水泥砼路面断裂的形成和预防

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一、概述

　　水泥混凝土路面破坏的过程是微小缺陷形成、开始而逐渐扩展，逐渐形成裂缝贯通，即最后形成贯穿路面板的裂缝。这个过程大致可以分三个阶段:

　　第一个阶段是初始损伤和初始裂缝的形成阶段。在路面板混凝土搅拌、浇筑和成型养护过程中形成的微空隙。微裂缝即路面板的初始损伤。这个初始损伤决定了路面板在荷载作用下进一步扩展的临界条件，即损伤应力的门槛值。路面板在凝结过程中产生了板底的初始裂缝。初始裂缝的产生导致路面板在荷载的作用下出现应力集中，使裂缝尖端附近的区域成为损伤最严重的区域。这一阶段是水泥混凝土路面板使用寿命前的阶段，是破坏过程的初始阶段。

　　第二阶段是损伤的不均衡累积和裂缝有限度扩展的阶段。由于在投入使用前，路面板底部已经出现裂缝，所以在荷载的作用下，裂缝尖端附近区域产生应力集中的现象，根据混凝土的损伤演变规律，裂缝尖端附近区域是损伤最严重的区域，也就是说，在裂缝尖端附近的区域中，微小裂缝萌生、扩展、汇聚最快，承受应力的有效面积减少得最快，因而开裂韧度也下降得最快。经过荷载的反复作用，裂缝尖端附近区域损伤不断积累，成为开裂韧度最低的部位。当某一荷载在裂缝尖端产生的应力强度因子大于裂缝尖端附近区域的开裂韧度时，裂缝就与严重损伤区域中的微小裂缝贯通而扩展，从而穿越了导致严重损伤区域，裂缝尖端到达新的位置。由于新的裂缝尖端附近的区域损伤度比较小，开裂韧度大于荷载造成的应力强度因子，所以裂缝停止扩展。新的裂缝尖端附近成为了又一阶段损伤最严重的区域，在荷载的反复作用下，开始了新一轮的损伤累积和裂缝扩展。上述过程不断反复进行，裂缝不断地加深。在裂缝加深的过程中，荷载作用下在裂缝尖端的应力强度因子随着裂缝深度的增大而增大，能够超越的断裂韧度越来越大，也就是说，深度越大，裂缝就更容易扩展。这一阶段涵盖了水泥混凝土路面的整个使用寿命期，是破坏过程中最漫长的阶段，荷载的每一次作用可以通过混沌方程加以描述，而无损伤状态对应稳定态，损伤积累状态对应分叉态，裂缝扩展状态对应混沌态。

　　第三阶段是断裂阶段。当某一荷载的在裂缝尖端产生的应力强度因子大于裂缝尖端附近区域的开裂韧度，裂缝穿越严重损伤的区域，尖端到达新的位置，此时，新的裂缝尖端应力强度因子仍然大于新的尖端附近区域的开裂韧度，所以裂缝继续扩展，无须经过新一轮的损伤累积。由于新的裂缝尖端附近区域的混凝土没能组织裂缝继续扩展，所以裂缝就迅速贯穿路面板的整个厚度，使板块彻底断裂破坏。这一阶段是水泥混凝土破坏过程的最后一刻，是最短暂的阶段。根据混凝土断裂力学的双K准则，混凝土路面板断裂时，裂缝尖端的应力强度因子已经大于混凝土的失稳开裂韧度。

二、水泥混凝土路面破坏过程的影响因素

　　1、影响初始损伤形成的因素

　　水泥混凝土的初损伤包括杂质、气孔、孔隙和微裂缝等缺陷，对这些缺陷的数量、形态和分布状态有影响的因素，都是水泥混凝土路面板初始损伤的影响因素。对混凝土中杂质及其有害生成物的形成和分布有影响的因素，包括骨料中的泥土、有机物、轻物质等有害物质的含量，和水的酸碱度及水中有害物质的含量。对工程中常见的各种对混凝土的质量有不利影响的各种杂质，并且对这些杂质的含量作了明确的技术指标、质量指标。浇筑时的震捣质量，是影响混凝土排除空气的重要因素。在震捣过程中，由于震动的作用，处于流塑状态的混凝土混合料中会形成一系列的裂隙，这些缝隙构成了排除空气的通道。震捣的效果越好，混凝土中的气孔就越少。混凝土中的孔隙，是未被水泥浆体填充的骨料间隙。影响孔隙形成的因素有五个:一是骨料的级配。二是水泥用量。三是搅拌质量。四是用水量。五是震捣质量。混凝土中的干缩裂缝是混凝土中的水分蒸发所造成的，影响混凝土中水分蒸发的因素两个，一是有水分蒸发的通道，即混凝土中孔隙的多少，二是混凝土内外的湿度梯度。而影响混凝土内外湿度梯度的因素，主要是混凝土凝结过程中表面的湿度。因此，在养护期间，混凝土表面保湿的情况是混凝土干缩裂缝形成的重要影响因素。冷缩裂缝是由混凝土的内外温差造成的，所以影响冷缩裂缝形成，一是水泥的水化热，二是混凝土浇筑时的温度，三是混凝土凝结过程中表面的温度。不管是干缩裂缝还是冷缩裂缝，都是在应力大于强度的情况下产生的，而混凝士的徐变量与收缩量的之差和弹性模量决定应力的大小，所以混凝土的早期强度、弹性模量和徐变都是各种裂缝形成过程中的重要影响因素。

　　2、造成初始裂缝形成的因素

　　水泥混凝土路面板初始裂缝是在路面板的收缩受到基层制约后产生的应力大于水泥混凝土的强度所造成的，因此混凝土的收缩率和早期强度、路面板的长度、基层的阻力等对初始裂缝具有重要的影响。在凝结过程中路面混凝土的收缩变形主要是干缩变形。混凝土的早期强度既与材料构成有关，也与施工工艺有关。如果添加早强剂，或者采用真空吸水的施工工艺，混凝土的早期强度就会比较高。路面板的长度对板底的拉应力和板块位移的影响是明显的。各种长度的板块的平均最大拉应力和板端部最大收缩量通过计算，结果如表：

28天砼板最大收缩拉应力和最大收缩位移 表1

基层对路面板收缩应力的阻力，决定于过渡层的抗剪强度和剪切破坏后界面的粗糙度。

　　3、影响裂缝扩展的因素

　　裂缝扩展的条件，是荷载产生的应力强度因子大于裂缝尖端区域的稳定开裂韧度。所以，影响裂缝尖端应力强度因子大小和混凝土开裂韧度大小的因素，都是影响裂缝扩展的因素。

三、防止水泥砼路面断裂的预防措施

　　水泥混凝土的抗裂措施，至少在必须下列五方面之一发挥积极作用:

　　①减少混凝土的缺陷;②提高混凝土的韧度;③减少路面板收缩应力。

　　实际上，很多的工程措施并不是纯粹在某一方面发生作用，而是同时在几个方面发挥作用。有些措施在一些方面发挥了积极的作用，而在另一些却有不利的影响，有些措施则在诸多方面都对混凝土路面抗裂有利。

　　1、减少混凝土的缺陷

　　减少缺陷，就是要减少混凝土中的杂质、气孔、微孔隙和微裂缝，降低路面板的初始损伤度。按照规范的规定：选用材料是控制混凝土材料缺陷的根本措施。要减少气孔，加强震捣是排除空气的途径。要减少孔隙，就要使骨料的级配更加密实，要保证不少于最低的水泥用量。采用添加减水剂等外加剂的办法减少用水量，提高搅拌和震捣质量。为了减少混凝土中的水分，要尽可能采用真空吸水的施工工艺，减少干缩裂缝。保湿养护水泥混凝土表面。减少温度收缩裂缝的关键在于减少混凝土的内外温差，具体的办法有三个:一是尽量避免在不利的温度环境下施工，二是选用低水化热的水泥，三是及时保温。所以，加强水泥混凝土凝结期间的养护，是减少混凝土中微裂缝的重要措施。提高混凝土的早期抗拉强度，对减少裂缝非常有利。通常的做法是添加早强剂。另外采用真空吸水的施工工艺也有利于早期强度的形成。

　　2、提高混凝土的韧度降低初始度

　　增加有效的受力面积，是提高混凝土韧度的有效措施。除此之外，还可以利用钢筋、纤维或聚合物等材料，改变混凝土的受力反应模式。钢筋混凝土是常用的复合型建筑材料。纤维混凝土是以水泥浆、砂浆或混凝土为基体，以金属材料、无机纤维或有机纤维增强材料组成的一种复合材料。目前用于混凝土的纤维有钢纤维、有机纤维、无机纤维和合成纤维，而应用比较多的钢纤维和合成纤维。路面工程中应用最多的是钢纤维混凝土。从宏观角度考察，与普通混凝土相比，钢纤维混凝土的抗压强度提高了5～20%,弯拉拉强度提高20～50%，抗拉强度提高20～40%，收缩裂缝的总量减少了50%左右，在冲击荷载作用下的抗裂性能提高了2～3倍。合成纤维是近年来逐渐被采用的纤维材料。合成纤维对改善混凝土的性能有很大的作用。

　　3、减小路面板的收缩应力路面板产生收缩应力的条件

　　一是板块收缩变形，二是变形受到限制。对于板块干缩变形的控制，就是对混凝土干缩的控制。板块的冷缩变形取决于气温变化和混凝土的热膨胀性能，工程措施对此影响很小。减少路面板变形的限制，一是要提高基层的平整度，减少路面板与基层之间的摩擦，二是要阻止过渡层的生成，如在基层上铺设塑料薄膜等。减少路面板的收缩应力另一个重要措施，就是及时将已经产生的释放。所以，把握好水泥混凝土路面的切缝时间非常重要。有资料表明水泥混凝土20年收缩量的14～34%发生在水泥混凝土的14d龄期内，40～80%发生在3个月龄期内。因此，在路面板强度形成之初就要切缝以释放收缩应力。切缝时间与水泥混凝土施工温度、湿度等因素有关，一般规律为:当气温20～30℃时，切缝时间在水泥混凝土浇筑后3～10h为宜:当气温在10～20℃时，切缝时间在水泥馄凝土浇筑后lO～12h。

　　4、减小路面板的荷载拉应力

　　路面板荷载拉应力的大小，取决于荷载的大小。汽车荷载是冲击荷载，其大小不但与车辆轮胎对路面的静止压力有关，而且车一路的祸合程度有关。要减小轮胎对路面的静止压力，就要对车辆实行限载管理，禁止超载的车辆上路。要削弱车一路的祸合作用，分别从车和路两方面采取措施。对于汽车方面要采取限速措施，降低车辆荷载的震动频率;对于路方面，要提高路面的平整度，降低车辆的震动幅度。温度荷载的大小既与路面板的温度梯度有关，也与基层和路面板之物和水泥和水在一起搅拌时，聚合物和水泥水化物间就要产生离子键型的化学结合。除此之外，聚合物和无机化合物间还可以通过氢键和范得华键相互作用。三、聚合物发挥了减水的作用。聚合物能够改善水泥混凝土的工作性，减少单位用水量，发挥类似于减水剂的作用，是因为聚合物颗粒在混凝土中减少了固体颗粒间的摩擦，改善了混凝土拌和料的流动性。因为聚合物对水化物的联结和粘结作用，使混凝土韧度明显提高。聚合物提高了混凝土的韧度，还可能与棍凝土裂缝尖端的奇异性改变有关。所谓裂缝尖端的奇异性，是指在荷载的作用下，裂缝的尖端产生了应力剧烈集中的性质。当裂缝的尖端到达聚合物颗粒时，由于聚合物具有良好的柔韧性，能够产生较大的变形，致使裂缝的尖端处材料的屈服范围扩大，应力集中水平下降，提高了材料的断裂韧度。

四、小结

　　水泥混凝土路面抗裂措施的作用，就是消除或者削弱水泥混凝土路面开裂破坏过程中不利因素的影响。在归纳水泥混凝土路面开裂破坏的不利影响因素的基础上，水泥混凝土路面抗裂措施必须具备减少混凝土的缺陷、提高混凝土的韧度、减少路面板的收缩应力、减少路面板的荷载应力的功能，并且阐述了目前工程中应用的抗裂措施的主要功能。一般情况下，水泥混凝土路面的破坏是疲劳开裂破坏，其破坏过程分成三个阶段。首先是在浇筑和凝结过程中产生的初期损伤和开裂。由于水泥混凝土的材料和工艺特点，以及在凝结过程中的物理和化学反应，使路面板在凝结过程中形成大量的微小缺陷，构成初始的损伤场。并且由于路面板在凝结过程中的收缩受到基层的限制，板底形成了初始的裂缝。然后是使用期间荷载造成的损伤加剧和裂缝扩展。在荷载作用下，路面板发生了不均匀的损伤，板底裂缝尖端附近区域成为损伤最严重的部位，该区域的开裂韧度下降最快。随着荷载次数的增加，裂缝尖端附近区域的损伤度不断增大，韧度逐渐降低。当荷载在裂缝尖端造成的应力强度因子大于裂缝尖端附近区域的开裂韧度时，裂缝就扩展。裂缝的尖端向前移动到达新的位置后，新的附近区域以较高的韧度阻止裂缝继续扩展，于是开始新一轮的损伤累积。这样，裂缝尖端移动和尖端附近区域损伤累积两个过程交替进行，使裂缝不断扩展。最后是断裂破坏阶段。此时荷载在裂缝尖端造成的应力强度因子大于混凝土的失稳开裂韧度，裂缝的扩展不受限制，迅速贯穿整个路面板的厚度，使板块断裂。水泥混凝土路面就是遵循这样的机理完成它的整个破坏过程的。在这个破坏过程中，使用期间荷载造成的损伤加剧和裂缝扩展过程的时间，构成了水泥混凝土的使用寿命周期，水泥混凝土路面在凝结期间产生裂缝，在荷载的作用下，裂缝端部的损伤累积和开裂的互动作用使裂缝扩展直至贯穿板厚，裂缝的扩展过程可以用混沌方程加以定量描述。