水泥砼路面斷裂的形成和預(yù)防

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一、概述

　　水泥混凝土路面破壞的過程是微小缺陷形成、開始而逐漸擴(kuò)展，逐漸形成裂縫貫通，即最后形成貫穿路面板的裂縫。這個(gè)過程大致可以分三個(gè)階段:

　　第一個(gè)階段是初始損傷和初始裂縫的形成階段。在路面板混凝土攪拌、澆筑和成型養(yǎng)護(hù)過程中形成的微空隙。微裂縫即路面板的初始損傷。這個(gè)初始損傷決定了路面板在荷載作用下進(jìn)一步擴(kuò)展的臨界條件，即損傷應(yīng)力的門檻值。路面板在凝結(jié)過程中產(chǎn)生了板底的初始裂縫。初始裂縫的產(chǎn)生導(dǎo)致路面板在荷載的作用下出現(xiàn)應(yīng)力集中，使裂縫尖端附近的區(qū)域成為損傷最嚴(yán)重的區(qū)域。這一階段是水泥混凝土路面板使用壽命前的階段，是破壞過程的初始階段。

　　第二階段是損傷的不均衡累積和裂縫有限度擴(kuò)展的階段。由于在投入使用前，路面板底部已經(jīng)出現(xiàn)裂縫，所以在荷載的作用下，裂縫尖端附近區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，根據(jù)混凝土的損傷演變規(guī)律，裂縫尖端附近區(qū)域是損傷最嚴(yán)重的區(qū)域，也就是說，在裂縫尖端附近的區(qū)域中，微小裂縫萌生、擴(kuò)展、匯聚最快，承受應(yīng)力的有效面積減少得最快，因而開裂韌度也下降得最快。經(jīng)過荷載的反復(fù)作用，裂縫尖端附近區(qū)域損傷不斷積累，成為開裂韌度最低的部位。當(dāng)某一荷載在裂縫尖端產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于裂縫尖端附近區(qū)域的開裂韌度時(shí)，裂縫就與嚴(yán)重?fù)p傷區(qū)域中的微小裂縫貫通而擴(kuò)展，從而穿越了導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p傷區(qū)域，裂縫尖端到達(dá)新的位置。由于新的裂縫尖端附近的區(qū)域損傷度比較小，開裂韌度大于荷載造成的應(yīng)力強(qiáng)度因子，所以裂縫停止擴(kuò)展。新的裂縫尖端附近成為了又一階段損傷最嚴(yán)重的區(qū)域，在荷載的反復(fù)作用下，開始了新一輪的損傷累積和裂縫擴(kuò)展。上述過程不斷反復(fù)進(jìn)行，裂縫不斷地加深。在裂縫加深的過程中，荷載作用下在裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著裂縫深度的增大而增大，能夠超越的斷裂韌度越來越大，也就是說，深度越大，裂縫就更容易擴(kuò)展。這一階段涵蓋了水泥混凝土路面的整個(gè)使用壽命期，是破壞過程中最漫長(zhǎng)的階段，荷載的每一次作用可以通過混沌方程加以描述，而無損傷狀態(tài)對(duì)應(yīng)穩(wěn)定態(tài)，損傷積累狀態(tài)對(duì)應(yīng)分叉態(tài)，裂縫擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)對(duì)應(yīng)混沌態(tài)。

　　第三階段是斷裂階段。當(dāng)某一荷載的在裂縫尖端產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于裂縫尖端附近區(qū)域的開裂韌度，裂縫穿越嚴(yán)重?fù)p傷的區(qū)域，尖端到達(dá)新的位置，此時(shí)，新的裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子仍然大于新的尖端附近區(qū)域的開裂韌度，所以裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，無須經(jīng)過新一輪的損傷累積。由于新的裂縫尖端附近區(qū)域的混凝土沒能組織裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，所以裂縫就迅速貫穿路面板的整個(gè)厚度，使板塊徹底斷裂破壞。這一階段是水泥混凝土破壞過程的最后一刻，是最短暫的階段。根據(jù)混凝土斷裂力學(xué)的雙K準(zhǔn)則，混凝土路面板斷裂時(shí)，裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子已經(jīng)大于混凝土的失穩(wěn)開裂韌度。

二、水泥混凝土路面破壞過程的影響因素

　　1、影響初始損傷形成的因素

　　水泥混凝土的初損傷包括雜質(zhì)、氣孔、孔隙和微裂縫等缺陷，對(duì)這些缺陷的數(shù)量、形態(tài)和分布狀態(tài)有影響的因素，都是水泥混凝土路面板初始損傷的影響因素。對(duì)混凝土中雜質(zhì)及其有害生成物的形成和分布有影響的因素，包括骨料中的泥土、有機(jī)物、輕物質(zhì)等有害物質(zhì)的含量，和水的酸堿度及水中有害物質(zhì)的含量。對(duì)工程中常見的各種對(duì)混凝土的質(zhì)量有不利影響的各種雜質(zhì)，并且對(duì)這些雜質(zhì)的含量作了明確的技術(shù)指標(biāo)、質(zhì)量指標(biāo)。澆筑時(shí)的震搗質(zhì)量，是影響混凝土排除空氣的重要因素。在震搗過程中，由于震動(dòng)的作用，處于流塑狀態(tài)的混凝土混合料中會(huì)形成一系列的裂隙，這些縫隙構(gòu)成了排除空氣的通道。震搗的效果越好，混凝土中的氣孔就越少?；炷林械目紫?，是未被水泥漿體填充的骨料間隙。影響孔隙形成的因素有五個(gè):一是骨料的級(jí)配。二是水泥用量。三是攪拌質(zhì)量。四是用水量。五是震搗質(zhì)量?；炷林械母煽s裂縫是混凝土中的水分蒸發(fā)所造成的，影響混凝土中水分蒸發(fā)的因素兩個(gè)，一是有水分蒸發(fā)的通道，即混凝土中孔隙的多少，二是混凝土內(nèi)外的濕度梯度。而影響混凝土內(nèi)外濕度梯度的因素，主要是混凝土凝結(jié)過程中表面的濕度。因此，在養(yǎng)護(hù)期間，混凝土表面保濕的情況是混凝土干縮裂縫形成的重要影響因素。冷縮裂縫是由混凝土的內(nèi)外溫差造成的，所以影響冷縮裂縫形成，一是水泥的水化熱，二是混凝土澆筑時(shí)的溫度，三是混凝土凝結(jié)過程中表面的溫度。不管是干縮裂縫還是冷縮裂縫，都是在應(yīng)力大于強(qiáng)度的情況下產(chǎn)生的，而混凝士的徐變量與收縮量的之差和彈性模量決定應(yīng)力的大小，所以混凝土的早期強(qiáng)度、彈性模量和徐變都是各種裂縫形成過程中的重要影響因素。

　　2、造成初始裂縫形成的因素

　　水泥混凝土路面板初始裂縫是在路面板的收縮受到基層制約后產(chǎn)生的應(yīng)力大于水泥混凝土的強(qiáng)度所造成的，因此混凝土的收縮率和早期強(qiáng)度、路面板的長(zhǎng)度、基層的阻力等對(duì)初始裂縫具有重要的影響。在凝結(jié)過程中路面混凝土的收縮變形主要是干縮變形?；炷恋脑缙趶?qiáng)度既與材料構(gòu)成有關(guān)，也與施工工藝有關(guān)。如果添加早強(qiáng)劑，或者采用真空吸水的施工工藝，混凝土的早期強(qiáng)度就會(huì)比較高。路面板的長(zhǎng)度對(duì)板底的拉應(yīng)力和板塊位移的影響是明顯的。各種長(zhǎng)度的板塊的平均最大拉應(yīng)力和板端部最大收縮量通過計(jì)算，結(jié)果如表：

28天砼板最大收縮拉應(yīng)力和最大收縮位移 表1

基層對(duì)路面板收縮應(yīng)力的阻力，決定于過渡層的抗剪強(qiáng)度和剪切破壞后界面的粗糙度。

　　3、影響裂縫擴(kuò)展的因素

　　裂縫擴(kuò)展的條件，是荷載產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于裂縫尖端區(qū)域的穩(wěn)定開裂韌度。所以，影響裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子大小和混凝土開裂韌度大小的因素，都是影響裂縫擴(kuò)展的因素。

三、防止水泥砼路面斷裂的預(yù)防措施

　　水泥混凝土的抗裂措施，至少在必須下列五方面之一發(fā)揮積極作用:

　?、贉p少混凝土的缺陷;②提高混凝土的韌度;③減少路面板收縮應(yīng)力。

　　實(shí)際上，很多的工程措施并不是純粹在某一方面發(fā)生作用，而是同時(shí)在幾個(gè)方面發(fā)揮作用。有些措施在一些方面發(fā)揮了積極的作用，而在另一些卻有不利的影響，有些措施則在諸多方面都對(duì)混凝土路面抗裂有利。

　　1、減少混凝土的缺陷

　　減少缺陷，就是要減少混凝土中的雜質(zhì)、氣孔、微孔隙和微裂縫，降低路面板的初始損傷度。按照規(guī)范的規(guī)定：選用材料是控制混凝土材料缺陷的根本措施。要減少氣孔，加強(qiáng)震搗是排除空氣的途徑。要減少孔隙，就要使骨料的級(jí)配更加密實(shí)，要保證不少于最低的水泥用量。采用添加減水劑等外加劑的辦法減少用水量，提高攪拌和震搗質(zhì)量。為了減少混凝土中的水分，要盡可能采用真空吸水的施工工藝，減少干縮裂縫。保濕養(yǎng)護(hù)水泥混凝土表面。減少溫度收縮裂縫的關(guān)鍵在于減少混凝土的內(nèi)外溫差，具體的辦法有三個(gè):一是盡量避免在不利的溫度環(huán)境下施工，二是選用低水化熱的水泥，三是及時(shí)保溫。所以，加強(qiáng)水泥混凝土凝結(jié)期間的養(yǎng)護(hù)，是減少混凝土中微裂縫的重要措施。提高混凝土的早期抗拉強(qiáng)度，對(duì)減少裂縫非常有利。通常的做法是添加早強(qiáng)劑。另外采用真空吸水的施工工藝也有利于早期強(qiáng)度的形成。

　　2、提高混凝土的韌度降低初始度

　　增加有效的受力面積，是提高混凝土韌度的有效措施。除此之外，還可以利用鋼筋、纖維或聚合物等材料，改變混凝土的受力反應(yīng)模式。鋼筋混凝土是常用的復(fù)合型建筑材料。纖維混凝土是以水泥漿、砂漿或混凝土為基體，以金屬材料、無機(jī)纖維或有機(jī)纖維增強(qiáng)材料組成的一種復(fù)合材料。目前用于混凝土的纖維有鋼纖維、有機(jī)纖維、無機(jī)纖維和合成纖維，而應(yīng)用比較多的鋼纖維和合成纖維。路面工程中應(yīng)用最多的是鋼纖維混凝土。從宏觀角度考察，與普通混凝土相比，鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度提高了5～20%,彎拉拉強(qiáng)度提高20～50%，抗拉強(qiáng)度提高20～40%，收縮裂縫的總量減少了50%左右，在沖擊荷載作用下的抗裂性能提高了2～3倍。合成纖維是近年來逐漸被采用的纖維材料。合成纖維對(duì)改善混凝土的性能有很大的作用。

　　3、減小路面板的收縮應(yīng)力路面板產(chǎn)生收縮應(yīng)力的條件

　　一是板塊收縮變形，二是變形受到限制。對(duì)于板塊干縮變形的控制，就是對(duì)混凝土干縮的控制。板塊的冷縮變形取決于氣溫變化和混凝土的熱膨脹性能，工程措施對(duì)此影響很小。減少路面板變形的限制，一是要提高基層的平整度，減少路面板與基層之間的摩擦，二是要阻止過渡層的生成，如在基層上鋪設(shè)塑料薄膜等。減少路面板的收縮應(yīng)力另一個(gè)重要措施，就是及時(shí)將已經(jīng)產(chǎn)生的釋放。所以，把握好水泥混凝土路面的切縫時(shí)間非常重要。有資料表明水泥混凝土20年收縮量的14～34%發(fā)生在水泥混凝土的14d齡期內(nèi)，40～80%發(fā)生在3個(gè)月齡期內(nèi)。因此，在路面板強(qiáng)度形成之初就要切縫以釋放收縮應(yīng)力。切縫時(shí)間與水泥混凝土施工溫度、濕度等因素有關(guān)，一般規(guī)律為:當(dāng)氣溫20～30℃時(shí)，切縫時(shí)間在水泥混凝土澆筑后3～10h為宜:當(dāng)氣溫在10～20℃時(shí)，切縫時(shí)間在水泥餛凝土澆筑后lO～12h。

　　4、減小路面板的荷載拉應(yīng)力

　　路面板荷載拉應(yīng)力的大小，取決于荷載的大小。汽車荷載是沖擊荷載，其大小不但與車輛輪胎對(duì)路面的靜止壓力有關(guān)，而且車一路的禍合程度有關(guān)。要減小輪胎對(duì)路面的靜止壓力，就要對(duì)車輛實(shí)行限載管理，禁止超載的車輛上路。要削弱車一路的禍合作用，分別從車和路兩方面采取措施。對(duì)于汽車方面要采取限速措施，降低車輛荷載的震動(dòng)頻率;對(duì)于路方面，要提高路面的平整度，降低車輛的震動(dòng)幅度。溫度荷載的大小既與路面板的溫度梯度有關(guān)，也與基層和路面板之物和水泥和水在一起攪拌時(shí)，聚合物和水泥水化物間就要產(chǎn)生離子鍵型的化學(xué)結(jié)合。除此之外，聚合物和無機(jī)化合物間還可以通過氫鍵和范得華鍵相互作用。三、聚合物發(fā)揮了減水的作用。聚合物能夠改善水泥混凝土的工作性，減少單位用水量，發(fā)揮類似于減水劑的作用，是因?yàn)榫酆衔镱w粒在混凝土中減少了固體顆粒間的摩擦，改善了混凝土拌和料的流動(dòng)性。因?yàn)榫酆衔飳?duì)水化物的聯(lián)結(jié)和粘結(jié)作用，使混凝土韌度明顯提高。聚合物提高了混凝土的韌度，還可能與棍凝土裂縫尖端的奇異性改變有關(guān)。所謂裂縫尖端的奇異性，是指在荷載的作用下，裂縫的尖端產(chǎn)生了應(yīng)力劇烈集中的性質(zhì)。當(dāng)裂縫的尖端到達(dá)聚合物顆粒時(shí)，由于聚合物具有良好的柔韌性，能夠產(chǎn)生較大的變形，致使裂縫的尖端處材料的屈服范圍擴(kuò)大，應(yīng)力集中水平下降，提高了材料的斷裂韌度。

四、小結(jié)

　　水泥混凝土路面抗裂措施的作用，就是消除或者削弱水泥混凝土路面開裂破壞過程中不利因素的影響。在歸納水泥混凝土路面開裂破壞的不利影響因素的基礎(chǔ)上，水泥混凝土路面抗裂措施必須具備減少混凝土的缺陷、提高混凝土的韌度、減少路面板的收縮應(yīng)力、減少路面板的荷載應(yīng)力的功能，并且闡述了目前工程中應(yīng)用的抗裂措施的主要功能。一般情況下，水泥混凝土路面的破壞是疲勞開裂破壞，其破壞過程分成三個(gè)階段。首先是在澆筑和凝結(jié)過程中產(chǎn)生的初期損傷和開裂。由于水泥混凝土的材料和工藝特點(diǎn)，以及在凝結(jié)過程中的物理和化學(xué)反應(yīng)，使路面板在凝結(jié)過程中形成大量的微小缺陷，構(gòu)成初始的損傷場(chǎng)。并且由于路面板在凝結(jié)過程中的收縮受到基層的限制，板底形成了初始的裂縫。然后是使用期間荷載造成的損傷加劇和裂縫擴(kuò)展。在荷載作用下，路面板發(fā)生了不均勻的損傷，板底裂縫尖端附近區(qū)域成為損傷最嚴(yán)重的部位，該區(qū)域的開裂韌度下降最快。隨著荷載次數(shù)的增加，裂縫尖端附近區(qū)域的損傷度不斷增大，韌度逐漸降低。當(dāng)荷載在裂縫尖端造成的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于裂縫尖端附近區(qū)域的開裂韌度時(shí)，裂縫就擴(kuò)展。裂縫的尖端向前移動(dòng)到達(dá)新的位置后，新的附近區(qū)域以較高的韌度阻止裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，于是開始新一輪的損傷累積。這樣，裂縫尖端移動(dòng)和尖端附近區(qū)域損傷累積兩個(gè)過程交替進(jìn)行，使裂縫不斷擴(kuò)展。最后是斷裂破壞階段。此時(shí)荷載在裂縫尖端造成的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于混凝土的失穩(wěn)開裂韌度，裂縫的擴(kuò)展不受限制，迅速貫穿整個(gè)路面板的厚度，使板塊斷裂。水泥混凝土路面就是遵循這樣的機(jī)理完成它的整個(gè)破壞過程的。在這個(gè)破壞過程中，使用期間荷載造成的損傷加劇和裂縫擴(kuò)展過程的時(shí)間，構(gòu)成了水泥混凝土的使用壽命周期，水泥混凝土路面在凝結(jié)期間產(chǎn)生裂縫，在荷載的作用下，裂縫端部的損傷累積和開裂的互動(dòng)作用使裂縫擴(kuò)展直至貫穿板厚，裂縫的擴(kuò)展過程可以用混沌方程加以定量描述。