設置隔離層的水泥混凝土路面技術研究

谷彥華

(石家莊公路橋梁建設集團)

1 概 述

水泥混凝土路面是一種強度高、剛度大、擴散荷載能力強、穩定性好、耐久性好的路面結構。水泥混凝土路面己經成為我國高等級公路路面結構的主要類型。但是,普通水泥混凝土本身是一種脆性很高的材料,其適應溫度、荷載的變形性能較差,在實際使用過程中,其使用壽命常常不能達到設計的使用年限,有些路面甚至在通車后短短的一、兩年就出現斷板現象,水泥混凝土路面的破壞十分普遍。如何提高在建道路和將建道路的使用壽命,是公路建設亟待解決的首要問題。因此,引入新的理論、新的方法,提高水泥混凝土路面新結構并進行建設的技術眼界,具有十分重要的現實意義。

2 水泥混凝土路面的層間破壞過程

2.1 “過渡層”的形成和分離破壞過程以及其薄弱性質

(1)“過渡層”的形成過程

“過渡層”是指存在于面層與基層之間的(如圖 1示),因面層混凝土澆注過程中水泥漿滲入基層后形成的具有一定深度的,力學性質介于面層與基層之間的一個中間層。“過渡層”的存在是一客觀實際。

現行的水泥混凝土路面結構是將水泥混凝土直接澆筑在基層表面形成的,將混凝土直接澆筑在基層表面后,水泥砂漿滲入基層便形成了“過渡層”。在面層混凝土澆筑在基層上后,“過渡層”將面層與基層粘結為一個整體。

圖 1 過渡層

(2)“過渡層”的分離破壞

面層、過渡層和基層緊密結合,形成了一個整體——這是水泥混凝土路面的層間結構初始狀態。由于混凝土自身收縮、溫度變形、外載的作用,割縫的頂端將由于應力集中而產生裂紋并向下擴展,在裂縫貫穿板厚的瞬間,混凝土板在裂紋兩端附近的拉應力完全釋放,就像一個拉緊的彈簧突然斷開一樣,混凝土板將產生巨大的回復力而使面層收縮,這種突然產生的回復力是非常巨大的。但是,基層將阻止這種回復運動,這就必然在連結界面產生巨大的剪力,剪力的作用將很快使本已嚴重損傷的過渡層剪壞而形成水平方向的裂紋,這一裂紋使面層與基層沿過渡層分離,形成分離界面,實際的分離界面可能是不規則的。這一界面把本來融為一體的面層、過渡層和基層分為兩部分,分離后的面層和基層各自存在一個破壞面,破壞面附近嚴重損傷且存在大量表面裂紋。

(3)“過渡層”的薄弱性質

從細觀角度看,過渡層中的初始缺陷遠遠多于混凝土的初始缺陷,集料與集料之間、集料與水泥之間的界面弱連結均在過渡層中形成大量的裂紋,其中一些裂紋大致沿垂直方向,且一些裂紋的尖端可能已經進入混凝土面層。

水泥混凝土路面與基層分離后,“過渡層”或其一部分將附著在路面板的底面,相對于面層而言,附著于路面底面的“過渡層”有明顯的薄弱性質,主要表現在:

第一,“過渡層”的天然缺陷:即“過渡層”本身的缺陷,與面層相比,它本身存在的空隙與缺陷更多。

第二,“過渡層”的表面缺陷:即“過渡層”的表面缺陷和表面裂紋,是因面層與基層的層間分離破壞而引起的。

2.2 “過渡層”對面層材料性能和對面層混凝土疲勞性能的影響以及對路面結構的破壞機理

(1)從斷裂力學角度解釋“過渡層”對面層材料性能的影響

斷裂力學理論認為,一旦結構出現裂紋,則裂紋尖端將出現巨大的應力集中,即出現應力的奇異性,含有裂紋的物體的承載力將遠遠低于相應的無裂紋物體的承載力。所以從斷裂力學理論觀點看,過渡層中的裂紋,其裂紋尖端同樣具有巨大的應力奇異性,這種奇異性導致裂紋向前擴展,而裂紋擴展又不斷將裂紋尖端應力奇異性向前推進,直至穿過過渡層而進入混凝土面層,裂紋進入混凝土面層將會引起面層材料強度的降低,導致面層會在低應力狀態下發生斷裂現象,降低面層材料的彎拉強度。

(2)過渡層對面層混凝土疲勞性能的影響

前面的分析表明,過渡層破壞后的表面凹凸不平,且有表面裂紋出現,有的裂紋可能已經進入混凝土面層,由于板底的拉應力最大,板底表面的凹凸不平、薄弱過渡層和表面裂紋對疲勞壽命的影響非常大。

疲勞強度是混凝土路面設計的關鍵指標,對現行水泥混凝土路面結構,面層底面凹凸不平,且存在薄弱的過渡層和表面裂紋,它的疲勞強度必然遠遠低于混凝土光滑試件的疲勞強度。因此,含過渡層混凝土面層的疲勞強度會比同樣靜力強度的普通混凝土面層的疲勞壽命低,“過渡層”對材料疲勞特性的影響不容忽視。

(3)過渡層對路面結構的破壞

水泥混凝土路面模型假定,面層與基層為光滑接觸。面層與基層的初始狀態是連為一體的,與理想的光滑接觸條件存在本質的不同。但路面層間緊密結合的初始狀態難以保持,面層與基層之間最終要分離。層間分離破壞后,在車輛荷載的作用下以及溫度、收縮等因素的影響,分離后的面層與基層會出現相對移動,層間的這種相對移動,將使面層與基層由理想的完全接觸變為不均勻的多點彈性支承,從而導致面層與基層之間非均勻脫空的出現,使面層與基層并不保持光滑接觸,造成路面在理想支承下的計算承載力遠高于實際承載力。

因此,面層與基層的分離不是單純的脫離,分離作為一種破壞,并非僅僅形成一個理想的分離界面,分離面附近的材料將破壞并部分破碎。面層與基層之間破碎層的出現,將對路面的破壞將產生多種綜合性的影響。

第一,破碎層非均勻膨脹,加劇路面非均勻脫空,使路面承載力下降。

第二,破壞層附近的界面損壞嚴重,在外載和環境因素作用下,加劇附著于面層底面的過渡層的破壞。

第三,水沿路面割縫進入面層與基層的界面后,在車輛荷載沖擊作用下,會引起松散破碎層的沖刷脫空,使面層與基層接觸狀況進一步惡化。

3 設置隔離層的新型水泥混凝土路面結構

要解決路面在低應力水平下的破壞問題,必須從面層與基層的接觸界面入手,消除過渡層的產生。因此,我們必須對混凝土面層與基層的接觸面進行專門設計,盡可能使面層與基層的接觸界面光滑,盡可能避免層間破壞,盡可能使面層與基層各自在界面附近保持完好,使實際建成后的路面結構與理論模型盡可能一致,所以提出了設置隔離層的新型路面結構。

設置隔離層的水泥混凝土路面結構是在面層與基層之間設置一足夠薄、能夠阻止水泥漿進入基層且不與基層粘結的薄膜層的路面結構形式。隔離層材料必須能完全隔離面層水泥砂漿進入基層。隔離層需足夠薄,僅起到一個分界面的作用。

設置隔離層后,路面結構的計算模型回歸到傳統的路面結構的經典計算模型。隔離層的路面結構簡化了路面計算模型。設置隔離層的水泥混凝土路面結構,由于面層與基層相互分離,即使基層存在裂縫,在荷載作用下,裂尖對面板受力性能的影響甚微。因此,對于設置隔離層的路面結構而言,不僅面層開裂不會引起基層開裂,而且基層開裂也不會引起面層開裂。綜合上述,對于水泥混凝土路面結構而言,設置隔離層一方面避免了過渡層的產生,另一方面也可消除面層與基層開裂破壞的相互影響,這體現了設置隔離層水泥混凝土路面結構的合理性和優越性。它具有抗裂性能好、適應變形能力強、承載力高和實際使用壽命長等優良的力學性能。

隔離層材料的選材需滿足三個條件:第一,隔離層必須是在基層表面形成后加鋪上去、不與基層表面粘結的薄膜類產品。第二,隔離層必須能夠完全割斷水泥砂漿進入基層。第三,隔離層必須足夠薄,僅起分離界面的作用。第四,隔離層材料必須便于施工操作,不易在施工中發生褶皺、破損。

4 結 論

(1)基于破壞力學原理,深入分析了水泥混凝土路面的層間界面特性,對水泥混凝土路面面層與基層層間界面的形成及力學行為進行分析,提出了“過渡層”引起混凝土面層在低應力水平下的靜力破壞和疲勞破壞的機理。

(2)基于實際路面結構回歸傳統理想路面模型的考慮,提出了設置隔離層的新型路面結構。設置隔離層的新型路面結構消除了過渡層的存在,路面的層間結合狀況滿足傳統理想模型的假設。