水泥混凝土路面開裂機(jī)理及破壞過程研究

易 鵬

(重慶市地產(chǎn)集團(tuán)，重慶 401121)

水泥混凝土路面開裂機(jī)理及破壞過程研究

易 鵬

(重慶市地產(chǎn)集團(tuán)，重慶 401121)

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)公路工程事業(yè)也不斷進(jìn)步，水泥混凝土是公路工程中常用的施工材料，混凝土路面具有較強(qiáng)的耐久性和穩(wěn)固性，受到了廣泛的應(yīng)用。然而，混凝土路面的開裂問題卻沒有得到有效的解決，使得混凝土路面的推廣和應(yīng)用受到了一定的阻礙?；诖耍疚木椭饕獜睦碚搶用嫔蠈?duì)混凝土路面開裂機(jī)理進(jìn)行探討，并且提出了相應(yīng)的防治辦法，以期促進(jìn)我國(guó)公路工程的健康發(fā)展。

水泥混凝土 混凝土路面 開裂機(jī)理 破壞

水泥混凝土路面具有強(qiáng)度高。剛度大等特點(diǎn)，因此在國(guó)內(nèi)外的公路工程中得到了廣泛的應(yīng)用，但是低應(yīng)力水平狀況下的路面開裂和破壞問題，卻對(duì)混凝土路面的應(yīng)用產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。國(guó)外專家對(duì)于混凝土路面開裂機(jī)理進(jìn)行了大連話的研究，為混凝土裂縫的處理提供了大量的科學(xué)依據(jù)。我們需要借鑒國(guó)外的成功理論，并且從我國(guó)公路工程建設(shè)的實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)國(guó)內(nèi)公路工程混凝土路面的破壞機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)的分析，才能為解決裂縫問題提供更加全面的理論指導(dǎo)。

一、混凝土路面的開裂機(jī)理

水泥混凝土路面開裂的原因，可以從三個(gè)方面進(jìn)行分析：

1.損傷力學(xué)原理

損傷力學(xué)的研究需要建立在變量場(chǎng)的基礎(chǔ)上，該變量場(chǎng)是由于材料本身的缺陷而形成的，利用損傷度對(duì)材料受到的傷害程度進(jìn)行測(cè)量，并且根據(jù)材料在受損傷的過程中發(fā)生的變化規(guī)律對(duì)其內(nèi)部受到損傷的情況進(jìn)行評(píng)估。從水泥混凝土的角度來(lái)說，其本身就存在微空隙的狀況，所以由水泥混凝土形成的路面也存在著一定的損傷可能性，這種損傷度可以定義為D。S，S*則分別代表連續(xù)介質(zhì)中受到損傷的單元受到損傷內(nèi)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)。當(dāng)混凝土路面投入使用以后，長(zhǎng)期受到車輛荷載和溫度應(yīng)力作用，就會(huì)使混凝土路面受到的損傷程度不斷增加，處在路面裂紋位置的混凝土受到損傷程度加劇，會(huì)導(dǎo)致裂紋的進(jìn)一步開裂，最終導(dǎo)致混凝土路面的開裂，如圖1所示。

圖1 路面開裂機(jī)理圖

2.路面裂縫

通過對(duì)混凝土裂縫的內(nèi)部缺陷規(guī)律進(jìn)行研究可以發(fā)現(xiàn)，在混凝土裂縫內(nèi)部存在著很多雜質(zhì)和毛細(xì)孔，并且隨機(jī)分布，當(dāng)毛細(xì)孔的分布與水灰比達(dá)到一定的比例關(guān)系時(shí)就會(huì)形成干縮裂縫。通常情況下，水灰比較高的路面結(jié)構(gòu)中，其中含有的顆粒狀水化物較多，而且在受到相同作用力的影響下，大晶體和小晶體會(huì)呈現(xiàn)出不同取向的結(jié)合，所以在混凝土路面水灰比較高的部位，形成的裂縫與毛細(xì)孔就相對(duì) 較多。水泥混凝土路面的損傷過程，也可以理解為內(nèi)部很多微小缺陷不斷擴(kuò)展、增加的過程，當(dāng)這些內(nèi)部缺陷擴(kuò)大到一定程度時(shí)，就會(huì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的損傷。路面最初受到的損傷是不均勻的，隨著路面荷載的不斷增加，這種微小的損傷逐漸形成較大的裂縫，對(duì)路面造成較大影響。

3.路面應(yīng)力

當(dāng)材料受到損傷時(shí)，進(jìn)行有效應(yīng)力的計(jì)算應(yīng)當(dāng)根據(jù)公式σ=σ＇/(1-D)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)損傷度發(fā)生變化，材料的有效應(yīng)力也會(huì)隨之發(fā)生變化。根據(jù)大量學(xué)者關(guān)于水泥混凝土路面受到的損傷規(guī)律，如圖2所示。

圖2 路面應(yīng)力示意圖

從圖2中可以看出，受到單調(diào)荷載的影響，當(dāng)應(yīng)力處在某個(gè)區(qū)域值的范圍內(nèi)，水泥混凝土本身的彈性模量不會(huì)發(fā)生變化。如果材料的損傷度沒有發(fā)生變化，就說明構(gòu)件的結(jié)構(gòu)應(yīng)力也不會(huì)發(fā)生變化，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的微小裂紋沒有發(fā)生變化。當(dāng)應(yīng)力大于某一個(gè)區(qū)域值時(shí)，無(wú)線的傾斜度逐漸降低，同時(shí)也意味著損傷度在發(fā)生了較大的變化；同時(shí)還可以看出，在循環(huán)拉應(yīng)力的作用下，地何在處在某個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)時(shí)，材料的損傷度沒有發(fā)生變化，當(dāng)荷載高于區(qū)域中的曲線，就說明材料的損傷度在增加。循環(huán)拉應(yīng)力的次數(shù)越多，曲線向著右側(cè)移動(dòng)的頻率也越多，這說明混凝土路面受到反復(fù)的荷載作用形成了一定的規(guī)律。在彈性力學(xué)中，如果某一處發(fā)生裂縫，整個(gè)構(gòu)件就會(huì)對(duì)其受到的應(yīng)力進(jìn)行充分分配，而最終將會(huì)使應(yīng)力集中在裂縫的間斷，使得細(xì)小的裂縫逐漸擴(kuò)展。

二、水泥混凝土路面的破壞過程

水泥混凝土路面的破壞過程，主要分三個(gè)階段：第一階段，薄弱層受到破壞，并且產(chǎn)生細(xì)微的裂縫。水泥混凝土路面的施工，是將混凝土直接澆筑在基面上，基面凹凸不平，或者沒有進(jìn)行細(xì)致的清除處理，就會(huì)由于基面表面層存在的孔隙而使得澆筑過程中水泥砂漿的滲入，所以當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)凝固以后，就會(huì)將路面表層和基面形成一個(gè)整體。隨著使用時(shí)間的增加，路面和基面各自的彈模也不斷發(fā)生變化，同時(shí)混凝土也會(huì)產(chǎn)生周期性的變形，使得路面和基面之間的產(chǎn)生較大的空隙，過度等受到破壞，使得路面和基面形成剝離狀態(tài)，最終導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。第二階段，板中微裂縫的形成于板底微裂縫的聯(lián)通。在長(zhǎng)期的荷載作用下，路面面板會(huì)發(fā)生振動(dòng)，而板的作用對(duì)于路面的車輛也會(huì)形成反作用，這種相互的應(yīng)力對(duì)于路面的平整度、行車的速度都會(huì)產(chǎn)生影響，同時(shí)也會(huì)影響到路面基層材料的性能，對(duì)于板的開裂會(huì)產(chǎn)生較大的影響。第三階段，受到疲勞盒子啊的作用產(chǎn)生破壞性的斷裂裂縫。疲勞強(qiáng)度是進(jìn)行混凝土路面工程設(shè)計(jì)時(shí)必須參考的重要參數(shù)。在板底裂紋已經(jīng)產(chǎn)生的情況下，板的疲勞壽命實(shí)際上僅相當(dāng)于第二階段的疲勞作用次數(shù)，這正是水泥混凝土路面往往未到設(shè)計(jì)年限而發(fā)生斷裂破壞的原因。

三、混凝土路面裂縫的防治辦法

混凝土路面裂縫的防治，首先要對(duì)材料的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的控制，選擇具有較強(qiáng)安全性、收縮變量小的水泥，減少混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生；其次，對(duì)混凝土的配比進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)，力求達(dá)到科學(xué)、穩(wěn)定、均勻的配比要求；第三，保證足夠的攪拌時(shí)間，確?；炷涟韬衔锏某墒於群途鶆蛐裕瑢⒒炷两Y(jié)構(gòu)的坍塌度控制在合理的范圍內(nèi)，可以預(yù)防由于混凝土拌合物不均勻而引起的面板裂縫；第四，加強(qiáng)施工工藝的控制，嚴(yán)格按照混凝土施工的標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行施工，并且做好必要的養(yǎng)護(hù)工作，可以有效的預(yù)防混凝土裂縫的形成。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，本文主要針對(duì)水泥混凝土路面開裂的機(jī)理進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，并且提出了預(yù)防混凝土路面開裂的防治辦法，從理論上說，混凝土路面的開裂過程，就是細(xì)微裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展的過程，也是對(duì)路面、路基造成破壞的過程。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，公路工程施工技術(shù)也將不斷的完善，影響混凝土路面開裂的因素有很多，而且比較復(fù)雜，在實(shí)際的工作中，我們應(yīng)當(dāng)借鑒國(guó)外成功的理論經(jīng)驗(yàn)和施工技術(shù)，對(duì)混凝土性能有更全面的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)公路混凝土路面質(zhì)量的不斷提升，預(yù)防路面開裂現(xiàn)象的發(fā)生。

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