水泥混凝土路面断裂力学的应用现状及前景

王荣

（武夷学院土木工程与建筑学院，福建武夷山354300）



水泥混凝土路面断裂力学的应用现状及前景

王荣

（武夷学院土木工程与建筑学院，福建武夷山354300）

摘要：总结断裂力学应用于水泥混凝土路面断裂性能的研究现状，包括水泥混凝土路面断裂力学参数的常用模型、试验方法等。基于对研究现状的总结，该领域的水泥混凝土路面的标准断裂模型和试验方法有待形成。

关键词：断裂力学；水泥混凝土路面；断裂模型；断裂性能

近年来，随着重载交通和大流量交通成为公路运输的主要特点，普通混凝土路面材料的一些缺点和不足逐渐的暴露出来，其中水泥混凝土路面板的早期断裂是水泥混凝土路面在使用过程中所体现出来的最主要的路面病害问题之一。

混凝土材料由于浇注时的泌水作用和干燥期间的收缩受到硬骨料的限制，先天性有许多微裂。当其扩展为宏观裂缝后，结构易发生低应力脆断，传统力学和强度理论在研究混凝土的断裂机理问题时，暴露出不足。

断裂力学承认结构中含有宏观裂缝，将远离裂缝端的广大区域仍假定为均质连续体，它适用于材料本身对脆断敏感，且带有宏观裂缝的缺陷体。因此，断裂力学理论与水泥混凝土路面之间建立某种联系，对水泥混凝土路面研究具有重要意义。

1 断裂力学在水泥混凝土路面的应用研究现状

1.1 通过断裂力学参数研究水泥混凝土路面断裂机理

1.1.1 断裂模型的选取

由于水泥混凝土是准脆性材料，且路面板是有典型的薄板结构，因此，断裂力学理论适用于水泥混凝土路面上，必须选用与混凝土材料实际行为更为接近的非线性断裂模型，并且该模型要能够有效避免尺寸效应，这样，尺寸效应造成的名义应力问题才能得以解决。

Bazant提出的尺寸效应律［1］，被研究者广泛借用或者修正，例如，美国伊利诺伊大学的Shreenath Rao 和Jeffery RoesLer［2］通过修正尺寸效应律公式，得到的断裂韧度能够从本质上不依赖于试件的尺寸，仅仅作为一种混凝土材料本身的固有属性。尺寸效应造成的名义应力问题得到一定的解决，获得能够较好表征水泥混凝土路面断裂问题的断裂力学参数。

由我国徐世烺教授等提出的双K模型以及新KR阻力曲线模型，能较好表征混凝土的裂缝发展。双K模型提出了裂缝扩展过程中用应力强度因子表述的两个关键控制参数的概念，即起裂韧度K和失稳韧度K，在实际工程应用中，K≤K可作为重要结构裂缝扩展稳定性的判断准则；K＜K＜K可作为主要结构失稳扩展前的安全警报；K=K可作为一般结构裂缝扩展的判断准则［3］。

新KR阻力曲线模型，是通过三点弯曲切口梁在单调加载下的荷载—裂缝口张开位移曲线（PCMOD），用解析法计算混凝土断裂全过程的阻力曲线。由两部分组成：一部分为起裂前混凝土本身所固有的抗裂能力，称为起裂韧度K；另一部分是由粘聚力提供的阻力，它与混凝土的抗拉强度ft、粘聚力f（σ）及有效裂缝长度a有关，称为KC（ft，f（σ），a）［4］，KR阻力曲线可表示为：

除此之外，由断裂能定义直接推导获取断裂参数，也成为路面研究者使用的方法之一。但该方法需要繁琐的数学推导及计算，同时由于该法只能针对某一具体研究对象，通过推导得到相应的公式，适用性问题暂无法得到广泛的验证。

1.1.2 试验方法

国际材料和结构试验室联合会（RILEM）推荐的断裂力学试验方法为楔入劈拉试验与三点弯曲梁试验。由于三点弯曲梁试验的结构形式简单、便于浇注等优点，国内外多数学者通过三点弯曲梁试验获取断裂力学参数。标准楔入劈拉试验虽结构形式略微复杂，但试验结果稳定，并能同时获取断裂能及断裂韧度参数。

其次，部分学者根据研究目标的不同在标准楔入劈拉试验的基础上进行改良，使得试验结果更加贴合路面断裂问题。例如，Tschegg E K在对路面夹层的断裂力学行为研究中［5］，采用改进的楔入劈拉方法进行断裂能的获取。由于试件是现场取芯，能够有效减小试件的变异性，对路面加铺层结构的开裂行为描述更加贴切。但是该方法比标准楔入劈拉试验过程复杂，未被研究者广泛采用。

1.2 预估路面板的疲劳寿命

基于断裂参数的获取，研究者进一步通过断裂参数与疲劳方程相结合，进行路面疲劳寿命的预估。例如，水泥混凝土路面车辆荷载作用次数与稳定断裂韧度折减值之间的具有如下关系［6］：

式中：K1为相应轴载作用于各种路面厚度的应力强度因子；K为起裂断裂韧度；Nf为重复荷载作用的次数；a，β为参数，波特兰水泥协会推荐a=0.972，β=0.0828。

因此，通过断裂试验所获得的起裂断裂韧度可以求得Nf，达到预估路面疲劳寿命的目的。

1.3 优化路面设计、材料及施工方案

研究者通过分析不同配合比，不同养护条件，不同荷载作用下，断裂力学参数的变化，得到指导路面设计、材料及施工的优化方案。例如，钢纤维加筋混凝土路面被研究者通过断裂力学理论证实具有更优异的路面性能，哈工大的曹鹏等［7］及黄河水利研究院的张廷毅等［8］均通过三点弯曲梁试验得到的断裂韧度值，判定材料抗开裂性能有所提升，而Beatrice B［9］就此问题不仅通过有限元还以足尺板试验加以验证。陈辉［10］通过研究不同温湿度养护条件下，断裂力学参数变化规律，给出相关工程技术建议。

2 亟待解决问题及研究前景

通过以上总结可以发现，目前断裂力学已成为混凝土路面研究的一个重要方向，但诸多问题仍有待解决：

（1）适用于水泥混凝土路面的标准断裂模型和试验方法有待形成。

目前，研究人员通过试验归纳总结，逐步得到较多与混凝土材料实际行为较为接近的新型模型，具有较强的适用性和应用价值。但进一步寻找适合水泥混凝土路面模型，解决尺寸效应问题，仍将是断裂力学应用于水泥混凝土路面的热点研究问题。

（2）基于断裂力学理论，研究早龄期性状对水泥混凝土路面断裂性能的影响。

水泥混凝土的早龄期性状对路面后期的使用性能有着极其重要的影响，在相关研究领域已形成共识。水泥混凝土路面板作为面层从铺筑的开始到运营期间都是直接暴露于外界复杂的环境之中。即使同一时间段浇筑的同一种配合比的路面板由于早龄期水泥混凝土发展状态的不同，面板不同位置处的断裂力学参数会表现出差异性，最终导致断裂的位置难以预判。有研究表明，直接浇筑在不平整基层之上的水泥混凝土路面面层，在早龄期阶段随着水泥水化过程的不断进行，结构强度也不断增大。在强度不断发展的过程中，随之而来的变形收缩会沿着路面板的板顶和板底表现出一定程度的差异性，从而导致板边的翘曲，这种在早龄期逐渐形成的固化翘曲具有记忆性，该性状对后期路面的使用性能具有潜移默化的影响。因此，以水泥混凝土断裂力学作为依据，研究早龄期性状对水泥混凝土路面断裂性能的影响具有重要的意义，也是解决水泥混凝土路面断裂问题的关键。

（3）进一步通过对水泥混凝土路面断裂机制研究，优化设计、施工、运营管理及养护方案。

3 结语

依据断裂力学理论，进一步建立水泥混凝土路面的外载、构件、缺陷三者之间定量关系，对研究路面的断裂机理，进而找到有效提高路面断裂性能的途径，延长路面使用寿命，具有重要意义。

参考文献：

［1］Bazant Z P. Size effect in bLunt fracture∶concrete，rock，metaL［J］. JournaL of Engineering Mechanics，1983，110（4）∶518-535.

［2］Rao S，RoesLer J. Characterization of effective buiLt-in curL-ing and concrete pavement cracking on the paLmdaLe test sections［R］. Institute of Transportation Studies，2005.

［3］徐世烺，赵艳华.混凝土裂缝扩展的断裂过程准则与解析［J］.工程力学，2008（25）∶20-33.

［4］赵朝华，李建伟，魏姗.柔性纤维混凝土的新阻力曲线和双K断裂参数的试验研究［J］.交通标准化，2010（11）∶60-63.

［5］Tschegg E K，Ehart R J A，Ingruber M M. Fracture behavior of geosynthetic interLayers in road pavements［J］. JournaL of transportation engineering，1998，124（5）∶457-464.

［6］易志坚，吴国雄，周志祥，等.基于断裂力学原理的水泥混凝土路面破坏过程分析及路面设计新构思［J］.重庆交通学院学报，2001，20（1）∶1-12.

［7］曹鹏，冯德成，曹一翔，等.三点弯曲纤维增强混凝土缺口梁的断裂性能试验研究［J］.工程力学，2013（30）∶221-231.

［8］张廷毅，李树山.钢纤维掺量对高强混凝土断裂性能的影响［J］.混凝土，2012（12）∶87-89.

［9］BeLLetti B，Cerioni R，Meda A，et aL. Design aspects on steeL fiber-reinforced concrete pavements［J］. JournaL of materiaLs in civiL engineering，2008（20）∶599-607.

［10］陈辉.路面水泥混凝土断裂力学参数特性研究［D］.福州∶福州大学，2013.

（责任编辑：叶丽娜）

Current Situation and Application Prospect of Fracture Mechanics in Cement Concrete Pavement

WANG Rong

（SchooL of civiL engineering and architecture，Wuyi university，Wuyishan，Fujian 354300）

Abstract:The research status of fracture mechanics appLied to cement concrete pavement performance is summarized incLuding the common modeL，test method，and so on. Based on the summary of the research status，the research prospect of this fieLd is discussed.

Key words:fracture mechanics；cement concrete pavements；fracture modeL；fracture properties

中图分类号：U416.2

文献标识码：A

文章编号：1674-2109（2016）03-0081-03

收稿日期：2015-10-24

基金项目：武夷学院校级课题（XL1207）。

作者简介：王荣（1980-），女，汉族，讲师，主要从事道路工程的研究。