水泥混凝土路面斷裂性能研究

汪曉霞，唐 鵬

（安徽水利水電職業技術學院，安徽 合肥231603）

水泥混凝土路面斷裂性能研究

汪曉霞，唐 鵬

（安徽水利水電職業技術學院，安徽 合肥231603）

水泥混凝土路面結構具有承載力強、整體性好等優勢，但其脆性斷裂行為限制了其在高等級路面結構中的應用。本文對于水泥混凝土材料的斷裂性能研究方法和模型做了詳細的分析，并結合道路領域研究現狀來剖析斷裂力學方法和混凝土斷裂力學方法在水泥混凝土路面結構中應用的前景。

斷裂行為；水泥混凝土；裂紋擴展；強度；應力

高等級路面結構和材料中的斷裂行為是導致路面服務能力和耐久性能降低的重要因素[1]。相比于瀝青路面結構水泥混凝土路面因具有剛度較大、強度更高、穩定性好、耐久性佳、耐熱性能強和有利于夜間行車等優點[2]。

1 水泥混凝土斷裂行為與其內部結構關系

水泥路面結構開裂問題是縮短水泥路面使用年限的重要制約因素之一。國內外諸多學者都開展了從細觀和微觀角度分析水泥混凝土的力學特性，并建立起力學性能與微觀和細觀組成結構之間關系。國外研究者也發現，當水泥膠漿強度與骨料強度相接近的時候，如輕骨料混凝土材料斷裂發生時，會發生裂紋穿越骨料的情況發生，而石料是典型的脆性材料，所以斷裂時就會展現出脆性斷裂行為。雖然瀝青混凝土斷裂行為也與微空洞的成核與發展有關，但是由于瀝青膠漿具有粘性，微空洞的成核和發展過程會嚴重地受到瀝青膠漿粘性的松弛影響，從而變成一種相互競爭機制。由于水泥混凝土中的水泥膠漿不具備松弛的特點，所以就展現出脆性斷裂行為。

2 斷裂力學方法及在道路領域應用

對于水泥混凝土的斷裂行為研究的理論方法一直是道路工程領域重點關注的問題。現階段國內對于水泥混凝土路面結構斷裂行為的設計采用的方法為面層底部水平最大拉應力理論。斷裂力學方法作為一種有效的工具將為含裂紋體水泥混凝土路面結構的斷裂方面研究工作起到作用。斷裂力學方法最早由Griffith在19世紀20年代研究玻璃、陶瓷等材料的脆斷問題時提出，其通過對于分子鍵的積分得到了材料的強度，卻發現實際強度與計算值相比，差距甚遠，因此認為材料中存在了裂紋。在格里菲斯提出脆性斷裂問題之后，基于彈性理論研究了裂紋的擴展時失穩的發展規律，其提出了一個與裂紋擴展程度有關的表面能來表征裂紋的擴展規律，并將斷裂行為分為三種基本形式及其相應的組合。但是這一理論很長時間沒有得到重視。基于能量方法Rice推到了與應力強度因子等價的能量釋放率，并采用J積分建立了能量釋放率與應力強度因子之間的聯系，從而賦予了斷裂力學方法完整的物理意義，并使得線彈性斷裂力學逐步發展成熟。其后Tada，Paris和 Irwin出版了應力強度因子手冊，這表示斷裂力學方法在應用力學領域成為一種主要的工具。Shih等提出了等效積分區域法對J積分進行數值計算，如圖1所示。

圖1 圍繞裂紋尖端的封閉積分區域

利用散度定理，可以對于裂紋尖端附近的一個有限閉環區域來待地積分回路進行J積分的計算得到

針對二維問題可以具體展開成

式中A—積分區域,函數 q(x,y)只在外邊界上為0，在其他區域都為1。但是斷裂力學方法的研究成果和最新進展在道路工程領域的應用比較緩慢，斷裂力學方法的主要進展，尤其是在混凝土材料方面的研究前沿也沒有得到廣泛的關注。

3 混凝土斷裂力學方法

最早使用的線彈性斷裂力學方法研究水泥混凝土類材料的研究中是Kaplan將其引入的，并采用斷裂力學理論進行大量的斷裂試驗研究[12]。可是混凝土材料斷裂過程中在裂紋尖端的斷裂過程區存在非常復雜的材料非線性行為，這種現象與玻璃、陶瓷等脆性材料斷裂機理不同。當Kaplan將斷裂力學引入混凝土研究多年后，日本京召開的國際材料力學大會上Kesler等認為經典的線彈性斷裂力學的方法在描述混凝土類材料的斷裂行為方面的適用性提出了一定的質疑。實際上，經典的斷裂力學理論之所以很難有效地應用于水泥混凝土斷裂研究的原因在于：混凝土材料中一般存在大量不均勻的微裂縫。這些微裂紋的存在使得混凝土材料從一開始加載變形就會產生非線性行為。基于以上分析可知：線彈性斷裂力學在混凝土材料方面的的應用出現一定的盲區。但是這沒有減弱水泥混凝土的斷裂行為方面的研究熱情，且國內外學者進行了大量的理論和試驗研究。我國著名學者潘家錚院士和張楚漢院士都積極倡導開展使用斷裂力學理論研究混凝土的斷裂性能的研究，并在東風拱壩和柘溪度大壩等多項大型水利工程項目的裂縫防治和加固上得到了應用。混凝土斷裂力學方法中更加關注混凝土結構和材料的軟化行為，混凝土的軟化行為是混凝土材料受力破壞的基本屬性。隨著混凝土斷裂力學的發展，故國內外經過大量的試驗總結出混凝土材料的多種軟化曲線。

經典的雙線性軟化模型可以表達如下：

其中，tf為混凝土的抗拉強度，FG 為混凝土的斷裂能，Fα 為與骨料最大粒徑有關的參數。

但是作為混凝土斷裂力學這一領域的研究成果在道路行業中引進不多，所以未來這一方向也將會是一個新的熱點，尤其是隨著機場建設的逐步興起，社會對于更加高強和耐久路面結構的需求將會增加。

4 結論

本文探討了水泥混凝土路面結構的整體性喪失與斷裂之間的聯系，同時扎根于斷裂力學方法來源以及其適用性的提煉，并吸收斷裂力學，尤其是混凝土斷裂力學方法的最新研究進展，來判斷水泥混凝土路面結構斷裂問題的可行研究思路與方法，最終展望了新型混凝土斷裂力學理論在水泥混凝土路面結構中重要性。

[1]韓存玉.高速公路水泥路面與瀝青路面經濟學比較(2007).黑龍江交通科技,第6期:125-126.

[2]鄭健龍.瀝青路面抗裂設計理論與方法[M].北京：人民交通出版社28.

Study on fracture behavior of cement concrete pavement

Wang Xiaoxia1,Tang Peng2
(Anhui Water Conservancy Technical College,Anhui Hefei 231603,China)

The advantages of the concrete pavement are the higher capacity strength and good integrality,nevertheless the brittle fracture behavior of the concrete material has limited it’s extensive use in the express.In this paper,the methodologies and models for evaluating the concrete fracture characteristics are elaborated and analyzed in detail.Meanwhile the fracture mechanics model for the concrete is also introduced based on the background of pavement development of china,and the possibly potential application of the concrete fracture models are proposed.

Fracture behavior; concrete pavement; crack extension; strength; stress

U416.2

：A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.01.062

1672–7304(2016)01–0133–02

安徽自然科學基金重點項目“礦物纖維在安徽高溫地區重載交通瀝青路面中的研究與應用”（項目編號：KJ2014A092）。

（責任編輯：廖建勇）

汪曉霞（1983-），女，安徽潛山人，講師，研究方向：道路橋梁工程。