水泥混凝土路面断裂实验分析及防治措施

2024-04-23申燕

四川水泥 2024年4期

申燕

（资中县交通运输服务中心，四川资中 641200）

0 引言

随着我国交通网路的快速发展，路面损伤问题逐渐凸显。水泥混凝土路面以其耐久性和稳定性好且具有高结构强度等性质得到广泛应用，通常水泥混凝土路面的设计使用年限最小为10年，但大量研究表明，水泥混凝土路面使用2～3年就会出现明显的结构性病害，例如出现路面断板或裂缝等。同时，水泥混凝土路面维修保养成本较高，且需要较长的养护时间，势必会造成交通不便等问题，因此对水泥混凝土路面断裂机理进行研究十分重要。造成道路病害的因素有多种，在进行道路病害原因分析和治理过程中应充分考虑道路建设状况，选取适宜的研究方法，并采取针对性防治措施[1]。

1 水泥混凝土路面断裂因素分析

路面断裂是水泥混凝土路面最为常见的病害，但其形成机理比较复杂，涉及到材料、结构、施工工艺等多种因素。通常而言路面断裂的根本原因在于路面的结构应力大于材料的承载极限，导致路面出现结构性损伤。将路面开裂进行逐层分析，大致可将水泥混凝土路面分为面板底层、中间层和表面层三个层级。面板底层是指道路面层和基层共同形成的结构，面层直接接触车辆荷载，并将荷载向下传递，在面层和基层之间形成过渡层也叫联结层，联结层承受了面层传递下来的荷载，在高荷载影响下联结层的结构极易出现不稳定的现象，这也是导致路面形成初始裂缝的根本因素。随着道路使用年限的增加，面板底层不稳定性更加凸显，直接导致裂缝扩展，加大道路损害；中间层主要指的是路面板体，是水泥混凝土板做成的面层，该层主要是受到初始裂缝的影响，在道路荷载的作用下，路面板体沿着初始裂缝形成的路径和方位进一步地扩大和累积，形成路面断裂的潜在隐患；表面层是水泥混凝土路面的表层，该层直接接触车辆，但由于施工质量和道路坡度等因素影响，表面存在平整度差异大的问题，在道路正常运行中，表层和车辆相互冲击、摩擦，直接加剧道路的裂缝损伤，甚至会导致路板断裂[2]。

工程实际应用中，道路使用情况常和温度息息相关，受地表温度和季节交替影响，水泥混凝土会存在热胀冷缩的情况，变温应力与翘曲应力在道路的荷载应力共同作用下，会直接导致水泥混凝土路面的结构性损坏。

2 水泥混凝土路面断裂实验分析

2.1 工程概况

本文选取四川省某路段作为实验对象，该路段由原一级公路改造而成，道路全长187.45km，于2008年正式投入使用，设计车流量为20000辆∕日。项目建设地点位于高温多雨地区，全年降雨量在1076～1867.9mm范围内，年平均相对湿度为76.3%，年平均气温在18.6～22.3℃之间。对实验路段进行勘察研究，道路的路面结构如图1所示，由于原路板断板率高于30%，因此对原路基进行挖除处理，在原有土基的基础上建设新的路面结构层。对各层进行力学强度分析，水泥混凝土面层和碾压贫混凝土基层的设计弯拉强度分别为5MPa和3MPa，弯拉的弹性模量分别为30000MPa和23000MPa，水泥稳定级配碎石底基层弹性模量为1000MPa。

图1 路面结构设计图

2.2 温度及荷载对水泥混凝土路面受力影响

通过对路面断裂机理分析可知，路面温度和道路荷载是导致路面断裂的重要因素，本文将温度和荷载因素进行耦合，对温度条件分别为10℃、15℃、20℃、25℃和30℃的工况，不同荷载作用下水泥混凝土路面板层底拉应力进行研究，得到如图2所示结果。由图2可以看出，同一荷载下，水泥混凝土路面板层底的拉应力随温度的升高而增大，且呈线性关系；同一温度工况下，水泥混凝土路面板层底的拉应力随路面荷载的增加而增大，总体来说在路面温度为30℃，路面荷载为100%时层底拉应力最大值可达到4.55MPa。这说明在温度和道路荷载综合影响下，最大拉应力可能对路面造成一次性损伤，因此在道路施工时一定要保证路面各层的厚度和结构强度，有效避免路面产生裂缝等损伤。

图2 温度和荷载对面层层底拉应力的影响

2.3 车辆荷载次数对水泥混凝土路面韧性影响

根据断裂力学机理分析可知，当路面断裂裂缝开始向外延伸扩展时，水泥混凝土的开裂韧度与路面的疲劳作用次数有明显关系[3]。本文分别对25kN、50kN和75kN三种荷载情况下，荷载作用次数与路面的开裂韧度进行模拟分析，得到如图3所示结果。可以看出同一荷载作用下，随荷载作用次数的增加路面断裂韧度逐渐降低；应力强度因子越大，路面断裂韧度的下降速率越高，对比三种工况，应力作用为75kN时，应力作用因子为0.4，荷载作用103～104之间时断裂韧度呈现明显的下降趋势，应力强度因子为0.2045时，需要荷载作用次数达到106～107之间时断裂韧度才明显下降，因此可以从路面荷载强度和荷载作用次数综合计算，将路面的断裂韧度控制在合理范围内。此外，若考虑路面受损伤的情况，路面的中性轴会随损伤的加剧出现上移，此时路面可承受的荷载作用次数更低，路面更加容易达到断裂临界值，这主要是因为路面的断裂过程是一种逐渐积累的损伤过程，板底的裂缝受荷载作用不断扩展，造成道路损伤逐渐增加，断裂韧度不断下降，形成加剧路面损伤的循环链路，因此对路面损伤应及时处理，避免损伤进一步扩大。

图3 荷载作用次数与路面开裂韧度之间的关系

2.4 层间摩擦对水泥混凝土路面受力影响

层间摩擦力是保证路面层间结构强度的重要指标[4]，本文分别对水泥混凝土面层和贫混凝土层的摩擦系数和层底的拉应力进行测试，得到如图4所示结果。

图4 摩擦系数对面层层底拉应力影响

可以看出，随摩擦系数的增大，层底的拉应力呈逐渐降低趋势，当层间无摩擦时，水泥混凝土面层和贫混凝土层的层底拉应力分别为1.62MPa和1.1MPa，当摩擦系数设置到最大1 时，二者的层底拉应力分别为0.98MPa 和0.84MPa，说明随面层间粗糙度的增加，层间出现相对滑移的趋势越弱，层间结构越稳定，这主要是因为摩擦系数高的面层层间颗粒的嵌合程度高，在外部荷载的作用下形成相对稳定的嵌合结构，层底的拉应力减小。对比两种面层层底拉应力随摩擦系数的变化情况，可以看出水泥混凝土面层的最大拉应力减小了39.5%，而贫混凝土层的拉应力减少了23.6%，相对而言，水泥混凝土面层层底拉应力受摩擦系数的影响较大，贫混凝土基层层间相对稳定，这主要是因为水泥混凝土面层和贫混凝土层的混合料材质和面层厚度不同，相对来说贫混凝土基层材料粒径相对较大，颗粒间的嵌合程度相对较高，随摩擦系数的增大，层间结构的抗滑移能力增强，因此在工程应用中要注意水泥混凝土粗糙度的控制，增加摩擦系数可提高层间稳定性，避免路面裂缝的产生。

3 水泥混凝土路面断裂防治措施

从上述实验分析可知，对水泥混凝土路面断裂进行有效的防治要从结构力学和温度力学等多个角度考虑。首先针对路面裂缝的长度、宽度以及裂缝形状等因素进行初步的判断，对裂缝的有害程度进行定级，并选择合适的治理方案。工程应用中采取先防后治的方式处理道路病害[5]。

针对路面断裂等路面结构问题，早期预防至关重要，因此要在道路设计阶段就应将路面断裂防治措施考虑其中，在道路设计时应对气候条件、地质情况和交通荷载等进行调查，在进行路面结构设计中通过对路面各层厚度、结构强度等指标进行合理选择，强化路面结构的稳定性，降低各层裂缝产生的可能性。施工质量是导致路面断裂的直接原因，施工过程中应严格控制路基压实度、弯沉值等，保证路基具有足够的承载力；在施工过程中，还应控制作业环境条件，避免阳光直射，防止水泥混凝土出现干缩裂缝。合理选择水泥混凝土混合料，严格控制水泥、集料和水等用量，保证材料强度，混合料制备过程中要控制振捣度，避免混合料离析，防止路面出现早期裂缝。