水泥混凝土路面斷裂力學的應用現狀及前景

王榮

（武夷學院土木工程與建筑學院，福建武夷山354300）

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水泥混凝土路面斷裂力學的應用現狀及前景

王榮

（武夷學院土木工程與建筑學院，福建武夷山354300）

摘要：總結斷裂力學應用于水泥混凝土路面斷裂性能的研究現狀，包括水泥混凝土路面斷裂力學參數的常用模型、試驗方法等。基于對研究現狀的總結，該領域的水泥混凝土路面的標準斷裂模型和試驗方法有待形成。

關鍵詞：斷裂力學；水泥混凝土路面；斷裂模型；斷裂性能

近年來，隨著重載交通和大流量交通成為公路運輸的主要特點，普通混凝土路面材料的一些缺點和不足逐漸的暴露出來，其中水泥混凝土路面板的早期斷裂是水泥混凝土路面在使用過程中所體現出來的最主要的路面病害問題之一。

混凝土材料由于澆注時的泌水作用和干燥期間的收縮受到硬骨料的限制，先天性有許多微裂。當其擴展為宏觀裂縫后，結構易發生低應力脆斷，傳統力學和強度理論在研究混凝土的斷裂機理問題時，暴露出不足。

斷裂力學承認結構中含有宏觀裂縫，將遠離裂縫端的廣大區域仍假定為均質連續體，它適用于材料本身對脆斷敏感，且帶有宏觀裂縫的缺陷體。因此，斷裂力學理論與水泥混凝土路面之間建立某種聯系，對水泥混凝土路面研究具有重要意義。

1 斷裂力學在水泥混凝土路面的應用研究現狀

1.1 通過斷裂力學參數研究水泥混凝土路面斷裂機理

1.1.1 斷裂模型的選取

由于水泥混凝土是準脆性材料，且路面板是有典型的薄板結構，因此，斷裂力學理論適用于水泥混凝土路面上，必須選用與混凝土材料實際行為更為接近的非線性斷裂模型，并且該模型要能夠有效避免尺寸效應，這樣，尺寸效應造成的名義應力問題才能得以解決。

Bazant提出的尺寸效應律［1］，被研究者廣泛借用或者修正，例如，美國伊利諾伊大學的Shreenath Rao 和Jeffery RoesLer［2］通過修正尺寸效應律公式，得到的斷裂韌度能夠從本質上不依賴于試件的尺寸，僅僅作為一種混凝土材料本身的固有屬性。尺寸效應造成的名義應力問題得到一定的解決，獲得能夠較好表征水泥混凝土路面斷裂問題的斷裂力學參數。

由我國徐世烺教授等提出的雙K模型以及新KR阻力曲線模型，能較好表征混凝土的裂縫發展。雙K模型提出了裂縫擴展過程中用應力強度因子表述的兩個關鍵控制參數的概念，即起裂韌度K和失穩韌度K，在實際工程應用中，K≤K可作為重要結構裂縫擴展穩定性的判斷準則；K＜K＜K可作為主要結構失穩擴展前的安全警報；K=K可作為一般結構裂縫擴展的判斷準則［3］。

新KR阻力曲線模型，是通過三點彎曲切口梁在單調加載下的荷載—裂縫口張開位移曲線（PCMOD），用解析法計算混凝土斷裂全過程的阻力曲線。由兩部分組成：一部分為起裂前混凝土本身所固有的抗裂能力，稱為起裂韌度K；另一部分是由粘聚力提供的阻力，它與混凝土的抗拉強度ft、粘聚力f（σ）及有效裂縫長度a有關，稱為KC（ft，f（σ），a）［4］，KR阻力曲線可表示為：

除此之外，由斷裂能定義直接推導獲取斷裂參數，也成為路面研究者使用的方法之一。但該方法需要繁瑣的數學推導及計算，同時由于該法只能針對某一具體研究對象，通過推導得到相應的公式，適用性問題暫無法得到廣泛的驗證。

1.1.2 試驗方法

國際材料和結構試驗室聯合會（RILEM）推薦的斷裂力學試驗方法為楔入劈拉試驗與三點彎曲梁試驗。由于三點彎曲梁試驗的結構形式簡單、便于澆注等優點，國內外多數學者通過三點彎曲梁試驗獲取斷裂力學參數。標準楔入劈拉試驗雖結構形式略微復雜，但試驗結果穩定，并能同時獲取斷裂能及斷裂韌度參數。

其次，部分學者根據研究目標的不同在標準楔入劈拉試驗的基礎上進行改良，使得試驗結果更加貼合路面斷裂問題。例如，Tschegg E K在對路面夾層的斷裂力學行為研究中［5］，采用改進的楔入劈拉方法進行斷裂能的獲取。由于試件是現場取芯，能夠有效減小試件的變異性，對路面加鋪層結構的開裂行為描述更加貼切。但是該方法比標準楔入劈拉試驗過程復雜，未被研究者廣泛采用。

1.2 預估路面板的疲勞壽命

基于斷裂參數的獲取，研究者進一步通過斷裂參數與疲勞方程相結合，進行路面疲勞壽命的預估。例如，水泥混凝土路面車輛荷載作用次數與穩定斷裂韌度折減值之間的具有如下關系［6］：

式中：K1為相應軸載作用于各種路面厚度的應力強度因子；K為起裂斷裂韌度；Nf為重復荷載作用的次數；a，β為參數，波特蘭水泥協會推薦a=0.972，β=0.0828。

因此，通過斷裂試驗所獲得的起裂斷裂韌度可以求得Nf，達到預估路面疲勞壽命的目的。

1.3 優化路面設計、材料及施工方案

研究者通過分析不同配合比，不同養護條件，不同荷載作用下，斷裂力學參數的變化，得到指導路面設計、材料及施工的優化方案。例如，鋼纖維加筋混凝土路面被研究者通過斷裂力學理論證實具有更優異的路面性能，哈工大的曹鵬等［7］及黃河水利研究院的張廷毅等［8］均通過三點彎曲梁試驗得到的斷裂韌度值，判定材料抗開裂性能有所提升，而Beatrice B［9］就此問題不僅通過有限元還以足尺板試驗加以驗證。陳輝［10］通過研究不同溫濕度養護條件下，斷裂力學參數變化規律，給出相關工程技術建議。

2 亟待解決問題及研究前景

通過以上總結可以發現，目前斷裂力學已成為混凝土路面研究的一個重要方向，但諸多問題仍有待解決：

（1）適用于水泥混凝土路面的標準斷裂模型和試驗方法有待形成。

目前，研究人員通過試驗歸納總結，逐步得到較多與混凝土材料實際行為較為接近的新型模型，具有較強的適用性和應用價值。但進一步尋找適合水泥混凝土路面模型，解決尺寸效應問題，仍將是斷裂力學應用于水泥混凝土路面的熱點研究問題。

（2）基于斷裂力學理論，研究早齡期性狀對水泥混凝土路面斷裂性能的影響。

水泥混凝土的早齡期性狀對路面后期的使用性能有著極其重要的影響，在相關研究領域已形成共識。水泥混凝土路面板作為面層從鋪筑的開始到運營期間都是直接暴露于外界復雜的環境之中。即使同一時間段澆筑的同一種配合比的路面板由于早齡期水泥混凝土發展狀態的不同，面板不同位置處的斷裂力學參數會表現出差異性，最終導致斷裂的位置難以預判。有研究表明，直接澆筑在不平整基層之上的水泥混凝土路面面層，在早齡期階段隨著水泥水化過程的不斷進行，結構強度也不斷增大。在強度不斷發展的過程中，隨之而來的變形收縮會沿著路面板的板頂和板底表現出一定程度的差異性，從而導致板邊的翹曲，這種在早齡期逐漸形成的固化翹曲具有記憶性，該性狀對后期路面的使用性能具有潛移默化的影響。因此，以水泥混凝土斷裂力學作為依據，研究早齡期性狀對水泥混凝土路面斷裂性能的影響具有重要的意義，也是解決水泥混凝土路面斷裂問題的關鍵。

（3）進一步通過對水泥混凝土路面斷裂機制研究，優化設計、施工、運營管理及養護方案。

3 結語

依據斷裂力學理論，進一步建立水泥混凝土路面的外載、構件、缺陷三者之間定量關系，對研究路面的斷裂機理，進而找到有效提高路面斷裂性能的途徑，延長路面使用壽命，具有重要意義。

參考文獻：

［1］Bazant Z P. Size effect in bLunt fracture∶concrete，rock，metaL［J］. JournaL of Engineering Mechanics，1983，110（4）∶518-535.

［2］Rao S，RoesLer J. Characterization of effective buiLt-in curL-ing and concrete pavement cracking on the paLmdaLe test sections［R］. Institute of Transportation Studies，2005.

［3］徐世烺，趙艷華.混凝土裂縫擴展的斷裂過程準則與解析［J］.工程力學，2008（25）∶20-33.

［4］趙朝華，李建偉，魏姍.柔性纖維混凝土的新阻力曲線和雙K斷裂參數的試驗研究［J］.交通標準化，2010（11）∶60-63.

［5］Tschegg E K，Ehart R J A，Ingruber M M. Fracture behavior of geosynthetic interLayers in road pavements［J］. JournaL of transportation engineering，1998，124（5）∶457-464.

［6］易志堅，吳國雄，周志祥，等.基于斷裂力學原理的水泥混凝土路面破壞過程分析及路面設計新構思［J］.重慶交通學院學報，2001，20（1）∶1-12.

［7］曹鵬，馮德成，曹一翔，等.三點彎曲纖維增強混凝土缺口梁的斷裂性能試驗研究［J］.工程力學，2013（30）∶221-231.

［8］張廷毅，李樹山.鋼纖維摻量對高強混凝土斷裂性能的影響［J］.混凝土，2012（12）∶87-89.

［9］BeLLetti B，Cerioni R，Meda A，et aL. Design aspects on steeL fiber-reinforced concrete pavements［J］. JournaL of materiaLs in civiL engineering，2008（20）∶599-607.

［10］陳輝.路面水泥混凝土斷裂力學參數特性研究［D］.福州∶福州大學，2013.

（責任編輯：葉麗娜）

Current Situation and Application Prospect of Fracture Mechanics in Cement Concrete Pavement

WANG Rong

（SchooL of civiL engineering and architecture，Wuyi university，Wuyishan，Fujian 354300）

Abstract:The research status of fracture mechanics appLied to cement concrete pavement performance is summarized incLuding the common modeL，test method，and so on. Based on the summary of the research status，the research prospect of this fieLd is discussed.

Key words:fracture mechanics；cement concrete pavements；fracture modeL；fracture properties

中圖分類號：U416.2

文獻標識碼：A

文章編號：1674-2109（2016）03-0081-03

收稿日期：2015-10-24

基金項目：武夷學院校級課題（XL1207）。

作者簡介：王榮（1980-），女，漢族，講師，主要從事道路工程的研究。