張春芳

(保定市清苑縣交通局)

1 水泥混凝土路面的層間破壞的三種基本破壞形式

1.1 三種基本破壞形式存在的必然性

水泥混凝土路面的破壞必然從層間相互作用開始,在水泥混凝土路面的各種破壞形式中,一定存在基本的破壞形式,看似繁雜的各種破壞形態(tài)總是從基本破壞演化而來。路面的層間從結(jié)合到分離再到衍生出其他破壞,這一過程雖然復(fù)雜,但只要找出基本破壞形式,并研究其演化規(guī)律,就能認(rèn)識(shí)各種破壞的一般規(guī)律。

按水泥混凝土路面?zhèn)鹘y(tǒng)方法施工,水泥漿必然進(jìn)入基層,形成面層與基層的初始結(jié)合狀態(tài),沒有水泥漿進(jìn)入基層,就沒有層間界面連結(jié)狀態(tài)的形成,因此,水泥漿滲入基層是面層與基層形成層間初始連結(jié)狀態(tài)的必要條件。面層與基層的初始狀態(tài)是連為一體的,但其層間緊密結(jié)合的初始狀態(tài)難以保持,面層與基層之間最終要分離。

1.2 “強(qiáng)連結(jié)”和界面“弱連結(jié)”

面層與基層界面連結(jié)情況分為界面“強(qiáng)連結(jié)”和界面“弱連結(jié)”。界面“強(qiáng)連結(jié)”是指界面連結(jié)強(qiáng)度(粘結(jié)強(qiáng)度)高于被連結(jié)的兩物體中任一物體的剪切強(qiáng)度(若界面為剪切破壞)或拉伸強(qiáng)度(若界面為拉伸破壞),界面強(qiáng)連結(jié)的破壞特征不是表現(xiàn)為界面本身的破壞,而是被連結(jié)的物體(或者其中之—)在連結(jié)界面附近的破壞;界面“弱連結(jié)”是指界面連結(jié)強(qiáng)度低于被連結(jié)的兩物體的強(qiáng)度(剪切強(qiáng)度或拉伸強(qiáng)度),界面弱連結(jié)的破壞特征表現(xiàn)為界面本身的破壞。

1.3 三種基本破壞形式發(fā)生的提出

在荷載、溫度和環(huán)境因素的作用下,面層與基層將相互作用,由于面層與基層是不同的結(jié)構(gòu)層,它們的材料特性不同,這種相互作用將使面層與基層從初始的結(jié)合狀態(tài)發(fā)展演變,直至產(chǎn)生相互破壞。

從力學(xué)上看,路面層間緊密結(jié)合的初始狀態(tài)于面層是最有利的,但是,路面的層間破壞有其自身的規(guī)律,路面層間緊密結(jié)合的初始狀態(tài)難以保持,按現(xiàn)行施工方法將水泥混凝土直接澆筑在基層表面,不可避免地將發(fā)生三種基本破壞形式。

第一種基本破壞形式:面層與基層在割縫兩端的界面分離,在界面間形成水平裂縫并進(jìn)一步發(fā)展 。界面“弱連結(jié)”時(shí),界面直接分開;界面“強(qiáng)連結(jié)”時(shí),界面沿過渡層分開。

第二種基本破壞形式:因割縫產(chǎn)生的收縮裂縫截面處基層豎向開裂,繼而斷開。

第三種基本破壞形式:面層與基層部分分離形成第一種基本破壞形式后,水平裂縫擴(kuò)展一定距離后偏轉(zhuǎn)侵入基層。

2 三種基本破壞形式發(fā)生的變形協(xié)調(diào)機(jī)理

從變形協(xié)調(diào)角度看,第一種基本破壞形式必然會(huì)發(fā)生。

面層割縫后,在割縫頂點(diǎn)將出現(xiàn)裂紋,裂紋將隨著收縮荷載的作用逐漸擴(kuò)大貫穿面層,如圖 1所示。在裂紋貫穿面層的瞬間,面層與基層相交處裂紋的兩端面上的A、B兩點(diǎn)必然出現(xiàn)相對(duì)位移(只要出現(xiàn)貫穿板厚的宏觀裂紋,則A、B兩點(diǎn)就有相對(duì)位移),A、B兩點(diǎn)在未裂開前是同一點(diǎn),A、B兩點(diǎn)的相對(duì)位移也是面層在裂紋斷面兩端產(chǎn)生的相對(duì)移動(dòng),要產(chǎn)生這種移動(dòng),要么裂紋擴(kuò)展至基層,要么在裂紋斷面附近出現(xiàn)面層與基層的分離。如果 A、B分開(開裂而產(chǎn)生的相對(duì)位移)基層又完好無開裂,則 A、B兩點(diǎn)一定沿基層有相對(duì)滑動(dòng),否則將違反變形規(guī)律,這種相對(duì)滑動(dòng)預(yù)示面層與基層沿裂紋兩端一定范圍內(nèi)分離(圖 2a)。因此,面層裂縫向下發(fā)展,在裂縫斷面的基層不開裂的情況下,第一種基本破壞形式必然發(fā)生,否則,面層與基層之間的變形協(xié)調(diào)關(guān)系便不能保持。

面層與基層部分分離形成第一種基本破壞形式后,形成水平裂縫,水平裂縫很容易擴(kuò)展一定距離后偏轉(zhuǎn)侵入更為薄弱的基層中去,第三種基本破壞形式就必然發(fā)生。

圖1 第一、二種基本破壞形式的產(chǎn)生

第二種基本破壞形式發(fā)生也有其必然性,其變形協(xié)調(diào)機(jī)理如下。

裂紋貫穿面層的瞬間,面層在 A、B點(diǎn)分開,如果面層與基層沿界面不分離,始終保持完全連結(jié),即面層相對(duì)于基層無滑動(dòng),那么基層在A、B的位移必然要和面層在 A、B點(diǎn)的位移一致,隨著面層與基層交界處A、B點(diǎn)的分開(裂開),基層也必然在 A、B處裂開。因此,面層裂縫向下發(fā)展,在裂縫斷面下的面層與基層界面不分離的情況下,第二種基本破壞形式必然發(fā)生。

3 三種基本破壞形式發(fā)生的應(yīng)力強(qiáng)度機(jī)理

3.1 第一種基本破壞形式發(fā)生的應(yīng)力強(qiáng)度機(jī)理

一般而言,面層因收縮等處于受拉狀態(tài)時(shí),任一斷面上的回復(fù)力由面層底面界面水平方向的剪力平衡,但回復(fù)力與剪力不在同一直線上,兩者形成一彎矩,這一彎矩是由板端頭底面的法向拉力和板中部底面的法向壓力形成的彎矩來平衡。隨著裂紋的向下發(fā)展,回復(fù)力逐漸下移,板底法向拉力逐漸減小,裂紋貫穿面層的瞬間,回復(fù)力幾乎與界面剪力平衡,法向拉力趨近為零,回復(fù)力非常大,對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力也非常大,并且最大剪力出現(xiàn)在裂紋斷面附近,此時(shí)最大剪應(yīng)力峰值很大,已超過面層與基層之間的剪切強(qiáng)度,無法平衡回復(fù)力,面層與基層必然沿界面剪開(分開)而分離,發(fā)生第一種基本破壞形式。

對(duì)完全連接在剛度無限大的基層上的有限尺寸的面板,當(dāng)溫度下降 15°時(shí),如取混凝土彈性模量為 3×104MPa。泊松比為 0.15,混凝土線膨脹系數(shù)為 1×10-5,根據(jù)收縮應(yīng)力的計(jì)算公式為

則其最大收縮應(yīng)力應(yīng)為5.29MPa,即:1m2的路面斷層上拉應(yīng)力的合力為 529t,這一應(yīng)力一般已達(dá)到混凝土面層的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。即使這一應(yīng)力不致使混凝土路面斷裂,也將使面層與基層沿界面分離,當(dāng)溫度均勻下降產(chǎn)生的均布拉應(yīng)力為5.29MPa時(shí),斷面為3.5m×0.25m的面層中拉應(yīng)力的合力為 463t。由板長方向力的平衡條件可知,這 463t的拉力由面層與基層之間的剪力來平衡,平衡拉力的剪力主要集中在板端很短的范圍內(nèi),剪應(yīng)力的峰值非常大,將超過界面剪切強(qiáng)度而使面層與基層分離。

3.2 第二種基本破壞形式發(fā)生的應(yīng)力強(qiáng)度機(jī)理

無論剪力是否超過面層與基層之間的剪切強(qiáng)度,當(dāng)面層中的裂紋尖端無限趨近于面層與基層界面時(shí),裂尖的應(yīng)力集中將傳遞到基層,同時(shí)沿裂尖兩側(cè)的界面上有相反方向的剪力作用,相向的剪力各自疊加后都很大,相向剪力疊加后作用的結(jié)果也將使基層產(chǎn)生顯著的拉應(yīng)力。兩種拉應(yīng)力再疊加后,面層裂紋截面所對(duì)應(yīng)的基層過渡層頂面的拉應(yīng)力非常大,此時(shí)的拉應(yīng)力已超過界面過渡層拉伸強(qiáng)度,因此基層必然會(huì)開裂,第二種基本破壞形式必然出現(xiàn)。

應(yīng)力強(qiáng)度分析表明,在現(xiàn)行路面結(jié)構(gòu)施工良好的情況下,即面層與基層粘結(jié)較好,此時(shí)第一種基本破壞形式和第二種基本破壞形式的發(fā)生均具有必然性,并且第一、二基本破壞形式往往同時(shí)發(fā)生。如果面層與基層完全粘結(jié),裂紋或斷縫尖端有應(yīng)力集中現(xiàn)象,基層中產(chǎn)生較大拉應(yīng)力與界面中產(chǎn)生的較大剪切應(yīng)力都遠(yuǎn)超過其自身的抗拉強(qiáng)度或剪切強(qiáng)度,因此往往同時(shí)發(fā)生基層的斷裂與界面的剪切破壞。

3.3 第三種基本破壞形式發(fā)生的應(yīng)力強(qiáng)度機(jī)理

當(dāng)剪力使面層與基層部分剪開形成水平界面裂紋后,裂紋面上的剪力釋放,但面層與基層未脫開的部分仍存在剪應(yīng)力和拉應(yīng)力,對(duì)基層而言,界面剪應(yīng)力和拉應(yīng)力的共同作用,將使裂紋偏離界面,沿主拉應(yīng)力方向侵入基層,發(fā)生第三種基本破壞形式。

隔離層材料的作用在于使面層與基層隔離并保持光滑接觸,使面層與基層之間不形成薄弱過渡層,避免面層與基層之間相互破壞影響,提高路面材料性能和結(jié)構(gòu)性能。

隔離層材料的選材需滿足三個(gè)條件:第一,隔離層必須能夠完全割斷水泥砂漿進(jìn)入基層;第二,隔離層必須足夠薄,僅起分離界面的作用;第三,隔離層必須是在基層表面形成后加鋪上去,不與基層表面粘結(jié)的薄膜類產(chǎn)品。

4 結(jié) 語

無論從變形協(xié)調(diào)的觀點(diǎn)還是從受力的角度看,上述三種破壞形式均是最基本的,其他更復(fù)雜的破壞形式是這三種破壞形式的組合或進(jìn)一步發(fā)展。在路面結(jié)構(gòu)的實(shí)際破壞中這三種基本破壞形式往往同時(shí)存在,三種基本破壞形式將導(dǎo)致水泥混凝土路面出現(xiàn)斷角、斷板、錯(cuò)臺(tái)、脫空等各種破壞。設(shè)置隔離層的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)可以防止路面病害發(fā)生,提高路面承載能力。

[1] 水泥混凝土路面面層與基層相互作用引起的基本破壞形式[J].黑龍江交通科技,2005,(10).

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