水泥混凝土路面开裂机理与破坏过程问题分析

李 军

(1.山西省公路工程质量检测中心，山西太原 030006;2.山西路桥集团长临高速公路有限公司，山西太原 030006)

在路面施工建设中，水泥混凝土铺设的路面凭借强度高、稳定性好、维修费用比较低等优点在实际生活中被越来越广泛地利用。但是，这些路面在低应力状况下很容易开裂破坏，极大地限制此路面的推广应用。人们对由水泥混凝土铺设的路面的开裂机理和破坏过程还缺乏深入的了解，这需要我们不断发现、探索。

1 路面的开裂机理

水泥与混凝土铺成的路面开裂的原因我们从三个方面介绍:损伤力学原理、路面裂缝与路面应力。

1.1 损伤力学原理

损伤力学是建立在一个变量场，这个变量场是由所用材料的微缺陷组成，用损伤度衡量材料所受到的伤害程度，根据材料在损伤过程中宏观性能发生变化部分的规律进一步说明材料内部受到的损伤情况。混凝土本身是一种微孔隙的状态，水泥混凝土构成的路面是损伤构件，将损伤度定义为D。S，S*分别为连续介质任何一个单元受到损伤内外法线n的某一截面损伤之前与之后的面积，可知:D=1－S*/S。E为混凝土损伤前的弹性模量，E*=E(1－D)。在车辆荷载与温度应力作用下，路面受到的损伤度将会逐渐变大，在路板裂纹尖端周围的混凝土损伤会使裂纹加剧，最终导致路面开裂，如图1所示。

1.2 路面裂缝

根据混凝土制成的路面内部有杂质、毛细孔、碳化裂缝与干冷裂缝等存在的缺陷的规律发现:杂质、毛细孔与干缩裂缝位于混凝土的内部;碳化裂缝与冷缩裂缝位于混凝土的外部表面。气孔与杂质的分布随着高度的变化呈现出随机性，干缩裂缝与毛细孔的分布和水灰比的高低有关。一般，水灰比较高的地方，颗粒状的水化物比较大，单位结合面积上大晶体之间的结合将会比小晶体结合的取向单一，在相同的剪力下将会更易错位。所以，在水泥与混凝土铺设的路面，水灰比较高的地方，微裂缝与毛细孔相对较多，一些晶体更易错位，强度较低。

图1 路面开裂机理图

混凝土的损伤本质上是内部很多微小缺陷逐渐扩展、汇集，最终使路面的承受力的实际有效面积将会减小。路面最初受到损伤是不均匀的，板底的过渡区最为薄弱。若是路面受到较大的应力下，最先破坏的是过渡区再到其他部位。随着路面荷载的逐渐增大，这些细小的裂缝主要分布在过渡层逐渐形成大的裂缝。

1.3 路面应力

根据材料受到损伤之后的有效应力的计算公式σ=σ＇/(1－D)，如果损伤度发生变化会使材料的有效应力也发生变化。大量的学者做了一些应力试验关于水泥混凝土铺设的路面受到的损伤规律，如图2a)，图2b)所示。

图2 路面应力示意图

从图2a)看出，受到单调荷载的影响，在应力处于某一个阙值之下，水泥混凝土本身的弹性模量不会发生变化。根据公式S×σ=S*×σ＇，我们可以发现材料受到的损伤度是没变化，意味着构件受到的应力的有效面积不发生变化，小裂缝没有扩展。在应力大于某一阙值时，图中曲线的斜率慢慢变小，损伤度逐渐在增大。观察图2b)，我们可以发现在循环拉应力的作用下，荷载低于某一阙值，损伤度不变;荷载高于某一阙值图中曲线的斜率将会减小，损伤度变大。加载次数越多该曲线的起点将会向右移动，这就意味着在混凝土受到损伤后发生了无法恢复的变形。要分析水泥混凝土铺设的路面受到荷载产生损伤的规律，必须先分析路板应力的特点。弹性力学指出如果某处出现裂缝将会重新分配应力，最终使应力集中于裂缝尖端。如果路面出现微小的裂缝，受到荷载作用，这些微小裂缝将会扩展。

2 路面的疲劳破坏

在设计水泥混凝土铺设的路面过程中，疲劳强度是一个很关键指标。从断裂力学的角度出发，路面出现的疲劳破坏可以看作两个阶段:第一，路表面完好无损直到板底表面出现明显裂纹这一过程;第二，裂纹逐渐扩展直到路面完全断裂。一般来说，第一阶段大约占材料寿命80%。人们通常依据应力—寿命的理论，对于最初产生裂纹的循环次数与此裂纹扩展至突然破坏的次数不区分。在设计水泥混凝土铺设的路面没有考虑到在已经产生板底裂纹之后，它的疲劳寿命只是相当阶段二的疲劳次数，忽略这些导致路面发生断裂。根据疲劳方程:logNf=f1－f2(α/fcm)，其中，Nf为在允许范围之内重复荷载的次数;f1，f2均为设计参数;fcm为设定板的弯拉强度;α为弯拉应力。在实际生活中的路面板需要考虑两个方面，第一方面，Nf=Nf1+Nf2，Nf1为路面没有损坏到板底形成裂纹的循环次数;Nf2为裂纹扩展到路面板全部完全断裂时的循环次数，Nf1＞Nf2。若是实际的路板有裂纹，Nf1=0。第二方面，α=α拉，板面的损伤大于在板完好对应的拉应力。综合这两个方面，我们可以发现板面一般受到低水平压力很容易断裂破坏。

3 预防路面开裂的措施

在研究水泥混凝土铺设的路面开裂机理和破坏过程之后，我们需要针对这些问题提出预防措施，以下是我们提出的措施。

3.1 做好路面设计

在设计路面时需要考虑设计的尺寸、混凝土铺设的厚度以及路面的宽度等等，保证在使用年限正常使用。还需要考虑排水系统，保证地表水与地基水不会侵蚀路面、路基。

3.2 在施工中严格把关

在施工过程中，相关的部门要把好原材料与施工质量的检测。如果购进质量低劣的材料，这样的路面的弯拉应力将无法达到设计要求，这会使路面在施工期间产生断裂，因此，要严格按照比例选择原材料，确保施工质量。在施工过程中要严格把握工程的质量，这是确保施工顺利进行的保证。在施工过程中必须经常检查原料的杂质与级配、含泥量，如若发现骨料级配和原试级配不一致时，及时调整相应的配比。此外，还要注意控制水灰比，在使用水泥数量要精确，控制误差在1%内，还要控制水量误差低于1%，控制外加剂误差在2%，严格控制混合料的配比。在进行路面修筑过程中需要振捣密实、均匀，在浇捣过程中，振捣棍慢拔快插，正确把握振捣力度、时间，尽量避免漏振、过振，速度均匀且缓慢，此过程要连续进行再进行二次振捣，排出夹杂在混凝土内的水分与气泡。

3.3 控制好基层

如果基层表面处于凹凸不平的状态，路面和基层之间的摩擦力越来越大，这样会在摩擦力较大的区域形成开裂，这就要求基层的压实程度必须达到标准的压实值与弯沉值，确保路基稳定。

3.4 及时准确切缝

预防裂缝最有效的措施是准确、及时地切缝，切缝时间必须在产生最高收缩应力前，水泥混凝土达到1.1 MPa～1.4 MPa的抗压度，及时切缝，切缝的深度在板厚的1/4～1/3，避免太深或是太浅，避免产生不规则的裂纹。

3.5 养护好混凝土

新浇筑的混凝土必须及时覆盖养护，定期定时进行洒水养护混凝土，保证混凝土外部处于湿润的状态，必须等到混凝土到设计时弯拉强度之后才可允许车辆通过。在施工的过程中要做好细节处理，根据实际情况做好适当地调整。

影响混凝土路面断裂与破坏的因素有很多而且比较复杂，目前国内外很多专家对于这方面做了很多研究并提出很多有效的防治措施。本文从理论上介绍混凝土路面开裂的机理，路面破坏实际上是一些微裂纹产生、扩展、贯穿最终出现宏观裂缝，这也是路面稳定性被破坏、断裂的过程。随着我们不断研究混凝土的性质，技术不断提高，我们相信这些混凝土开裂带来的问题最终会得到圆满解决。

［1］王 猛，董海峰.水泥混凝土面层板块裂缝原因及预防措施［J］.民营科技，2010(6):296.

［2］陈 瑶.高等级公路水泥混凝土路面早期破坏处治技术研究［J］.科技创新导报，2011(29):55.

［3］刘 涛.水泥混凝土路面破坏原因分析及应对措施［J］.科技风，2010(1):160.

［4］罗 洪.水泥混凝土路面裂缝成因及控制措施［J］.黑龙江科技信息，2010(31):313.