水泥混凝土路面断裂性能研究

汪晓霞，唐 鹏

（安徽水利水电职业技术学院，安徽 合肥231603）

水泥混凝土路面断裂性能研究

汪晓霞，唐 鹏

（安徽水利水电职业技术学院，安徽 合肥231603）

水泥混凝土路面结构具有承载力强、整体性好等优势，但其脆性断裂行为限制了其在高等级路面结构中的应用。本文对于水泥混凝土材料的断裂性能研究方法和模型做了详细的分析，并结合道路领域研究现状来剖析断裂力学方法和混凝土断裂力学方法在水泥混凝土路面结构中应用的前景。

断裂行为；水泥混凝土；裂纹扩展；强度；应力

高等级路面结构和材料中的断裂行为是导致路面服务能力和耐久性能降低的重要因素[1]。相比于沥青路面结构水泥混凝土路面因具有刚度较大、强度更高、稳定性好、耐久性佳、耐热性能强和有利于夜间行车等优点[2]。

1 水泥混凝土断裂行为与其内部结构关系

水泥路面结构开裂问题是缩短水泥路面使用年限的重要制约因素之一。国内外诸多学者都开展了从细观和微观角度分析水泥混凝土的力学特性，并建立起力学性能与微观和细观组成结构之间关系。国外研究者也发现，当水泥胶浆强度与骨料强度相接近的时候，如轻骨料混凝土材料断裂发生时，会发生裂纹穿越骨料的情况发生，而石料是典型的脆性材料，所以断裂时就会展现出脆性断裂行为。虽然沥青混凝土断裂行为也与微空洞的成核与发展有关，但是由于沥青胶浆具有粘性，微空洞的成核和发展过程会严重地受到沥青胶浆粘性的松弛影响，从而变成一种相互竞争机制。由于水泥混凝土中的水泥胶浆不具备松弛的特点，所以就展现出脆性断裂行为。

2 断裂力学方法及在道路领域应用

对于水泥混凝土的断裂行为研究的理论方法一直是道路工程领域重点关注的问题。现阶段国内对于水泥混凝土路面结构断裂行为的设计采用的方法为面层底部水平最大拉应力理论。断裂力学方法作为一种有效的工具将为含裂纹体水泥混凝土路面结构的断裂方面研究工作起到作用。断裂力学方法最早由Griffith在19世纪20年代研究玻璃、陶瓷等材料的脆断问题时提出，其通过对于分子键的积分得到了材料的强度，却发现实际强度与计算值相比，差距甚远，因此认为材料中存在了裂纹。在格里菲斯提出脆性断裂问题之后，基于弹性理论研究了裂纹的扩展时失稳的发展规律，其提出了一个与裂纹扩展程度有关的表面能来表征裂纹的扩展规律，并将断裂行为分为三种基本形式及其相应的组合。但是这一理论很长时间没有得到重视。基于能量方法Rice推到了与应力强度因子等价的能量释放率，并采用J积分建立了能量释放率与应力强度因子之间的联系，从而赋予了断裂力学方法完整的物理意义，并使得线弹性断裂力学逐步发展成熟。其后Tada，Paris和 Irwin出版了应力强度因子手册，这表示断裂力学方法在应用力学领域成为一种主要的工具。Shih等提出了等效积分区域法对J积分进行数值计算，如图1所示。

图1 围绕裂纹尖端的封闭积分区域

利用散度定理，可以对于裂纹尖端附近的一个有限闭环区域来待地积分回路进行J积分的计算得到

针对二维问题可以具体展开成

式中A—积分区域,函数 q(x,y)只在外边界上为0，在其他区域都为1。但是断裂力学方法的研究成果和最新进展在道路工程领域的应用比较缓慢，断裂力学方法的主要进展，尤其是在混凝土材料方面的研究前沿也没有得到广泛的关注。

3 混凝土断裂力学方法

最早使用的线弹性断裂力学方法研究水泥混凝土类材料的研究中是Kaplan将其引入的，并采用断裂力学理论进行大量的断裂试验研究[12]。可是混凝土材料断裂过程中在裂纹尖端的断裂过程区存在非常复杂的材料非线性行为，这种现象与玻璃、陶瓷等脆性材料断裂机理不同。当Kaplan将断裂力学引入混凝土研究多年后，日本京召开的国际材料力学大会上Kesler等认为经典的线弹性断裂力学的方法在描述混凝土类材料的断裂行为方面的适用性提出了一定的质疑。实际上，经典的断裂力学理论之所以很难有效地应用于水泥混凝土断裂研究的原因在于：混凝土材料中一般存在大量不均匀的微裂缝。这些微裂纹的存在使得混凝土材料从一开始加载变形就会产生非线性行为。基于以上分析可知：线弹性断裂力学在混凝土材料方面的的应用出现一定的盲区。但是这没有减弱水泥混凝土的断裂行为方面的研究热情，且国内外学者进行了大量的理论和试验研究。我国著名学者潘家铮院士和张楚汉院士都积极倡导开展使用断裂力学理论研究混凝土的断裂性能的研究，并在东风拱坝和柘溪度大坝等多项大型水利工程项目的裂缝防治和加固上得到了应用。混凝土断裂力学方法中更加关注混凝土结构和材料的软化行为，混凝土的软化行为是混凝土材料受力破坏的基本属性。随着混凝土断裂力学的发展，故国内外经过大量的试验总结出混凝土材料的多种软化曲线。

经典的双线性软化模型可以表达如下：

其中，tf为混凝土的抗拉强度，FG 为混凝土的断裂能，Fα 为与骨料最大粒径有关的参数。

但是作为混凝土断裂力学这一领域的研究成果在道路行业中引进不多，所以未来这一方向也将会是一个新的热点，尤其是随着机场建设的逐步兴起，社会对于更加高强和耐久路面结构的需求将会增加。

4 结论

本文探讨了水泥混凝土路面结构的整体性丧失与断裂之间的联系，同时扎根于断裂力学方法来源以及其适用性的提炼，并吸收断裂力学，尤其是混凝土断裂力学方法的最新研究进展，来判断水泥混凝土路面结构断裂问题的可行研究思路与方法，最终展望了新型混凝土断裂力学理论在水泥混凝土路面结构中重要性。

[1]韩存玉.高速公路水泥路面与沥青路面经济学比较(2007).黑龙江交通科技,第6期:125-126.

[2]郑健龙.沥青路面抗裂设计理论与方法[M].北京：人民交通出版社28.

Study on fracture behavior of cement concrete pavement

Wang Xiaoxia1,Tang Peng2
(Anhui Water Conservancy Technical College,Anhui Hefei 231603,China)

The advantages of the concrete pavement are the higher capacity strength and good integrality,nevertheless the brittle fracture behavior of the concrete material has limited it’s extensive use in the express.In this paper,the methodologies and models for evaluating the concrete fracture characteristics are elaborated and analyzed in detail.Meanwhile the fracture mechanics model for the concrete is also introduced based on the background of pavement development of china,and the possibly potential application of the concrete fracture models are proposed.

Fracture behavior; concrete pavement; crack extension; strength; stress

U416.2

：A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.01.062

1672–7304(2016)01–0133–02

安徽自然科学基金重点项目“矿物纤维在安徽高温地区重载交通沥青路面中的研究与应用”（项目编号：KJ2014A092）。

（责任编辑：廖建勇）

汪晓霞（1983-），女，安徽潜山人，讲师，研究方向：道路桥梁工程。