淺析影響水泥混凝土路面斷裂的因素及其防治措施

于景平　李曉巖

摘要：近年來我國公路工程得到迅速發(fā)展，作為其技術(shù)關(guān)鍵之一的路面工程也得到明顯發(fā)展，其中包括水泥混凝土路面的廣泛使用。隨著水泥混凝土路面的廣泛應(yīng)用，也相應(yīng)暴露出一些與設(shè)計、施工及使用相關(guān)的病害，這些病害處理不好，將會嚴(yán)重影響行車速度、安全及舒適性。因此，分析水泥混凝土路面的病害，并采取針對性的處治對策，對于我國公路工程的健康發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：水泥混凝土 路面 斷裂 防治措施

0 引言

現(xiàn)在我國公路建設(shè)正進行得熱火朝天，路面結(jié)構(gòu)形式多樣，有泥結(jié)碎石路面、塊石路面、瀝青路面、水泥混凝土路面等。在高等級公路建設(shè)中水泥混凝土路面以其強度高、穩(wěn)定性好、耐久性好、養(yǎng)護維修費用低、經(jīng)濟效益高、有利于夜間行車的特點越來越受到人們的青睞。水泥混凝土路面損壞后修復(fù)困難也是限制水泥混凝土路面進一步推廣應(yīng)用的主要障礙。關(guān)于混凝土路面的損傷斷裂，國內(nèi)外學(xué)者作了大量而深入的研究，從混凝土材料組成、力學(xué)機理及外界因素等各方面分析了水泥混凝土路面的斷裂破壞，并取得了大量的研究成果，對混凝土路面斷裂處治提供了科學(xué)依據(jù)。

1 水泥混凝土路面斷裂的影響因素

1.1 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。對工程中常見的各種對混凝土的質(zhì)量有不利影響的各種雜質(zhì)，并且對這些雜質(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，由于震動的作用，處于流塑狀態(tài)的混凝土混合料中會形成一系列的裂隙，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:一是骨料的級配。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，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。

1.2 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度所造成的，因此混凝土的收縮率和早期強度、路面板的長度、基層的阻力等對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。混凝土的早期強度既與材料構(gòu)成有關(guān)，也與施工工藝有關(guān)。如果添加早強劑，或者采用真空吸水的施工工藝，混凝土的早期強度就會比較高。路面板的長度對板底的拉應(yīng)力和板塊位移的影響是明顯的。各種長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算，結(jié)果如表一?；鶎訉β访姘迨湛s應(yīng)力的阻力，決定于過渡層的抗剪強度和剪切破壞后界面的粗糙度。

1.3 影響裂縫擴展的因素 裂縫擴展的條件，是荷載產(chǎn)生的應(yīng)力強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，都是影響裂縫擴展的因素。

2 水泥混凝土斷裂的防治措施

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:①減少混凝土的缺陷；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，而是同時在幾個方面發(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混凝土路面抗裂有利。

2.1 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，加強震搗是排除空氣的途徑。要減少孔隙，就要使骨料的級配更加密實，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: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，三是及時保溫。所以，加強水泥混凝土凝結(jié)期間的養(yǎng)護，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度，對減少裂縫非常有利。通常的做法是添加早強劑。另外采用真空吸水的施工工藝也有利于早期強度的形成。

2.2 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。

2.3 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。對于板塊干縮變形的控制，就是對混凝土干縮的控制。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)力另一個重要措施，就是及時將已經(jīng)產(chǎn)生的釋放。所以，把握好水泥混凝土路面的切縫時間非常重要。

2.4 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)。要減小輪胎對路面的靜止壓力，就要對車輛實行限載管理，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。對于汽車方面要采取限速措施，降低車輛荷載的震動頻率；對于路方面，要提高路面的平整度，降低車輛的震動幅度。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，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，聚合物和無機化合物間還可以通過氫鍵和范得華鍵相互作用。

在破壞過程中，使用期間荷載造成的損傷加劇和裂縫擴展過程的時間，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作用使裂縫擴展直至貫穿板厚，裂縫的擴展過程可以用混沌方程加以定量描述。