基于多孔介质热湿耦合传递理论的水泥混凝土路面湿度场计算与实验研究

Cement concrete pavement warping has a significant impact on slab deformation and stress. However, the research on mechanism of humidity gradient in slabs is quite rare. Current concrete pavement design methods and analysis theories completely ignore the impact of humidity gradient on the deformation and stress of slabs. In the context, taking concrete pavement structures as study subject, this project focuses on the moisture transfer mechanism and the humidity field of concrete pavements. Research content includes: (1) propose a moisture transfer model for pavement structural layer and interlayer based on theory of coupled heat and mass transfer for porous media by taking the water vapor partial pressure and capillary pressure as water vapor diffusion and liquid water migration driving potentials, respectively as well as solve the model with given solution conditions; (2) measure the moisture migration coefficient under the combined effect of water vapor diffusion and liquid water migration, which gives the important parameters of the mechanistic model; (3) build a "double environmental chambers" based experimental platform of to simulate the conditions of model boundary and initial conditions and valid the proposed model by comparing the measured values and derived results; and (4) propose a computation model for humidity field calculation for cement concrete pavement structures by means of regression and artificial neural network algorithms which are based on the numerical pavement humidity distribution data under different influencing factors.

水泥混凝土路面湿度翘曲对路面板的变形及应力有较大影响，但由于对路面板内湿度梯度形成机理的研究较少，目前的水泥混凝土路面设计方法和分析理论完全忽略了湿度梯度对路面板变形和应力的影响。针对这一现状，本项目以水泥混凝土路面结构为研究对象，对其湿分传递机理和湿度场计算模型进行研究。研究内容包括：（1）将水蒸气分压力和毛细管压力分别作为水蒸气扩散和液态水迁移的驱动势，建立基于多孔介质热湿耦合传递理论的路面结构层内及层间的湿分传递机理统一模型，并结合定解条件进行模型求解；（2）测定路面介质材料在水蒸气扩散和液态水迁移共同作用下的湿迁迁移系数，获得机理模型的重要参数；（3）搭建模拟定解条件下的"双环境箱法"的验证实验平台，对比实测结果与机理模型计算结果，验证机理模型的正确性；（4）以不同影响因素下的路面数值湿度场分布为数据基础，利用统计回归和人工神经网络算法建立水泥混凝土路面结构湿度场计算模型。

水泥混凝土路面板长期暴露在自然环境中，其承受由环境引起的翘曲应力，路面板翘曲包括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。限于对水泥混凝土路面湿度梯度形成机理、湿度场表征模型和湿度应力计算方法系统研究的缺失，国内外水泥混凝土路面设计方法和分析理论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，这导致对路面板实际翘曲及应力估计不足，使得路面设计参数与是实际服役情形不符。.本项目针对水泥混凝土路面板水分迁移与湿度分布问题，开展了早龄期和硬化后水泥混凝土路面板水分迁移试验，揭示了不同养生条件下早龄期混凝土路面板干燥过程和干湿循环下硬化水泥混凝土路面板的水分迁移机理；利用多孔介质传质理论，建立了不同养生条件下早龄期混凝土路面板干燥过程和干湿循环下硬化水泥混凝土路面板湿度场表征模型，分别采用有限差分法和Adomian分解法给出了模型的数值解和近似解析解，并利用试验数据进行了模型参数的标定和模型有效性验证。.针对湿度及湿度梯度对混凝土材料特性与路面板应力影响问题，采用弹性力学方法，推导了均匀和非均匀无限板在不同约束条件下的湿度应力计算公式；利用弯矩等效原理，建立了均匀和非均匀无限板的等效温度梯度公式，提出了水泥混凝土路面板湿度应力计算方法，并利用有限元方法分析了6种不同基层类型CRCP的湿度应力情况。本项目的研究成果有效填补了刚性路面湿度应力分析理论的空白，为水泥混凝土路面板湿度场预估和湿度翘曲应力计算奠定了理论基础。