水泥混凝土路面開裂機理與破壞過程問題分析

李 軍

(1.山西省公路工程質量檢測中心，山西太原 030006;2.山西路橋集團長臨高速公路有限公司，山西太原 030006)

在路面施工建設中，水泥混凝土鋪設的路面憑借強度高、穩定性好、維修費用比較低等優點在實際生活中被越來越廣泛地利用。但是，這些路面在低應力狀況下很容易開裂破壞，極大地限制此路面的推廣應用。人們對由水泥混凝土鋪設的路面的開裂機理和破壞過程還缺乏深入的了解，這需要我們不斷發現、探索。

1 路面的開裂機理

水泥與混凝土鋪成的路面開裂的原因我們從三個方面介紹:損傷力學原理、路面裂縫與路面應力。

1.1 損傷力學原理

損傷力學是建立在一個變量場，這個變量場是由所用材料的微缺陷組成，用損傷度衡量材料所受到的傷害程度，根據材料在損傷過程中宏觀性能發生變化部分的規律進一步說明材料內部受到的損傷情況。混凝土本身是一種微孔隙的狀態，水泥混凝土構成的路面是損傷構件，將損傷度定義為D。S，S*分別為連續介質任何一個單元受到損傷內外法線n的某一截面損傷之前與之后的面積，可知:D=1－S*/S。E為混凝土損傷前的彈性模量，E*=E(1－D)。在車輛荷載與溫度應力作用下，路面受到的損傷度將會逐漸變大，在路板裂紋尖端周圍的混凝土損傷會使裂紋加劇，最終導致路面開裂，如圖1所示。

1.2 路面裂縫

根據混凝土制成的路面內部有雜質、毛細孔、碳化裂縫與干冷裂縫等存在的缺陷的規律發現:雜質、毛細孔與干縮裂縫位于混凝土的內部;碳化裂縫與冷縮裂縫位于混凝土的外部表面。氣孔與雜質的分布隨著高度的變化呈現出隨機性，干縮裂縫與毛細孔的分布和水灰比的高低有關。一般，水灰比較高的地方，顆粒狀的水化物比較大，單位結合面積上大晶體之間的結合將會比小晶體結合的取向單一，在相同的剪力下將會更易錯位。所以，在水泥與混凝土鋪設的路面，水灰比較高的地方，微裂縫與毛細孔相對較多，一些晶體更易錯位，強度較低。

圖1 路面開裂機理圖

混凝土的損傷本質上是內部很多微小缺陷逐漸擴展、匯集，最終使路面的承受力的實際有效面積將會減小。路面最初受到損傷是不均勻的，板底的過渡區最為薄弱。若是路面受到較大的應力下，最先破壞的是過渡區再到其他部位。隨著路面荷載的逐漸增大，這些細小的裂縫主要分布在過渡層逐漸形成大的裂縫。

1.3 路面應力

根據材料受到損傷之后的有效應力的計算公式σ=σ＇/(1－D)，如果損傷度發生變化會使材料的有效應力也發生變化。大量的學者做了一些應力試驗關于水泥混凝土鋪設的路面受到的損傷規律，如圖2a)，圖2b)所示。

圖2 路面應力示意圖

從圖2a)看出，受到單調荷載的影響，在應力處于某一個闕值之下，水泥混凝土本身的彈性模量不會發生變化。根據公式S×σ=S*×σ＇，我們可以發現材料受到的損傷度是沒變化，意味著構件受到的應力的有效面積不發生變化，小裂縫沒有擴展。在應力大于某一闕值時，圖中曲線的斜率慢慢變小，損傷度逐漸在增大。觀察圖2b)，我們可以發現在循環拉應力的作用下，荷載低于某一闕值，損傷度不變;荷載高于某一闕值圖中曲線的斜率將會減小，損傷度變大。加載次數越多該曲線的起點將會向右移動，這就意味著在混凝土受到損傷后發生了無法恢復的變形。要分析水泥混凝土鋪設的路面受到荷載產生損傷的規律，必須先分析路板應力的特點。彈性力學指出如果某處出現裂縫將會重新分配應力，最終使應力集中于裂縫尖端。如果路面出現微小的裂縫，受到荷載作用，這些微小裂縫將會擴展。

2 路面的疲勞破壞

在設計水泥混凝土鋪設的路面過程中，疲勞強度是一個很關鍵指標。從斷裂力學的角度出發，路面出現的疲勞破壞可以看作兩個階段:第一，路表面完好無損直到板底表面出現明顯裂紋這一過程;第二，裂紋逐漸擴展直到路面完全斷裂。一般來說，第一階段大約占材料壽命80%。人們通常依據應力—壽命的理論，對于最初產生裂紋的循環次數與此裂紋擴展至突然破壞的次數不區分。在設計水泥混凝土鋪設的路面沒有考慮到在已經產生板底裂紋之后，它的疲勞壽命只是相當階段二的疲勞次數，忽略這些導致路面發生斷裂。根據疲勞方程:logNf=f1－f2(α/fcm)，其中，Nf為在允許范圍之內重復荷載的次數;f1，f2均為設計參數;fcm為設定板的彎拉強度;α為彎拉應力。在實際生活中的路面板需要考慮兩個方面，第一方面，Nf=Nf1+Nf2，Nf1為路面沒有損壞到板底形成裂紋的循環次數;Nf2為裂紋擴展到路面板全部完全斷裂時的循環次數，Nf1＞Nf2。若是實際的路板有裂紋，Nf1=0。第二方面，α=α拉，板面的損傷大于在板完好對應的拉應力。綜合這兩個方面，我們可以發現板面一般受到低水平壓力很容易斷裂破壞。

3 預防路面開裂的措施

在研究水泥混凝土鋪設的路面開裂機理和破壞過程之后，我們需要針對這些問題提出預防措施，以下是我們提出的措施。

3.1 做好路面設計

在設計路面時需要考慮設計的尺寸、混凝土鋪設的厚度以及路面的寬度等等，保證在使用年限正常使用。還需要考慮排水系統，保證地表水與地基水不會侵蝕路面、路基。

3.2 在施工中嚴格把關

在施工過程中，相關的部門要把好原材料與施工質量的檢測。如果購進質量低劣的材料，這樣的路面的彎拉應力將無法達到設計要求，這會使路面在施工期間產生斷裂，因此，要嚴格按照比例選擇原材料，確保施工質量。在施工過程中要嚴格把握工程的質量，這是確保施工順利進行的保證。在施工過程中必須經常檢查原料的雜質與級配、含泥量，如若發現骨料級配和原試級配不一致時，及時調整相應的配比。此外，還要注意控制水灰比，在使用水泥數量要精確，控制誤差在1%內，還要控制水量誤差低于1%，控制外加劑誤差在2%，嚴格控制混合料的配比。在進行路面修筑過程中需要振搗密實、均勻，在澆搗過程中，振搗棍慢拔快插，正確把握振搗力度、時間，盡量避免漏振、過振，速度均勻且緩慢，此過程要連續進行再進行二次振搗，排出夾雜在混凝土內的水分與氣泡。

3.3 控制好基層

如果基層表面處于凹凸不平的狀態，路面和基層之間的摩擦力越來越大，這樣會在摩擦力較大的區域形成開裂，這就要求基層的壓實程度必須達到標準的壓實值與彎沉值，確保路基穩定。

3.4 及時準確切縫

預防裂縫最有效的措施是準確、及時地切縫，切縫時間必須在產生最高收縮應力前，水泥混凝土達到1.1 MPa～1.4 MPa的抗壓度，及時切縫，切縫的深度在板厚的1/4～1/3，避免太深或是太淺，避免產生不規則的裂紋。

3.5 養護好混凝土

新澆筑的混凝土必須及時覆蓋養護，定期定時進行灑水養護混凝土，保證混凝土外部處于濕潤的狀態，必須等到混凝土到設計時彎拉強度之后才可允許車輛通過。在施工的過程中要做好細節處理，根據實際情況做好適當地調整。

影響混凝土路面斷裂與破壞的因素有很多而且比較復雜，目前國內外很多專家對于這方面做了很多研究并提出很多有效的防治措施。本文從理論上介紹混凝土路面開裂的機理，路面破壞實際上是一些微裂紋產生、擴展、貫穿最終出現宏觀裂縫，這也是路面穩定性被破壞、斷裂的過程。隨著我們不斷研究混凝土的性質，技術不斷提高，我們相信這些混凝土開裂帶來的問題最終會得到圓滿解決。

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