譚中杰

（重慶市設(shè)計院，中國 重慶 400015）

0 引言

水泥混凝土路面承受著包括履帶車和防滑帶釘輪胎在內(nèi)輪胎磨耗作用，處于表層的功能構(gòu)造與輪胎胎面直接接觸，首當(dāng)其沖遭到破壞。

1 路面混凝土表面構(gòu)造特點及破壞影響因素

1.1 氣溫影響

水泥混凝土是體積敏感性材料。水泥混凝土路面直接受環(huán)境溫度變化的影響而發(fā)生溫度的日變化和年變化，大氣變化的影響程度隨距離路表的深度而逐漸減弱。溫度狀況隨時間和深度的變化，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力梯度，使得表層混凝土功能構(gòu)造出現(xiàn)相對于核心處混凝土結(jié)構(gòu)的脹縮變形。這些表面構(gòu)造的相對變形受到下層混凝土板的整體約束作用，混凝土表面會產(chǎn)生膨脹壓應(yīng)力、收縮拉應(yīng)力和翹曲應(yīng)力。由于路表構(gòu)造載體是組成各種紋理的面層混凝土，具有不均勻的結(jié)構(gòu)，故這種內(nèi)應(yīng)力的變化會在表面構(gòu)造薄弱環(huán)節(jié)處首先產(chǎn)生裂縫，然后隨時間發(fā)展造成整個表層剝落。

1.2 自然環(huán)境影響

1.2.1 凍融循環(huán)

1.2.2 環(huán)境水的作用

1.2.3 風(fēng)化作用

1.2.4 碳化作用

1.3 行車作用影響

行車對表面構(gòu)造的破壞作用包括荷載和輪胎兩方面的影響。行車荷載是直接作用在路面上的主要外界因素，也是促使路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損壞的主要肇因。荷載經(jīng)由輪胎傳給路面，輪胎與路面的接觸壓應(yīng)力以及輪胎的變形情況對路面表面紋理構(gòu)造的受力及變形有直接影響。

1.4 表面工藝影響

為保證水泥混凝土路面滿足抗滑、排水性能的要求，表面一般都做功能構(gòu)造，如拉毛、刻槽、拉槽、露石等形式，不同的表面功能構(gòu)造在輪胎荷載下有不同的受力形式，耐久性程度也不同。施工成型工藝(如真空脫水、靜壓抹面)關(guān)系到表層混凝土的水灰比、密實程度，從而影響其強(qiáng)度。抹面方式及次數(shù)影響到表面混凝土的含水量，二次抹面能夠減少空隙微裂縫等原生缺陷，使表層混凝土密實，提高功能持久性。

1.5 養(yǎng)護(hù)影響

養(yǎng)護(hù)工藝對表面構(gòu)造的影響主要在于養(yǎng)護(hù)期間保證強(qiáng)度增長，覆蓋灑水養(yǎng)生保證混凝土早期強(qiáng)度形成，以使得路面在通車后能夠有足夠的強(qiáng)度承受荷載和抵抗輪胎磨耗。如果養(yǎng)護(hù)措施不當(dāng)，對表層混凝土強(qiáng)度的增長有很大的不利影響，表面往往會出現(xiàn)干縮裂紋甚至塑性收縮裂紋。冬季施工的路面如果保溫措施不當(dāng)，可能出現(xiàn)早期凍害，尤其以表層混凝土最嚴(yán)重。

2 水泥混凝土路面磨損機(jī)理

2.1 粘著磨損

2.1.1 機(jī)理

由于路面表面是粗糙構(gòu)造，在輪胎與路面相互接觸時，并非完全接觸而是在一些凸出點上首先接觸，在法向載荷作用下，接觸點的壓力很大，接觸點的變形將導(dǎo)致凸出的部分被破壞，于是輪胎與路面直接接觸，在接觸點上的顆粒被粘附到輪胎上。滑動時，粘著點發(fā)生剪切和材料的轉(zhuǎn)移，同時，在臨近區(qū)域新的粘著點又可能形成。所以，粘著磨損的過程可描述為：路面表面產(chǎn)生相對滑動時發(fā)生粘著，粘著點被剪切和轉(zhuǎn)移，然后再粘著、再剪切、轉(zhuǎn)移，最后使得摩擦表面破壞并形成磨屑。因此，粘著磨損的大小與粘著點的剪切位置有關(guān)。

2.1.2 影響因素

粘著磨損材料損失量與所加法向荷載和摩擦距離長度成正比，荷載越大，摩擦距離越長，損失越多；另外，損失量還與二者實際接觸面積有關(guān)。對材料而言，脆性材料比塑性材料更能抵抗粘著磨損的影響，因此，水泥混凝土路面的粘著磨損相對較小。

2.2 磨粒磨損

2.2.1 機(jī)理

通過借鑒其他材料磨粒磨損機(jī)理的分析方法，可以將水泥混凝土路面表面功能構(gòu)造的磨粒磨損機(jī)理分為以下部分：

第一，微觀切削磨損。

磨粒在材料表面的作用力分為法向力和切向力兩個分力。法向力使磨粒壓入表面；切向力使磨粒向前滑動，當(dāng)磨粒形狀與運(yùn)動方向適當(dāng)時，磨粒如同刀具一樣，在表面進(jìn)行切削而形成切屑。但這種切屑的寬度和深度都很小，因此切削也很小，所以稱之為微觀切削。

第二，重復(fù)塑變磨損。

塑性變形降低了材料應(yīng)力重分配的能力，有些截面由于應(yīng)力集中而逐漸喪失塑性并轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，在沖擊力作用下裂斷成磨屑。

第三，微觀斷裂磨損。

磨損時由于磨粒壓入被磨材料表面而具有靜水壓的應(yīng)力狀態(tài)，所以大多數(shù)材料都會發(fā)生塑性變形。但是有些材料尤其是脆性材料，可能是斷裂機(jī)理占主要地位。對水泥混凝土這種脆性材料來說，磨粒對其表面擠壓會形成明顯的表面裂紋，而且斷裂韌性越低，裂紋也就越長。

2.2.2 影響因素

1）硬度：磨粒磨損與水泥混凝土表層的硬度有關(guān)，但由于水泥漿的存在，一般條件下混凝土表層的硬度難以超過磨粒硬度；從磨粒導(dǎo)致表層混凝土變形的角度分析，降低彈性模量，增大水泥混凝土表面彈塑性變形能讓磨粒從摩擦界面通過，則可避免被磨表面被犁削，從而可提高抗磨損能力。

2）磨粒尺寸與幾何形狀：磨料磨損過程中，磨料尺寸對耐磨，存在一個臨界尺寸。當(dāng)磨粒尺寸在臨界尺寸以下時，體積磨損量隨磨粒尺寸的增大而增加；當(dāng)磨粒尺寸超過臨界尺寸時，磨損體積量增加的幅度呈明顯降低趨勢，不同物質(zhì)構(gòu)成的材料其直線斜率不同，臨界尺寸也有區(qū)別。磨粒的幾何形狀對磨損率也有較大的影響，特別是磨粒為銳角時更為明顯。

2.3 疲勞磨損

2.3.1 機(jī)理

水泥混凝土路面承受的最大法向正應(yīng)力雖然就在表面上，但最大剪應(yīng)力卻發(fā)生在表層以下的次表面層，在受力點前后分別形成壓力區(qū)和拉力區(qū)，由于接觸應(yīng)力的移動和反復(fù)作用，水泥混凝土表面不斷承受著壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的交替循環(huán)，形成周期性擾動。同時水泥混凝土在硬化過程中，由于干燥收縮、溫度應(yīng)力及界面不均勻等原因，將產(chǎn)生許多微裂紋等原生缺陷，而這些原生缺陷則成為磨損時循環(huán)擾動力的疲勞裂縫引發(fā)源，可導(dǎo)致表層裂縫的擴(kuò)展，最終引起路面表層的局部斷裂。當(dāng)疲勞裂縫擴(kuò)展后，砂漿因嵌埋不深極易脫落。

2.3.2 影響因素

1）水泥混凝土材料自身性能：水化作用充分、密實性好、空隙連通等原生缺陷少的混凝土，耐疲勞磨損性能就好。疲勞磨損與材料的斷裂韌性有很大關(guān)系，加強(qiáng)施工質(zhì)量控制中減少孔隙、微裂縫等原生缺陷，提高均勻性，增強(qiáng)非均質(zhì)界面的薄弱區(qū)，增大韌性，降低脆性，則可有效改善水泥混凝土的抗疲勞磨損性能。

2）路面荷載的影響：重載車輛對路面表面的沖擊大，容易加劇表面構(gòu)造的疲勞磨損。

3）路面表面狀況：表面粗糙程度對疲勞磨損影響很大。出于表面功能的需要，水泥混凝土路面需要粗糙的表面構(gòu)造，因此疲勞磨損所占比重較大，因此提高水泥混凝土路面表面功能構(gòu)造的抗沖擊韌性和斷裂性能顯得尤為重要。

2.4 腐蝕磨損

當(dāng)接觸界面相互之間存在可產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)（如侵蝕水、除冰鹽），經(jīng)接觸、滑動摩擦造成磨損，在表面形成反應(yīng)物且演變?yōu)槟ノg殘留物或形成更大的顆粒停留在摩擦界面上。

此外，高速行駛的汽車如遇到路面凹凸不平時會產(chǎn)生負(fù)壓，在反復(fù)負(fù)壓作用下，路面會出現(xiàn)類似水工混凝土結(jié)構(gòu)物遭遇含砂水流那樣的空蝕效果，形成空洞。

3 結(jié)束語

總之，水泥混凝土路面長期暴露在自然環(huán)境中，持續(xù)受到車輛輪胎磨耗與沖擊作用，此外還會受到環(huán)境介質(zhì)對混凝土的侵蝕、對于季凍區(qū)混凝土路面還必須具備抵抗凍融循環(huán)的能力，因此，處于水泥混凝土路面表層的功能構(gòu)造的必須具備良好的耐久性。

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