湿度的变化将使路基和路基结构的设计复杂化。如果在设计和施工中考虑温度和湿度，那么路基路面结构在车轮荷载和自然因素的共同作用下，将延长损坏的时间，提高路面的使用寿命。
        1 湿度对路面的影响及相应措施
        1.1 湿度不断变化的主要因素
        第一，大气降水和蒸发，降水浸润透水性路面，渗透湿润路基，或沿路面裂缝渗入路基。蒸发使水分从路基中逸出，使路基干燥。
        第二，地表水，当地势较低，排水不畅时，路面附近积聚的地表水通过渗漏和毛细湿润进入路基。
        第三，地下水，在一定深度通过毛细湿润和渗透进入路基。
        ⑷温度，当路基深度有较大的温度梯度时，土壤中水分的温差会在液态或气态下由热变冷，并在此处积聚（或凝结）。
        1.2 湿度变化对路面的影响
        湿度变化是影响路面结构强度、刚度和稳定性的重要因素之一。路面水的影响与自然条件、季节、降雨量、气温、道路区域蒸发条件和道路本身的排水能力有关。
        地基中毛细水的上升高度取决于路基的土质和地基的压实程度，路面渗漏与路面面层类型及路面纵横向坡度有关，地下水位高度和地面滞水也是影响路面湿度的重要因素。显然，地下水位越高，地面积水越多，路面越潮湿。相反，路面是干燥的。为了保证路面处于干燥状态，首先，地基不能太湿。
        在路面结构中，基层和垫层材料在最佳含水量下压实，以获得最大密度，并具有较高的机械强度。当含水量过大时，材料过湿，强度大大降低，变形也增大。但是，如果含水量太小，材料颗粒会因水膜附着力不足而松动；由于缺乏润滑，压实度不高，也不会有较高的机械强度。在水的作用下，沥青面层与沥青的粘附性降低了沥青与石料的粘附性，使石料与沥青剥离，造成路面松散、凹坑等病害。水对水泥混凝土路面的影响不大，但对土基、基层的影响和柔性路面的土基、基层都有同样的影响。
        1.3 解决湿度影响的措施
        （1）选择合适的路基用土填筑路基并压实，必要时稳定路基表层。
        （2）对路基进行适当的改良，防止水从路基侧面渗漏或从地下水位上升进入路基工作范围。
        （3）适当的排水设计（包括地面排水、地下排水、路面结构和地基的特殊排水）。
        （4）必要时设置隔离层，防止毛细水上升，设置温度隔离层，减少路基冻结深度和水分积聚，设置砂垫层排水路基。
        上述技术措施的目的是限制水分渗入路基，或快速去除水下路基的水分，保持其干燥，提高路基的整体强度和稳定性，为路面提供理想的地基条件。
        2 温度对水泥混凝土路面的影响及相应措施
        水泥混凝土面层是指一定厚度的水泥混凝土板，具有热胀冷缩性质。由于四季温差和昼夜温差的变化，以及水泥混凝土内部的水化反应，如果应力超过允许范围，会对混凝土面层产生温度应力，表层会开裂或挤碎，影响路面质量。
        由于水泥混凝土路面为素混凝土路面，一般不设钢筋（只设连接钢筋），因此无论温度应力还是行车荷载应力都必须由混凝土本身承担，混凝土的抗拉强度仅为1/10左右，脆性较大，因此在一般设计中要求没有或只有很小的拉伸应力。然而，在施工过程中，混凝土在运行过程中由最高温度冷却到稳定温度，这往往会在水泥混凝土内部产生相当大的拉应力，甚至可能超过其他外部荷载引起的应力。这里讨论了由内外因素引起的温度应力。针对影响路面质量的因素，提出了相应的措施，并进行合理的结构设计和施工，来保证了路面质量
        2.1 温度应力产生的原因之一:内部水化反应
        2.1.1产生原因
        在混凝土硬化过程中，水泥释放出大量的水化热，内部温度不断升高，在表面产生拉应力。在冷却后期，由于基层或相邻混凝土的约束，混凝土内部会出现拉应力。当这些拉应力超过混凝土的抗拉强度时，就会产生裂缝。许多混凝土的内部温度变化很小或很慢，但表面温度可能变化很大或急剧变化。混凝土内部约束着混凝土表面的收缩和变形，往往导致混凝土产生裂缝。
        混凝土中的水泥在水化过程中不断放热，其放热速率随时间变化：第一放热峰出现在水泥加水后的瞬间；第二放热峰出现在凝结期，即水泥浆失去塑性开始凝结的时间；第三个放热高峰是终凝后的硬化期。了解混凝土内部的放热反应，有助于我们抓住时机，采取适当措施，减轻水化反应对路面质量的负面影响，进行合理的结构设计，减少裂缝的发生。
        水化反应引起的应力可分为自生应力和约束应力。自生应力是混凝土内部温度非线性变化引起的结构本身。结构本身限制了温度应力的发生。温度较低，内部减速慢，温度较高，表面产生拉应力，内部也会产生压应力。
        约束应力是指混凝土面板底部受基层摩擦和粘结约束，或侧面受模板和旧混凝土约束，不能自由变形和弯曲的应力。
        2.1.2解决受温度影响的措施
        根据内部水化反应产生的不同应力，即自生应力和约束应力，可以从控制温度和改善约束条件两方面采取措施加以克服。
        1）控制温度
        ①使用放热量低的以及体积收缩性小的水泥。
        ②在夏季高温时，可以参加一些外加剂来减弱混凝土不利的影响，比如缓凝剂、减水剂等。
        ③高温下，对混合料的原材料应采取以下措施：在砂、碎石堆上加阴凉处；抽取地下水搅拌；使用长期暴露在阳光下的干骨料时，应充分浇水以达到降温的目的。
        ④随时测量气温和水泥、碎石、拌和用水、路面温度，必要时增加监控混凝土水化热，有针对性地采取措施控制施工质量。
        2）改善约束条件
        ①摊铺前，基层顶面应充分浇水湿润。
        ②减少混凝土底面与基层顶面之间的摩擦的，可以通过在基层表面添加塑料膜来实现。
        ③正确划分施工缝。
        ④避免基层出现过度起伏。
        ⑤合理安排施工工序，避免高差过大和侧面长期暴露。
        ⑥合理掌握脱模时间，脱模后及时覆盖侧面。
        2.2 温度应力产生的原因之二：外部温度变化
        2.2.1产生原因
        一年四季，昼夜温差大，导致混凝土板胀缩。白天，当温度升高时，面板的上表面高于下表面。这种温差会使面板中间凸出。夜间气温下降，面板顶面低于底面，导致面板和角部翘曲。这些变形将受到面板和基层之间的摩擦和附着力以及面板自重的限制，从而导致面板中的应力过大，进而发生面板断裂或凸起损坏。这些外部因素主要包括：季节性气温变化；昼夜温差变化；阳光直射导致地表温度升高；风导致地表水分蒸发加速。
        2.2.2解决受温度影响的措施
        上述原因会导致混凝土面板表面和内部的非同步变形而产生温度应力。对于上述温度应力，在实际施工过程中，应采取以下措施避免裂缝：
        1）混凝土表面修整时，应避免阳光直射，防止混凝土温度上升过快或表面干燥过快，造成表面塑性收缩开裂。
        2）大风天气施工时，应加快施工速度，加强养生措施，用塑料薄膜或湿草袋覆盖，风力达到6级以上时必须停止施工。必要时，用风速仪现场测量风速，观察风引起的自然现象，确定风级，并采取相应措施。
        3）浇筑混凝土时，一般应在30℃以下进行，夏季气温高于30℃时，应避开中午时间，选择早、晚或夜间施工。混凝土拌合物的温度不得超过35C，并随时监测温度、水泥、拌和用水、拌合物和路面混凝土温度。施工现场温度高于40℃或摊铺混合料温度高于35℃时，必须停止施工。
        4）高温季节的养护应保证混凝土表面完全覆盖并保持足够的湿度。
        5）冬季最低气温为-3℃时，道路应采取保温措施。搅拌机出料处不低于10℃，摊铺温度不低于5℃，混凝土养护时，混凝土与上面板温度应保持在5~10℃之间。
        6）根据混凝土强度的增加，及时切缝。高温季节施工，特别是夜间降温幅度较大或下雨时，应提前切断接缝，防止断裂。
        3 温度对沥青混凝土路面的影响及相应措施
        沥青路面的破坏是由多种因素引起的。研究表明，沥青混合料是一种对温度敏感的材料，温度的变化会引起其性能的较大差异。决定路面温度的影响主要为外部与内部两个方面
        外部原因：主要是由于气候条件，例如太阳辐射，温度，风速，降水和蒸发。其中，太阳辐射和气温是决定道路状况的两个最重要因素。辐射到路面的短波辐射热的一部分被路面反射，其余的被路面吸收，从而提高了温度。

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来自大气和路面的长波辐射构成了路面的再辐射，这使得路面散发了一部分热量。大气与路面之间的温差引起对流热交换。风的影响增强了对流并使道路损失了一部分热量。降水和随后的蒸发将大大降低日照增加的路面温度。
        内部因素：是指人行道各结构层的导热系数，比热容和辐射热吸收量。导热率是在单位温度梯度的条件下，单位时间内垂直通过单位面积截面的热量，其值与材料的结构，孔隙率和湿度有关。热容量是指单位质量的材料产生单位温度变化所需的热量。材料的导热率或容量越高，温度梯度越低。
        3.1沥青混合料本身的因素
        3.1.1骨料性质
        如果在施工过程中使用高吸水性骨料，将更容易形成温度收缩裂缝。高吸水性集料在低温下会突然降低材料的强度，这主要是因为非吸水性集料混合料中的沥青结合料比结合料中的沥青结合料要多。
        3.1.2矿料组成
        在进行温度应力实验时，不同类型的混合物的温度应力增长将显示出很大的差异。细粒混合物比中粒混合物具有更大的温度应力，并且具有较大的粗粒度和较大的空隙率。内部微孔很多，极限温度降低，应力松弛，温度应力相应降低。另外，沥青砾石及贯入式的温度应力也小于沥青混凝土的温度应力。
        3.1.3沥青的质量与含量
        一些测试表明，沥青的性能比沥青的厚度更重要。如果使用高质量的沥青，则较薄的表面层的横向裂纹会更少。但是，当使用劣质沥青时，即使厚度较大，也会出现裂纹。当沥青的含量在最佳范围内时，其变化对混合物的低温收缩裂化性能没有影响。沥青含量的增加会增加温度收缩系数并相应降低刚度，因此所形成的温度应力也等于沥青含量变化前的现有应力。
        3.2温度对沥青混凝土路面的影响
        沥青类路面材料随温度变化而变化。这种特性被称为温度稳定性。它可以用来衡量路面材料对温度的敏感程度。温度稳定性差的材料在温度变化时候，强度显著降低。由于沥青材料本身对温度非常敏感，因此沥青类路面对温度非常敏感。由于温度的变化，沥青路面结构的强度和弹性模量会发生几倍甚至十几倍的变化。
        3.2.1温度变化会导致沥青混凝土路面出现裂痕
        当沥青混凝土的内部或外部温度变化时，其体积会增加或减少。这些体积变化会导致沥青混凝土开裂。主要原因是沥青混凝土在凝固过程中会释放出大量的热气，使内部温度升高，在其表面产生拉应力，随后混凝土降温，在内部又会出现拉应力。环境温度的变化还将在其外部产生很大的拉伸应力。当这些拉应力超过沥青结构的载荷范围时，将产生裂缝。
        1）四季的温差
        秋季，春季，冬季和夏季的温差交替以及一个季节温度的大起大落，对沥青混凝土路面的结构具有相应的破坏作用，但这种破坏作用相对较慢。
        2）夏季高温
        在夏季，高温下的沥青混凝土路面会迅速膨胀，这使沥青混凝土受到其自身结构的约束，导致路面表面的张应力增加，然后出现裂缝。
        3）冷空气，大雨和日落的影响
        冷空气，大雨和日落的出现将导致沥青混凝土路面的表面温度明显下降，但是其内部温度下降缓慢，这使得路面内外的温度相差较大，导致拉应力变化出现裂纹。
        3.2.2温缩会引起沥青混凝土路面出现横向裂痕
        这种横向裂纹是由低温引起的，并且大多数发生在寒冷地区。可以认为，温度收缩裂缝可分为两种，一种是由于低温引起的路面收缩，在沥青层中产生张应力，从而在路面上产生裂缝。另一个是温度疲劳裂纹，主要是由于温度的反复变化引起的，为了适应抗拉强度的降低，当拉伸应力不是很大时会引起沥青混凝土路面的开裂。
        3.3解决受温度度影响的措施
        3.3.1施工设计前的预防
        1）沥青表层的厚度可以降低温度。在分析沥青路面温度场时，有助于找出表层厚度与地基顶面温度幅值之间的关系，从而根据温度设计沥青表层厚度。当基底的温度收缩小时，基底的顶表面的容许温度幅度可以较大，表层的厚度可以较小。相反，当基层的温度收缩较大时，基底层的顶表面的允许的非破裂温度幅度应较小，因此表面层的厚度应为设计较大，具体情况应根据当地气候条件和路面材料的性能来确定。
        2）严格审查沥青混凝土中的主要材料：必须根据施工的具体要求和路面的实际情况，温度的变化和道路的坡度选择相应的优质沥青。只有这样，才能在很大程度上减少沥青混凝土路面的温度裂缝。
        3）操作过程要谨慎，施工方法要科学合理：整齐地剪裁接缝边缘，加热沥青路面，使接缝边缘变软，然后填充沥青混凝土；使压路机在新铺设的沥青混凝土上充分压实，以使压实的沥青混凝土路面上没有微小的缝隙。
        3.3.2对于已经产生裂痕后的处理
        1）表面修复：修复裂缝的最常见方法。该方法主要适用于对路面结构没有影响的较小的温度裂缝。表面修复方法的操作包括两个步骤：在裂缝上涂防腐涂料和优质沥青；在维修过的地方加一层玻璃纤维布，以防止裂缝继续破裂。
        2）注浆法：该方法主要用于处理对路面结构影响较大的裂缝。灌浆方法分两个步骤，即用环氧砂浆灌浆裂缝表面，并用普通硅酸盐水泥注入裂缝并施加一定的压力。
        3）加固方法：主要有两种加固方法，一种是增加沥青混凝土的横截面积，另一种是在有裂缝的地方喷涂预应力沥青混凝土以进行加固。这里的预应力沥青混凝土是在承受载荷之前预先对沥青混凝土施加压力，为形成人工压力状态，当由于温度变化而产生拉应力时，需要抵消人工压力，然后才能影响沥青混凝土本身的结构。
        4）更换方法：当沥青混凝土路面的温度裂缝比较严重时，最有效的补救方法是更换方法。这是为了挖掘裂缝处受损的沥青混凝土并注入新的沥青混凝土。更换前，应清理裂缝处的垃圾和碎石并保持干燥。更换后，应在维修区域铺上一些石屑，以使损坏的路面完好无损。
        5仿生生物自动修复：仿生生物自动修复是基于生物体可以分泌类似于愈合剂的物质以帮助受伤后自愈的功能，并在沥青混凝土中添加特殊化学物质。当温度变化侵蚀沥青混凝土，并出现裂缝，这是沥青混凝土会自动分泌出一种胶结材料来填补裂缝，使沥青混凝土可以恢复到原始状态。
        4结论
        以上对湿度和湿度在施工和后期使用中产生的湿度影响和温度应力进行了初步的分析,并针对湿度影响和温度应力产生原因提出了一些预防措施。当然，有很多影响路面质量并造成路面损坏的原因，例如不合理的路面结构，不合格的原材料，不平整的地面等，这些都暂时不予讨论。在具体的构造和使用中，应更多地观察比较，对更多的问题进行分析总结，并采取多种预防措施。湿度和温度对路面质量的影响是可以控制，因此而产生的路面损坏也是能够避免的。
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