水泥混凝土路面的层间基本破坏形式探析

张春芳

(保定市清苑县交通局)

1 水泥混凝土路面的层间破坏的三种基本破坏形式

1.1 三种基本破坏形式存在的必然性

水泥混凝土路面的破坏必然从层间相互作用开始,在水泥混凝土路面的各种破坏形式中,一定存在基本的破坏形式,看似繁杂的各种破坏形态总是从基本破坏演化而来。路面的层间从结合到分离再到衍生出其他破坏,这一过程虽然复杂,但只要找出基本破坏形式,并研究其演化规律,就能认识各种破坏的一般规律。

按水泥混凝土路面传统方法施工,水泥浆必然进入基层,形成面层与基层的初始结合状态,没有水泥浆进入基层,就没有层间界面连结状态的形成,因此,水泥浆渗入基层是面层与基层形成层间初始连结状态的必要条件。面层与基层的初始状态是连为一体的,但其层间紧密结合的初始状态难以保持,面层与基层之间最终要分离。

1.2 “强连结”和界面“弱连结”

面层与基层界面连结情况分为界面“强连结”和界面“弱连结”。界面“强连结”是指界面连结强度(粘结强度)高于被连结的两物体中任一物体的剪切强度(若界面为剪切破坏)或拉伸强度(若界面为拉伸破坏),界面强连结的破坏特征不是表现为界面本身的破坏,而是被连结的物体(或者其中之—)在连结界面附近的破坏;界面“弱连结”是指界面连结强度低于被连结的两物体的强度(剪切强度或拉伸强度),界面弱连结的破坏特征表现为界面本身的破坏。

1.3 三种基本破坏形式发生的提出

在荷载、温度和环境因素的作用下,面层与基层将相互作用,由于面层与基层是不同的结构层,它们的材料特性不同,这种相互作用将使面层与基层从初始的结合状态发展演变,直至产生相互破坏。

从力学上看,路面层间紧密结合的初始状态于面层是最有利的,但是,路面的层间破坏有其自身的规律,路面层间紧密结合的初始状态难以保持,按现行施工方法将水泥混凝土直接浇筑在基层表面,不可避免地将发生三种基本破坏形式。

第一种基本破坏形式:面层与基层在割缝两端的界面分离,在界面间形成水平裂缝并进一步发展 。界面“弱连结”时,界面直接分开;界面“强连结”时,界面沿过渡层分开。

第二种基本破坏形式:因割缝产生的收缩裂缝截面处基层竖向开裂,继而断开。

第三种基本破坏形式:面层与基层部分分离形成第一种基本破坏形式后,水平裂缝扩展一定距离后偏转侵入基层。

2 三种基本破坏形式发生的变形协调机理

从变形协调角度看,第一种基本破坏形式必然会发生。

面层割缝后,在割缝顶点将出现裂纹,裂纹将随着收缩荷载的作用逐渐扩大贯穿面层,如图 1所示。在裂纹贯穿面层的瞬间,面层与基层相交处裂纹的两端面上的A、B两点必然出现相对位移(只要出现贯穿板厚的宏观裂纹,则A、B两点就有相对位移),A、B两点在未裂开前是同一点,A、B两点的相对位移也是面层在裂纹断面两端产生的相对移动,要产生这种移动,要么裂纹扩展至基层,要么在裂纹断面附近出现面层与基层的分离。如果 A、B分开(开裂而产生的相对位移)基层又完好无开裂,则 A、B两点一定沿基层有相对滑动,否则将违反变形规律,这种相对滑动预示面层与基层沿裂纹两端一定范围内分离(图 2a)。因此,面层裂缝向下发展,在裂缝断面的基层不开裂的情况下,第一种基本破坏形式必然发生,否则,面层与基层之间的变形协调关系便不能保持。

面层与基层部分分离形成第一种基本破坏形式后,形成水平裂缝,水平裂缝很容易扩展一定距离后偏转侵入更为薄弱的基层中去,第三种基本破坏形式就必然发生。

图1 第一、二种基本破坏形式的产生

第二种基本破坏形式发生也有其必然性,其变形协调机理如下。

裂纹贯穿面层的瞬间,面层在 A、B点分开,如果面层与基层沿界面不分离,始终保持完全连结,即面层相对于基层无滑动,那么基层在A、B的位移必然要和面层在 A、B点的位移一致,随着面层与基层交界处A、B点的分开(裂开),基层也必然在 A、B处裂开。因此,面层裂缝向下发展,在裂缝断面下的面层与基层界面不分离的情况下,第二种基本破坏形式必然发生。

3 三种基本破坏形式发生的应力强度机理

3.1 第一种基本破坏形式发生的应力强度机理

一般而言,面层因收缩等处于受拉状态时,任一断面上的回复力由面层底面界面水平方向的剪力平衡,但回复力与剪力不在同一直线上,两者形成一弯矩,这一弯矩是由板端头底面的法向拉力和板中部底面的法向压力形成的弯矩来平衡。随着裂纹的向下发展,回复力逐渐下移,板底法向拉力逐渐减小,裂纹贯穿面层的瞬间,回复力几乎与界面剪力平衡,法向拉力趋近为零,回复力非常大,对应的剪应力也非常大,并且最大剪力出现在裂纹断面附近,此时最大剪应力峰值很大,已超过面层与基层之间的剪切强度,无法平衡回复力,面层与基层必然沿界面剪开(分开)而分离,发生第一种基本破坏形式。

对完全连接在刚度无限大的基层上的有限尺寸的面板,当温度下降 15°时,如取混凝土弹性模量为 3×104MPa。泊松比为 0.15,混凝土线膨胀系数为 1×10-5,根据收缩应力的计算公式为

则其最大收缩应力应为5.29MPa,即:1m2的路面断层上拉应力的合力为 529t,这一应力一般已达到混凝土面层的设计强度。即使这一应力不致使混凝土路面断裂,也将使面层与基层沿界面分离,当温度均匀下降产生的均布拉应力为5.29MPa时,断面为3.5m×0.25m的面层中拉应力的合力为 463t。由板长方向力的平衡条件可知,这 463t的拉力由面层与基层之间的剪力来平衡,平衡拉力的剪力主要集中在板端很短的范围内,剪应力的峰值非常大,将超过界面剪切强度而使面层与基层分离。

3.2 第二种基本破坏形式发生的应力强度机理

无论剪力是否超过面层与基层之间的剪切强度,当面层中的裂纹尖端无限趋近于面层与基层界面时,裂尖的应力集中将传递到基层,同时沿裂尖两侧的界面上有相反方向的剪力作用,相向的剪力各自叠加后都很大,相向剪力叠加后作用的结果也将使基层产生显著的拉应力。两种拉应力再叠加后,面层裂纹截面所对应的基层过渡层顶面的拉应力非常大,此时的拉应力已超过界面过渡层拉伸强度,因此基层必然会开裂,第二种基本破坏形式必然出现。

应力强度分析表明,在现行路面结构施工良好的情况下,即面层与基层粘结较好,此时第一种基本破坏形式和第二种基本破坏形式的发生均具有必然性,并且第一、二基本破坏形式往往同时发生。如果面层与基层完全粘结,裂纹或断缝尖端有应力集中现象,基层中产生较大拉应力与界面中产生的较大剪切应力都远超过其自身的抗拉强度或剪切强度,因此往往同时发生基层的断裂与界面的剪切破坏。

3.3 第三种基本破坏形式发生的应力强度机理

当剪力使面层与基层部分剪开形成水平界面裂纹后,裂纹面上的剪力释放,但面层与基层未脱开的部分仍存在剪应力和拉应力,对基层而言,界面剪应力和拉应力的共同作用,将使裂纹偏离界面,沿主拉应力方向侵入基层,发生第三种基本破坏形式。

隔离层材料的作用在于使面层与基层隔离并保持光滑接触,使面层与基层之间不形成薄弱过渡层,避免面层与基层之间相互破坏影响,提高路面材料性能和结构性能。

隔离层材料的选材需满足三个条件:第一,隔离层必须能够完全割断水泥砂浆进入基层;第二,隔离层必须足够薄,仅起分离界面的作用;第三,隔离层必须是在基层表面形成后加铺上去,不与基层表面粘结的薄膜类产品。

4 结 语

无论从变形协调的观点还是从受力的角度看,上述三种破坏形式均是最基本的,其他更复杂的破坏形式是这三种破坏形式的组合或进一步发展。在路面结构的实际破坏中这三种基本破坏形式往往同时存在,三种基本破坏形式将导致水泥混凝土路面出现断角、断板、错台、脱空等各种破坏。设置隔离层的水泥混凝土路面结构可以防止路面病害发生,提高路面承载能力。

[1] 水泥混凝土路面面层与基层相互作用引起的基本破坏形式[J].黑龙江交通科技,2005,(10).

[2] 刘鸿文.材料力学(上、下)[M].高等教育出版社,1992: 21-22.

[3] 路基路面工程[M].上海:同济大学出版社,1992:76-80.