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(yè)技術(shù)學(xué)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(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥231603）

水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)具有承載力強(qiáng)、整體性好等優(yōu)勢(shì)，但其脆性斷裂行為限制了其在高等級(jí)路面結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。本文對(duì)于水泥混凝土材料的斷裂性能研究方法和模型做了詳細(xì)的分析，并結(jié)合道路領(lǐng)域研究現(xiàn)狀來剖析斷裂力學(xué)方法和混凝土斷裂力學(xué)方法在水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的前景。

斷裂行為；水泥混凝土；裂紋擴(kuò)展；強(qiáng)度；應(yīng)力

高等級(jí)路面結(jié)構(gòu)和材料中的斷裂行為是導(dǎo)致路面服務(wù)能力和耐久性能降低的重要因素[1]。相比于瀝青路面結(jié)構(gòu)水泥混凝土路面因具有剛度較大、強(qiáng)度更高、穩(wěn)定性好、耐久性佳、耐熱性能強(qiáng)和有利于夜間行車等優(yōu)點(diǎn)[2]。

1 水泥混凝土斷裂行為與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系

水泥路面結(jié)構(gòu)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(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者都開展了從細(xì)觀和微觀角度分析水泥混凝土的力學(xué)特性，并建立起力學(xué)性能與微觀和細(xì)觀組成結(jié)構(gòu)之間關(guān)系。國(guó)外研究者也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水泥膠漿強(qiáng)度與骨料強(qiáng)度相接近的時(shí)候，如輕骨料混凝土材料斷裂發(fā)生時(shí)，會(huì)發(fā)生裂紋穿越骨料的情況發(fā)生，而石料是典型的脆性材料，所以斷裂時(shí)就會(huì)展現(xiàn)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(fā)展有關(guān)，但是由于瀝青膠漿具有粘性，微空洞的成核和發(fā)展過程會(huì)嚴(yán)重地受到瀝青膠漿粘性的松弛影響，從而變成一種相互競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。由于水泥混凝土中的水泥膠漿不具備松弛的特點(diǎn)，所以就展現(xiàn)出脆性斷裂行為。

2 斷裂力學(xué)方法及在道路領(lǐng)域應(yīng)用

對(duì)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(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的問題?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)對(duì)于水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)斷裂行為的設(shè)計(jì)采用的方法為面層底部水平最大拉應(yīng)力理論。斷裂力學(xué)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(jié)構(gòu)的斷裂方面研究工作起到作用。斷裂力學(xué)方法最早由Griffith在19世紀(jì)20年代研究玻璃、陶瓷等材料的脆斷問題時(shí)提出，其通過對(duì)于分子鍵的積分得到了材料的強(qiáng)度，卻發(fā)現(xiàn)實(shí)際強(qiáng)度與計(jì)算值相比，差距甚遠(yuǎn)，因此認(rèn)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(kuò)展時(shí)失穩(wěn)的發(fā)展規(guī)律，其提出了一個(gè)與裂紋擴(kuò)展程度有關(guān)的表面能來表征裂紋的擴(kuò)展規(guī)律，并將斷裂行為分為三種基本形式及其相應(yīng)的組合。但是這一理論很長(zhǎng)時(shí)間沒有得到重視?；谀芰糠椒≧ice推到了與應(yīng)力強(qiáng)度因子等價(jià)的能量釋放率，并采用J積分建立了能量釋放率與應(yīng)力強(qiáng)度因子之間的聯(lián)系，從而賦予了斷裂力學(xué)方法完整的物理意義，并使得線彈性斷裂力學(xué)逐步發(fā)展成熟。其后Tada，Paris和 Irwin出版了應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊(cè)，這表示斷裂力學(xué)方法在應(yīng)用力學(xué)領(lǐng)域成為一種主要的工具。Shih等提出了等效積分區(qū)域法對(duì)J積分進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，如圖1所示。

圖1 圍繞裂紋尖端的封閉積分區(qū)域

利用散度定理，可以對(duì)于裂紋尖端附近的一個(gè)有限閉環(huán)區(qū)域來待地積分回路進(jìn)行J積分的計(jì)算得到

針對(duì)二維問題可以具體展開成

式中A—積分區(qū)域,函數(shù) q(x,y)只在外邊界上為0，在其他區(qū)域都為1。但是斷裂力學(xué)方法的研究成果和最新進(jìn)展在道路工程領(lǐng)域的應(yīng)用比較緩慢，斷裂力學(xué)方法的主要進(jìn)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(guān)注。

3 混凝土斷裂力學(xué)方法

最早使用的線彈性斷裂力學(xué)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(xué)理論進(jìn)行大量的斷裂試驗(yàn)研究[12]?？墒腔炷敛牧蠑嗔堰^程中在裂紋尖端的斷裂過程區(qū)存在非常復(fù)雜的材料非線性行為，這種現(xiàn)象與玻璃、陶瓷等脆性材料斷裂機(jī)理不同。當(dāng)Kaplan將斷裂力學(xué)引入混凝土研究多年后，日本京召開的國(guó)際材料力學(xué)大會(huì)上Kesler等認(rèn)為經(jīng)典的線彈性斷裂力學(xué)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(zhì)疑。實(shí)際上，經(jīng)典的斷裂力學(xué)理論之所以很難有效地應(yīng)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(huì)產(chǎn)生非線性行為。基于以上分析可知：線彈性斷裂力學(xué)在混凝土材料方面的的應(yīng)用出現(xiàn)一定的盲區(qū)。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(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究。我國(guó)著名學(xué)者潘家錚院士和張楚漢院士都積極倡導(dǎo)開展使用斷裂力學(xué)理論研究混凝土的斷裂性能的研究，并在東風(fēng)拱壩和柘溪度大壩等多項(xiàng)大型水利工程項(xiàng)目的裂縫防治和加固上得到了應(yīng)用?；炷翑嗔蚜W(xué)方法中更加關(guān)注混凝土結(jié)構(gòu)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(xué)的發(fā)展，故國(guó)內(nèi)外經(jīng)過大量的試驗(yàn)總結(jié)出混凝土材料的多種軟化曲線。

經(jīng)典的雙線性軟化模型可以表達(dá)如下：

其中，tf為混凝土的抗拉強(qiáng)度，F(xiàn)G 為混凝土的斷裂能，F(xiàn)α 為與骨料最大粒徑有關(guān)的參數(shù)。

但是作為混凝土斷裂力學(xué)這一領(lǐng)域的研究成果在道路行業(yè)中引進(jìn)不多，所以未來這一方向也將會(huì)是一個(gè)新的熱點(diǎn)，尤其是隨著機(jī)場(chǎng)建設(shè)的逐步興起，社會(huì)對(duì)于更加高強(qiáng)和耐久路面結(jié)構(gòu)的需求將會(huì)增加。

4 結(jié)論

本文探討了水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的整體性喪失與斷裂之間的聯(lián)系，同時(shí)扎根于斷裂力學(xué)方法來源以及其適用性的提煉，并吸收斷裂力學(xué)，尤其是混凝土斷裂力學(xué)方法的最新研究進(jìn)展，來判斷水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)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(xué)理論在水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)中重要性。

[1]韓存玉.高速公路水泥路面與瀝青路面經(jīng)濟(jì)學(xué)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(shè)計(jì)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(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“礦物纖維在安徽高溫地區(qū)重載交通瀝青路面中的研究與應(yīng)用”（項(xiàng)目編號(hào)：KJ2014A092）。

（責(zé)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。