李 軍

(1.山西省公路工程質(zhì)量檢測中心，山西太原 030006;2.山西路橋集團長臨高速公路有限公司，山西太原 030006)

在路面施工建設(shè)中，水泥混凝土鋪設(shè)的路面憑借強度高、穩(wěn)定性好、維修費用比較低等優(yōu)點在實際生活中被越來越廣泛地利用。但是，這些路面在低應(yīng)力狀況下很容易開裂破壞，極大地限制此路面的推廣應(yīng)用。人們對由水泥混凝土鋪設(shè)的路面的開裂機理和破壞過程還缺乏深入的了解，這需要我們不斷發(fā)現(xiàn)、探索。

1 路面的開裂機理

水泥與混凝土鋪成的路面開裂的原因我們從三個方面介紹:損傷力學(xué)原理、路面裂縫與路面應(yīng)力。

1.1 損傷力學(xué)原理

損傷力學(xué)是建立在一個變量場，這個變量場是由所用材料的微缺陷組成，用損傷度衡量材料所受到的傷害程度，根據(jù)材料在損傷過程中宏觀性能發(fā)生變化部分的規(guī)律進一步說明材料內(nèi)部受到的損傷情況?；炷帘旧硎且环N微孔隙的狀態(tài)，水泥混凝土構(gòu)成的路面是損傷構(gòu)件，將損傷度定義為D。S，S*分別為連續(xù)介質(zhì)任何一個單元受到損傷內(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)。在車輛荷載與溫度應(yīng)力作用下，路面受到的損傷度將會逐漸變大，在路板裂紋尖端周圍的混凝土損傷會使裂紋加劇，最終導(dǎo)致路面開裂，如圖1所示。

1.2 路面裂縫

根據(jù)混凝土制成的路面內(nèi)部有雜質(zhì)、毛細孔、碳化裂縫與干冷裂縫等存在的缺陷的規(guī)律發(fā)現(xiàn):雜質(zhì)、毛細孔與干縮裂縫位于混凝土的內(nèi)部;碳化裂縫與冷縮裂縫位于混凝土的外部表面。氣孔與雜質(zhì)的分布隨著高度的變化呈現(xiàn)出隨機性，干縮裂縫與毛細孔的分布和水灰比的高低有關(guān)。一般，水灰比較高的地方，顆粒狀的水化物比較大，單位結(jié)合面積上大晶體之間的結(jié)合將會比小晶體結(jié)合的取向單一，在相同的剪力下將會更易錯位。所以，在水泥與混凝土鋪設(shè)的路面，水灰比較高的地方，微裂縫與毛細孔相對較多，一些晶體更易錯位，強度較低。

圖1 路面開裂機理圖

混凝土的損傷本質(zhì)上是內(nèi)部很多微小缺陷逐漸擴展、匯集，最終使路面的承受力的實際有效面積將會減小。路面最初受到損傷是不均勻的，板底的過渡區(qū)最為薄弱。若是路面受到較大的應(yīng)力下，最先破壞的是過渡區(qū)再到其他部位。隨著路面荷載的逐漸增大，這些細小的裂縫主要分布在過渡層逐漸形成大的裂縫。

1.3 路面應(yīng)力

根據(jù)材料受到損傷之后的有效應(yīng)力的計算公式σ=σ＇/(1－D)，如果損傷度發(fā)生變化會使材料的有效應(yīng)力也發(fā)生變化。大量的學(xué)者做了一些應(yīng)力試驗關(guān)于水泥混凝土鋪設(shè)的路面受到的損傷規(guī)律，如圖2a)，圖2b)所示。

圖2 路面應(yīng)力示意圖

從圖2a)看出，受到單調(diào)荷載的影響，在應(yīng)力處于某一個闕值之下，水泥混凝土本身的彈性模量不會發(fā)生變化。根據(jù)公式S×σ=S*×σ＇，我們可以發(fā)現(xiàn)材料受到的損傷度是沒變化，意味著構(gòu)件受到的應(yīng)力的有效面積不發(fā)生變化，小裂縫沒有擴展。在應(yīng)力大于某一闕值時，圖中曲線的斜率慢慢變小，損傷度逐漸在增大。觀察圖2b)，我們可以發(fā)現(xiàn)在循環(huán)拉應(yīng)力的作用下，荷載低于某一闕值，損傷度不變;荷載高于某一闕值圖中曲線的斜率將會減小，損傷度變大。加載次數(shù)越多該曲線的起點將會向右移動，這就意味著在混凝土受到損傷后發(fā)生了無法恢復(fù)的變形。要分析水泥混凝土鋪設(shè)的路面受到荷載產(chǎn)生損傷的規(guī)律，必須先分析路板應(yīng)力的特點。彈性力學(xué)指出如果某處出現(xiàn)裂縫將會重新分配應(yīng)力，最終使應(yīng)力集中于裂縫尖端。如果路面出現(xiàn)微小的裂縫，受到荷載作用，這些微小裂縫將會擴展。

2 路面的疲勞破壞

在設(shè)計水泥混凝土鋪設(shè)的路面過程中，疲勞強度是一個很關(guān)鍵指標。從斷裂力學(xué)的角度出發(fā)，路面出現(xiàn)的疲勞破壞可以看作兩個階段:第一，路表面完好無損直到板底表面出現(xiàn)明顯裂紋這一過程;第二，裂紋逐漸擴展直到路面完全斷裂。一般來說，第一階段大約占材料壽命80%。人們通常依據(jù)應(yīng)力—壽命的理論，對于最初產(chǎn)生裂紋的循環(huán)次數(shù)與此裂紋擴展至突然破壞的次數(shù)不區(qū)分。在設(shè)計水泥混凝土鋪設(shè)的路面沒有考慮到在已經(jīng)產(chǎn)生板底裂紋之后，它的疲勞壽命只是相當(dāng)階段二的疲勞次數(shù)，忽略這些導(dǎo)致路面發(fā)生斷裂。根據(jù)疲勞方程:logNf=f1－f2(α/fcm)，其中，Nf為在允許范圍之內(nèi)重復(fù)荷載的次數(shù);f1，f2均為設(shè)計參數(shù);fcm為設(shè)定板的彎拉強度;α為彎拉應(yīng)力。在實際生活中的路面板需要考慮兩個方面，第一方面，Nf=Nf1+Nf2，Nf1為路面沒有損壞到板底形成裂紋的循環(huán)次數(shù);Nf2為裂紋擴展到路面板全部完全斷裂時的循環(huán)次數(shù)，Nf1＞Nf2。若是實際的路板有裂紋，Nf1=0。第二方面，α=α拉，板面的損傷大于在板完好對應(yīng)的拉應(yīng)力。綜合這兩個方面，我們可以發(fā)現(xiàn)板面一般受到低水平壓力很容易斷裂破壞。

3 預(yù)防路面開裂的措施

在研究水泥混凝土鋪設(shè)的路面開裂機理和破壞過程之后，我們需要針對這些問題提出預(yù)防措施，以下是我們提出的措施。

3.1 做好路面設(shè)計

在設(shè)計路面時需要考慮設(shè)計的尺寸、混凝土鋪設(shè)的厚度以及路面的寬度等等，保證在使用年限正常使用。還需要考慮排水系統(tǒng)，保證地表水與地基水不會侵蝕路面、路基。

3.2 在施工中嚴格把關(guān)

在施工過程中，相關(guān)的部門要把好原材料與施工質(zhì)量的檢測。如果購進質(zhì)量低劣的材料，這樣的路面的彎拉應(yīng)力將無法達到設(shè)計要求，這會使路面在施工期間產(chǎn)生斷裂，因此，要嚴格按照比例選擇原材料，確保施工質(zhì)量。在施工過程中要嚴格把握工程的質(zhì)量，這是確保施工順利進行的保證。在施工過程中必須經(jīng)常檢查原料的雜質(zhì)與級配、含泥量，如若發(fā)現(xiàn)骨料級配和原試級配不一致時，及時調(diào)整相應(yīng)的配比。此外，還要注意控制水灰比，在使用水泥數(shù)量要精確，控制誤差在1%內(nèi)，還要控制水量誤差低于1%，控制外加劑誤差在2%，嚴格控制混合料的配比。在進行路面修筑過程中需要振搗密實、均勻，在澆搗過程中，振搗棍慢拔快插，正確把握振搗力度、時間，盡量避免漏振、過振，速度均勻且緩慢，此過程要連續(xù)進行再進行二次振搗，排出夾雜在混凝土內(nèi)的水分與氣泡。

3.3 控制好基層

如果基層表面處于凹凸不平的狀態(tài)，路面和基層之間的摩擦力越來越大，這樣會在摩擦力較大的區(qū)域形成開裂，這就要求基層的壓實程度必須達到標準的壓實值與彎沉值，確保路基穩(wěn)定。

3.4 及時準確切縫

預(yù)防裂縫最有效的措施是準確、及時地切縫，切縫時間必須在產(chǎn)生最高收縮應(yīng)力前，水泥混凝土達到1.1 MPa～1.4 MPa的抗壓度，及時切縫，切縫的深度在板厚的1/4～1/3，避免太深或是太淺，避免產(chǎn)生不規(guī)則的裂紋。

3.5 養(yǎng)護好混凝土

新澆筑的混凝土必須及時覆蓋養(yǎng)護，定期定時進行灑水養(yǎng)護混凝土，保證混凝土外部處于濕潤的狀態(tài)，必須等到混凝土到設(shè)計時彎拉強度之后才可允許車輛通過。在施工的過程中要做好細節(jié)處理，根據(jù)實際情況做好適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。

影響混凝土路面斷裂與破壞的因素有很多而且比較復(fù)雜，目前國內(nèi)外很多專家對于這方面做了很多研究并提出很多有效的防治措施。本文從理論上介紹混凝土路面開裂的機理，路面破壞實際上是一些微裂紋產(chǎn)生、擴展、貫穿最終出現(xiàn)宏觀裂縫，這也是路面穩(wěn)定性被破壞、斷裂的過程。隨著我們不斷研究混凝土的性質(zhì)，技術(shù)不斷提高，我們相信這些混凝土開裂帶來的問題最終會得到圓滿解決。

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