劉世勛

[摘 要] 從損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)和路面破壞的基本原理，重點(diǎn)對(duì)混凝土路面的開裂過(guò)程進(jìn)行研究，并闡述各個(gè)階段裂紋形成和產(chǎn)生破壞的原因以及防裂措施。

[關(guān)鍵詞] 混凝土路面 損傷斷裂 疲勞破壞 防裂措施

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。水泥混凝土因取材廣泛、價(jià)格低廉、抗壓強(qiáng)度高、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)，成為建筑結(jié)構(gòu)中使用最廣泛的建筑材料。在高等級(jí)公路建設(shè)中水泥混凝土路面以其強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、耐久性好、養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用低、經(jīng)濟(jì)效益高、有利于夜間行車的特點(diǎn)越來(lái)越受到人們的青睞。但混凝土最主要的缺點(diǎn)是容易開裂，水泥混凝土路面不同于瀝青路面，一旦開始出現(xiàn)局部損壞，若維修不及時(shí)或養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，會(huì)引起極其嚴(yán)重的后果。水泥混凝土路面損壞后修復(fù)困難是限制水泥混凝土路面進(jìn)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，同行們作了大量深入的研究，從混凝土材料組成、力學(xué)機(jī)理及外界因素等各方面分析了混凝土路面的斷裂破壞，并取得了豐富的研究成果，給混凝土路面斷裂處治提供了科學(xué)依據(jù)。本文應(yīng)用損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)和路面破壞的原理，對(duì)混凝土路面損傷斷裂的產(chǎn)生、擴(kuò)展直至破壞的全過(guò)程進(jìn)行分析研究，指出各個(gè)階段混凝土路面裂縫形成的根本原因，以便對(duì)癥下藥采取有效措施進(jìn)行預(yù)防，為混凝土路面抗裂研究和處治提供科學(xué)依據(jù)。

水泥混凝土具有熱脹冷縮和濕脹干縮的特性，在不同的限制條件下，混凝土的變形引起的混凝土開裂的情況也不盡相同。水泥混凝土路面的變形主要體現(xiàn)為收縮變形。在特定條件下，混凝土的收縮變形會(huì)引起混凝土內(nèi)部很大彈性拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土的抗彎拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土面板就會(huì)開裂。其主要影響因素有基層影響、材料影響以及施工影響等。筆者根據(jù)多年來(lái)的施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析出水泥混凝土路面裂縫產(chǎn)生的原因主要有如下6點(diǎn)：

（一）、 基層影響

路面是座落在基層上的。水泥混凝土路面是將水泥直接澆注在凹凸不平的基層上，水泥砂漿將面層、基層形成一個(gè)整體，然而面層與基層接觸面的彈模、泊松比和強(qiáng)度不同于面層的彈模、泊松比和強(qiáng)度，又不同于基層的相應(yīng)指標(biāo)，實(shí)質(zhì)上是一過(guò)渡層，相對(duì)面層而言，該層即為強(qiáng)度薄弱層。時(shí)間一久由于基層和面層各自的彈模、泊松比和強(qiáng)度的增長(zhǎng)速度各自不同，同時(shí)因面層水泥混凝土逐漸凝結(jié)，產(chǎn)生收縮變形，加上溫度的周期性變化，面層與基層之間存在不等量變形。鑒于這些原因，在面板橫縫切割后必然會(huì)導(dǎo)致本來(lái)融為一體的過(guò)渡層沿路面板薄弱層平面開裂和破壞，將面層與基層彼此分離，破壞面處于一種非常光滑的凹凸不平狀態(tài)。凹凸不平的接觸面阻礙了混凝土面板與基層的不均勻脹縮，產(chǎn)生了巨大剪應(yīng)力，直接對(duì)面板施加撕裂破壞?；鶎拥膹?qiáng)度及穩(wěn)定直接關(guān)系到面層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性?；鶎用軐?shí)度壓實(shí)不好，地基強(qiáng)度不均勻，路基填料混雜等都會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降。要保證基層有足夠的穩(wěn)定性和強(qiáng)度的均勻性，壓實(shí)度必須滿足設(shè)計(jì)要求。路基的填筑材料也是影響路面開裂的因素，采用整體性、穩(wěn)定性好，且具有較大剛度的半剛性材料做基層，可以確保混凝土路面使用壽命。如果使用抗沖刷能力低的基層,在滲入水和荷載的共同作用下,基層中的細(xì)料從接縫和裂縫處與水一同噴出,發(fā)生唧泥現(xiàn)象,由于唧泥造成基層沉陷和變形。不能選擇一些不宜做水泥混凝土路面的基層，如水泥穩(wěn)定土和石灰穩(wěn)定土基層,由于水泥土和石灰土的干縮系數(shù)、干縮應(yīng)變以及溫度系數(shù)都較大,且具有遇水表層易軟化和抗沖刷能力差等缺點(diǎn),很容易產(chǎn)生嚴(yán)重的收縮裂縫并影響面層。有時(shí)在路面完成時(shí)灰塊沒(méi)完全消解,體積膨脹造成面層開裂破壞。所以還要做好排水，采取必要的防水排水措施，減少路基受水侵害的影響。同時(shí)，在基層施工中加強(qiáng)基層頂面標(biāo)高、基層平整度的控制，防止混凝土板薄厚不均，受力不勻而產(chǎn)生斷板。如果基層平整度很差，混凝土面層厚度不勻，離散性大，在行車荷載及溫度翹曲應(yīng)力作用下，使路面應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)極限強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在厚度薄弱處產(chǎn)生裂縫。因此，路面基層除了要具有足夠的剛度和強(qiáng)度,還應(yīng)該具有一定的抗沖刷能力。設(shè)置足夠強(qiáng)度和剛度的基層,可以擴(kuò)散面層傳來(lái)的應(yīng)力,減小路基頂面的壓應(yīng)力,并緩和路基不均勻變形對(duì)面層的影響。

（二）、 材料影響

加強(qiáng)對(duì)材料的監(jiān)控。首先，對(duì)進(jìn)廠主要原材料實(shí)行質(zhì)量監(jiān)控，對(duì)擬訂采用的水泥都要進(jìn)行物理性能和化學(xué)分析試驗(yàn)。粗集料(級(jí)配碎石)應(yīng)采用質(zhì)量堅(jiān)硬、耐久潔凈、符合規(guī)定級(jí)配、最大粒徑≤40mm、含泥量≤1%、針片狀顆粒含量≤15%、硫化物及硫酸鹽含量≤1%、石料強(qiáng)度≥3級(jí)的配石。特別要強(qiáng)調(diào)的是片狀石含量應(yīng)嚴(yán)格控制，因?yàn)樗鼫p小了與水泥的粘結(jié)力，從而降低了強(qiáng)度和壽命。細(xì)集料(砂)應(yīng)采用質(zhì)量堅(jiān)硬、耐久潔凈、細(xì)度模數(shù)應(yīng)在2.5-3.2為宜、含泥量≤3%、硫化物及硫酸鹽含量≤1%的天然中砂。

1. 水泥質(zhì)量的好壞對(duì)路面的影響。水泥的品種和細(xì)度將會(huì)影響混凝土拌和物的工作性。如水泥中石膏的摻量控制不嚴(yán)、水泥中的硅酸二鈣和鋁酸三鈣的含量過(guò)高或含有較高的有害雜質(zhì)(如游離氧化鈣、氧化鎂等),會(huì)使混凝土的（物理性能尤其是表面強(qiáng)度）穩(wěn)定性降低,產(chǎn)生過(guò)大收縮；水泥顆粒（級(jí)配）細(xì)度不符合標(biāo)準(zhǔn),水化速度、水泥的需水量、放熱速率和強(qiáng)度的形成等造成不良的影響,會(huì)使水泥的物理性能降低；水泥的安定性差,會(huì)使混凝土凝結(jié)硬化時(shí)的收縮量大,導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生變形膨脹乃至造成開裂；不同標(biāo)號(hào)及不同品種的水泥混用,其硬化時(shí)間及收縮量不一致,也會(huì)使混凝土板產(chǎn)生開裂、松散等破壞。

2. 集料的影響。集料中粗骨料的顆粒形狀和表面特征對(duì)混凝土的抗折、抗壓強(qiáng)度影響較大。如集料中針片狀顆粒含量較少,接近立方體的顆粒較多,且級(jí)配較好時(shí),在同樣水泥漿數(shù)量下,混凝土拌和物可獲得較大的流動(dòng)性,同時(shí)粘聚性和保水性也較好?；炷林屑掀骄狡蠛图?jí)配不良都會(huì)導(dǎo)致集料孔隙過(guò)大、水泥砂漿集中、局部收縮加大,該處的混凝土路面則會(huì)出現(xiàn)裂縫。集料的含砂量過(guò)大,會(huì)影響混凝土的和易性和強(qiáng)度；含砂量過(guò)小,又不利于真空脫水,兩者都會(huì)造成混凝土板的開裂。集料中的雜質(zhì),如云母、粘土、淤泥、有機(jī)物、硫化物、輕物質(zhì)及針片狀等含量偏高會(huì)直接影響混凝土的質(zhì)量,造成板裂和松散。

（三）、混凝土施工質(zhì)量的影響

加強(qiáng)水泥混凝土路面施工工藝各個(gè)環(huán)節(jié)的管理，以減少影響混凝土產(chǎn)生裂縫的因素。

1、降低水泥用量，減少溫度收縮。使用低熱水泥及減少水泥用量可以降低混凝土溫升。水泥水化熱對(duì)混凝土的升溫影響很大，水泥品種不同，水化熱相差很大，所以要使用低熱水泥或中熱水泥。減少水泥用量的主要措施是選擇粗細(xì)骨料級(jí)配良好且最大粒徑盡可能大的骨料。另外采用粗砂比細(xì)砂可以省水泥，滿足混凝土和易性條件下盡可能降低塌落度，這樣可以減少用水量和水泥用量、摻減水劑、也可以減少水泥用量。另外，不同標(biāo)號(hào)及品種的水泥混雜使用，硬化時(shí)間及收縮量不一樣，同樣會(huì)形成裂縫。

2、盡量減少混凝土的單位用水量，控制好坍落度?；炷粮煽s主要是混凝土中多余的水分不斷蒸發(fā)所致。水泥水化所需的水量只有水泥重量的25%左右。而實(shí)際工程上應(yīng)用的水灰比要比這大的多，因而干縮也比較大，因此必須嚴(yán)格控制水灰比，減少混凝土單位用水量。

3、攪拌質(zhì)量的影響。攪拌時(shí)間過(guò)短，則拌合不均勻，造成面層強(qiáng)度相差過(guò)大，硬化時(shí)間及收縮量不同，從而導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生；攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則容易導(dǎo)致骨料破碎、離析，影響混凝土的強(qiáng)度。還要加強(qiáng)對(duì)混凝土配合比的監(jiān)控、檢查原材料計(jì)量。

4、振搗質(zhì)量的影響。嚴(yán)格控制混凝土振搗時(shí)間，既要振搗密實(shí)又要避免過(guò)振，過(guò)振導(dǎo)致離析，則粗骨料下沉，使表面砂漿過(guò)厚，易產(chǎn)生收縮裂縫，影響其強(qiáng)度。振搗不足，易使混凝土中出現(xiàn)氣孔、蜂窩，在行車荷載及自然因素作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致裂縫。另外，混凝土攤鋪一定要平整均勻?；炷帘砻鏉{體不均勻，易產(chǎn)生不均勻干縮，導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。

5、施工天氣影響。高溫施工，混凝土表面積大容易造成迅速失水，引起混凝土表面干縮，產(chǎn)生表面裂紋；風(fēng)雨天施工，如采取措施不當(dāng)灰土、雜物等很容易刮到混凝土板面上，做面時(shí)無(wú)法清除，一旦雨水流入路面砂漿稀釋，使水灰比發(fā)生變化，降低了表面強(qiáng)度增加了收縮。再經(jīng)過(guò)車載的作用極易產(chǎn)生裂紋。因此要盡量避免在高溫和大風(fēng)大雨天氣下施工。

6、養(yǎng)護(hù)的影響?；炷恋酿B(yǎng)護(hù)對(duì)其早期強(qiáng)度增長(zhǎng)防止收縮極為重要。一定要加強(qiáng)混凝土的早期養(yǎng)護(hù)，在表面收漿后盡快覆蓋養(yǎng)護(hù)。同時(shí)必須保證養(yǎng)護(hù)時(shí)間，養(yǎng)護(hù)天數(shù)根據(jù)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)情況定，一般宜為14～21天。應(yīng)加強(qiáng)水泥混凝土路面的初期、中期、后期的養(yǎng)生。

7、切縫的影響。設(shè)置橫向縮縫是為了減小收縮應(yīng)力和翹曲應(yīng)力。修筑的水泥混凝土路面達(dá)到一定長(zhǎng)度,由于切縫時(shí)機(jī)掌握不準(zhǔn),切縫間距過(guò)大或切縫深度不足都可造成混凝土板的橫向開裂。切縫施工是混凝土施工中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，如不加強(qiáng)控制，極易引發(fā)裂縫。

（1）切割時(shí)間。應(yīng)加強(qiáng)切縫時(shí)間的管理，當(dāng)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的25％～30％時(shí)，應(yīng)采用切縫機(jī)進(jìn)行切割。切縫太早，粗骨料會(huì)從砂漿中跳脫；切縫太晚，如果產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于混凝土容許值，混凝土板就會(huì)開裂。氣溫高，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)快，切割時(shí)間要提早。溫差大，切割時(shí)間也要提早。切縫時(shí)間一般遵循的原則是“能切就切，寧早勿晚”。一般應(yīng)在最大拉應(yīng)力出現(xiàn)之前進(jìn)行。施工現(xiàn)場(chǎng)可用指甲劃痕，指甲有磨損感便可切割。切縫機(jī)，宜采用機(jī)型小、轉(zhuǎn)速快、振動(dòng)小的，在混凝土澆筑幾小時(shí)內(nèi)即可切割。

（2）切割深度。切縫深度應(yīng)控制為板厚的1／4～1／5。切得太深，板間的傳荷能力難以得到保證。切得太淺，混凝土截面的強(qiáng)度削弱得不夠，面層上會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則裂縫。

（四）、溫度變化引起的裂縫

混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì)，當(dāng)外部環(huán)境或內(nèi)部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形。若變形遭到約束，則在結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，即產(chǎn)生溫度裂縫。溫度裂縫區(qū)別其他裂縫最主要是將隨溫度變化而擴(kuò)張或合攏。

（五）、在外力荷載作用下裂縫的擴(kuò)展

由于水泥混凝土的抗彎拉強(qiáng)度比其抗壓強(qiáng)度小得多，在車輪荷載的反復(fù)作用下，混凝土路面板受彎拉部分最易產(chǎn)生斷裂而破壞。因此，彎拉應(yīng)力是面板的主要設(shè)計(jì)根據(jù)。為了使混凝土路面板能夠承受荷載的反復(fù)作用而不產(chǎn)生斷裂破壞，因此必須要具有足夠的抗彎拉強(qiáng)度。

1、外力作用下板底裂縫的發(fā)展。由于過(guò)渡層的破壞，面板與基層分離，在路面繼續(xù)脹縮和溫度變形的剪應(yīng)力作用下，其板底微裂紋必將不斷的發(fā)展增多而損傷路面強(qiáng)度。車輛動(dòng)荷載的作用下，路面板會(huì)發(fā)生振動(dòng)，從而反過(guò)來(lái)又作用于行駛其上的車輛，這種車－板之間的耦合作用隨荷載多少和車速的大小、路面平整狀況以及基層材料性能的不同而變化，路面越不平整，車速越高，荷載越大，這種作用會(huì)更加明顯，裂紋的生成和拓展速度亦就越快。

2、板中微裂紋的發(fā)展。由于混凝土本身是一種損傷體，內(nèi)部含有微裂紋、微孔隙，在行車荷載和溫度應(yīng)力的作用下，原有體內(nèi)的彌散裂隙將進(jìn)一步擴(kuò)展，且新的微裂紋又生成、擴(kuò)展，且卸荷后不能愈合。因此導(dǎo)致材料的強(qiáng)度、剛度下降，砼面板損傷度增大，路面板中裂紋會(huì)逐漸發(fā)展和加劇。當(dāng)外力使材料應(yīng)力達(dá)到混凝土拉伸強(qiáng)度值時(shí)微裂紋迅速擴(kuò)展，骨料顆粒與水泥漿基體之間脫粘，則會(huì)出現(xiàn)更多的微裂紋擴(kuò)展匯合成宏觀裂紋。

3、板中裂紋與板底裂紋的貫通。(ａ)板底及板中出現(xiàn)裂紋后，荷載作用下受拉區(qū)應(yīng)力增大，裂紋有向板頂擴(kuò)展的趨勢(shì)。（ｂ）受拉區(qū)受損，承載能力下降，中和軸向板頂移動(dòng)，導(dǎo)致受壓區(qū)增大，該區(qū)受壓區(qū)損傷進(jìn)一步加劇，板中裂紋延長(zhǎng)。（ｃ）路面不平整時(shí)動(dòng)載作用將使這種破壞加劇，板中裂紋加速擴(kuò)展。板底裂紋的向上擴(kuò)展和板中裂紋的進(jìn)一步延長(zhǎng)，必然會(huì)導(dǎo)致兩者在某一應(yīng)力水平下互相連通，從而加劇板的開裂破壞。

4、路面疲勞破壞的過(guò)程描述。在荷載的作用，面板裂縫上下貫通，使路面產(chǎn)生斷裂破壞。疲勞強(qiáng)度是水泥混凝土混凝土路面設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，按斷裂力學(xué)觀點(diǎn)，水泥混凝土路面的疲勞破壞過(guò)程應(yīng)分為兩個(gè)階段：即路面完好無(wú)損至底板表面形成明顯的裂紋階段和裂紋擴(kuò)展至路面板完全斷裂階段，第一階段通常占材料總壽命的80％左右。

（六）、拉桿和傳力桿的影響

脹縫傳力桿的質(zhì)量控制主要有兩點(diǎn)：一是傳力桿的一端應(yīng)涂瀝青且加管套，以保證其伸縮距離；二是傳力桿必須與路面平行保證其伸縮方向。前者處理不好，縫端混凝土將被擠裂。傳力桿與路面不平行，混凝土板伸縮時(shí)，傳力桿對(duì)混凝土板產(chǎn)生壓應(yīng)力，引起混凝土板拉裂。

1、橫向施工縫傳力桿。橫向施工縫傳力桿應(yīng)用光圓鋼筋，且一半涂瀝青，允許滑動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中，施工單位為圖方便，經(jīng)常使用螺紋鋼，且不涂瀝青。施工縫兩邊混凝土澆筑時(shí)間不同，凝結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的收縮不同步，傳力桿不能伸縮，形成薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)混凝土板在荷載或自然因素作用下產(chǎn)生收縮，則在此薄弱環(huán)節(jié)處產(chǎn)生裂縫。

2、縱縫拉桿。縱縫一般有縱向縮縫和縱向施工縫兩種，兩種縱縫均應(yīng)設(shè)置拉桿。拉桿應(yīng)用螺紋鋼，長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，以保證其與混凝土間的粘接力，并且拉桿的直徑與間距也應(yīng)得到保證。如果拉桿不能提供足夠的拉力，混凝土面板收縮時(shí)，縱縫被拉開而形成裂縫。

【 結(jié)束語(yǔ)】

總之，產(chǎn)生水泥混凝土路面板塊裂縫，破壞影響的因素非常多，不僅與設(shè)計(jì)、施工等路面形成前的環(huán)節(jié)有關(guān)，而且與路面形成后的使用、養(yǎng)護(hù)有緊密聯(lián)系。但只要對(duì)病害認(rèn)真調(diào)查分析，研究找出斷裂的主要原因，研究制定防治措施，改進(jìn)設(shè)計(jì)與施工工藝，加強(qiáng)工程管理，各負(fù)其責(zé)、分頭把關(guān)，混凝土路面的開裂病害這一頑疾一定會(huì)得到根治。國(guó)內(nèi)外諸多專家對(duì)此已作了大量而卓有成效的研究，并提出不少有效的防治方法。本文僅從理論的角度定性分析混凝土板的破壞過(guò)程及主要原因，目的是為板的開裂防治提供一些可行的思路。文中的部分分析和見解是基于相關(guān)成果研究并結(jié)合筆者05年監(jiān)理的華南國(guó)際物流中心3棟倉(cāng)庫(kù)工程時(shí)，庫(kù)區(qū)內(nèi)施工的大面積水泥混凝土路面，所出現(xiàn)損傷斷裂情況進(jìn)行分析和整理的。