学文网现在我国在高等级公路建设中水泥混凝土路面以其强度高、稳定性好、耐久性好、养护维修费用低、经济效益高、有利于夜间行车的特点越来越受到人们的青睐。本文应用断裂力学、损伤力学和路面破坏的原理，对水泥混凝土路面损伤断裂的产生、扩展直至破坏的垒过程进行分析，指出每个阶段混凝土路面裂缝形成的根本原因，以便对症下药，为混凝土路面抗裂研究和处治提供科学依据。
一、水泥混凝土路面破坏的过程
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。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。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干混凝土的失稳开裂韧度。
二、水泥混凝土路面损伤断裂微裂缝产生的原因分析
1、板底微裂缝的产生。水泥混凝土路面是将水泥直接浇注在凹凸不平的基层上。水泥砂浆将面层、基层形成一个整体，然而面层、基层的弹性模量、泊松比和强度各不相同。面层与基层的接触面部分的弹模、泊松比和强度不同于面层的弹模、泊松比和强度，又不同于基层的相应指标，实质上是一过渡层，并且相对面层而言，该层即为强度薄弱层。随着时闻的推移，由于基层和面层各自的弹模、泊松比和强度的增长速度各自不同，同时由于面层水泥混凝土逐渐凝结，混凝土将产生收缩变形，由于温度的周期性变化，面层与基层之间存在不等量变形。由于以上原因，在面板横缝切割后必然会导致本来融为一体的过渡层沿路面板薄弱层平面开裂和破坏，将面层与基层彼此分离，破坏面处于一种非常光滑的凹凸不平状态。凹凸不平的接触面阻碍了混凝土面板与基层的不均匀胀缩，产生了巨大剪应力。剪应力直接对面板施加撕裂破坏，从而使板底不同部位微裂纹产生成为必然。
2、板中微裂缝的生成。材料的结构组织在外载或环境因素作用下将出现如微裂纹形成、扩展、空洞萌生、晶错等微观不可逆变化，这些微观变化将造成材料宏观力学性能的劣化，这就是材料的损伤。就宏观水平来说，混凝土是集料颗粒加水泥浆基体的两相复合材料。在制造成形后，混凝土本身就是一种内部含水、微裂缝、微孔隙的损伤体，其损伤度D为：D=1S／S
式中：S、S。分别为连续介质中的一个单元出现损后内外法线为n的某截面在损伤前后的面积。
损伤后混凝土的弹性模量E平：E平一E(1－D)
式中：E――损伤前混凝土的弹性模量，D――损伤度。
3、在外力作荷载用Tg4缝的扩展
3.1外力作用下板底裂缝的发展。由于过渡层的破坏，面板与基层分离，在路面继续胀缩和产生温度变形的剪应力作用下，其板底微裂纹必将不断的发展、不断的增多，损伤路面强度。车辆动荷载的作用下，路面板会发生振动，板的振动反过来又作用于行驶其上的车辆，这种车一板之间的耦合作用随荷载多少和车速的大小、路面平整状况以及基层材料性能的不同而变化，并且会对板的开裂产生较大的影响。研究表明，路面越不平整，车速越高，荷载越大，这种作用会更加明显，裂纹的生成和拓展速度亦就越快。
3.2板中微裂纹的发展。由于混凝土本身是一种损伤体，内部含有微裂纹、微孔隙，在行车荷载和温度应力的作用下，原有体内的弥散裂隙将进一步扩展，且新的微裂纹又生成、扩展。微裂纹扩展并集总是和材料的弹性变形同时出现，但卸荷后不能愈合，因此导致能量耗散，使材料的强度，刚度下降，砼面板损伤度会逐渐增大，路面板板中裂纹尖端附近的混凝土逐渐损伤，裂纹会逐渐发展和加剧。而不是等外界荷载增大到临界荷载时原裂纹才出现扩展损坏。当外力使材料应力达到混凝土拉伸强度FT值时微裂纹迅速扩展，骨料颗粒与水泥浆基体之间脱牯，则会出现更多的微裂纹扩展汇合成宏观裂纹。
3.3板中裂纹与板底裂纹的贯通。(1)板底及板中出现裂纹后，荷载作用下受拉区会出现损伤，即：a平拉=d拉／(I-D)式中：d平拉――板底出现裂纹后的拉应力；a拉――路面板完好时的拉应力}]3--板底初始损伤度。受拉区应力增大，裂纹有向板顶扩展的趋势。(2)受拉区受损，承载能力下降，中和轴向板顶移动，导致受压区增大，该区受压区损伤进一步加剧，板中裂纹延长。(3)路面不平整时动载作用将使这种破坏加剧，板中裂纹加速扩展。板底裂纹的向上扩展和板中裂纹的进一步延长，必然会导致两者在某一应力水平下互相连通，从而加剧板的开裂破坏。2.4混凝土面板裂纹扩展的定量描述。混凝土面板裂纹扩展的三个参数，包括拉伸强度FT，断裂能Gf，还有拉伸应力一应变软化曲线形式的参数，其中断裂能指裂纹扩单位面积释放出的能量。Bazant.oh 1983年研究得出的近似公式：Gf=(2.72+0.0214Ft)f2tda／Ec其中：da--最大骨料粒径；Ec――馄凝土的杨氏模量；Ft-――拉伸强度。
水泥混凝土路面的断裂破坏影响因素非常多，且较复杂，国内外诸多专家对此已作了大量而卓有成效的研究工作，提出一些有效的防治方
法。本文仅从理论的角度定性分析水泥混凝土板的破坏过程以及原因，目的是为板的开裂防治提供一些可行的思路。文中的部分结论是基于国内外相关成果进行分析和整理而得。值得指出的是：出于分析问题的简单化，本文仅对板本身的破坏过程进行了分析和相关讨论，并未涉及到板的基层材料组成及其性能对板开裂破坏的影响。
(3)对延迟时间的影响：
当含水量较小，水灰比较大时，水泥浆较稠，结晶网状结构易于形成，凝结加快，反之凝结时间就会相应延长。夏季施工时，在突遇骤雨的情况下会使混和料的含水量远远大于正常含水量，甚至会被浸泡，此时会发现混和料的凝结时间大大延长.等到水份散失到一定程度可以碾压时，再进行碾压，仍可形成一定的强度，但会有其他不利的影响，应当避免。
(4)含水量过大，使裂缝出现的机会增大。
4、加入石灰对0.5ugh以下的细料进行处治；
在水泥稳定粒料中加入12％的石灰，也可以把这种混合料看成是石灰与水泥的综合稳定粒料。进行室内试验时筛取0.5mm以下的细料分别以一定剂量的水泥、石灰水泥稳定，后一种可以得到较高的强度，这是因为加入的石灰消弱了粘粒对水泥硬化的影响。
在施工时，加入一定比例的石灰可以提高水泥稳定粒料的强度，减少水泥用量，也会使混合粒料的干缩应变系数大大减小。在细集料质量难以保证时应当考虑掺拌少量石灰。
5、裂缝的产生与防治
水泥稳定粒料的裂缝一般有温差引起的温缩裂缝，干缩应变引起的干缩裂缝，反射裂缝.及外力破坏应变产生的疲劳裂纹等。这些裂缝随龄期的增长而增加。
裂缝出现时，具体的原因很难找出，因此在施工时就要采取比较全面的防治措施，针对其产生的原因逐一采取对策。一般有：
(1)在达到规定的强度下采用水泥用量低限；
(2)碾压成形后养生及时周到防止忽干忽湿，炎热多风天气多洒水及时补足散失水份；
(3)集料级配稳定均一，0.5mm以下细料的质量应严格要求，限制其含量且塑指越小越好，如果不能达到质量要求，可掺拌石灰进行处理；
(4)含水量不能过大(
(5)控制好下层的压实度、强度指标，当下层较薄弱，而水稳结构层的模量较大时，易产生疲劳裂缝，
(6)在作业段的施工缝处应洒水润湿，或涂水泥浆以利于结合，避免产生裂缝；
(7)提高工作效率，缩短延迟时间，延迟时间过长，水泥稳定粒料的强度损失较大，裂缝出现机率增大；
(8)在高温环境作业下，要控制结构层的温度，不致造成早、午、晚的温差过大，减少温缩裂缝。
五、拌和及施工质量控制
1、拌和站原材料的堆放：
应选择规模较大、质量较为稳定的料场，各种规格的石料严格区分堆放，料场应用废渣垫起一定的高度，以利雨季时排水，确保细集料不含过量的水份，造成拌和时含水量失控。
拌和机开动后应尽量减少开停机次数，拌和、运输、摊铺、碾压互相协调，一个环节脱节，会影响其它工序的施工，影响施工质量，并造成机械台班的浪费。
2、施工质量控制：
(1)松铺系数
通过测定碾压前后的高差，测定松铺系数，摊铺机施工时的松铺系数在1.25～1.35之间，但不同的摊铺机具有不同的振实系数，应分别测定；平地机施工时，松铺系数较小，一般为1.05～1.10左右，施工时应当测定准确，以免造成标高控制不准。
(2)压实遍数用胶轮压路机或振动压路机中速静压一遍，当含承量较大时可以等到含水量散失合适的程度时用振动压路机轻碾一遍，达到稳压目的，然后用20t以上的大吨位压路机碾压，在尽短时间内，碾压完成，效果比较好，因此工地应配备足够的压实设备。一般碾压4―6遍，即能达到压实要求。
(3)延迟时间计算加水拌和到达压实度后的碾压成型时间，一般不超过4小时，控制在2小时以内为好。含水量施工含水量应等于最佳含水量加上水泥水化的用水量(约为1％)，施工时测定的含水量一般要比实际的小，因为测定含水量时，部分水与水泥反应形成结晶水，因此含水量略高于最佳含水量也有利于强度的形成。
(4)标高
一般情况下水泥稳定粒料虚铺厚度较大。如果厚度不均，压实后各点的沉降大小也会不一致，使得标高不易控制，尤其是在旧路改造水稳层作为找平层时，表现尤为突出，如平地机施工情况则稍好，采用摊铺机施工时，应配置标高复测人员，发现标高不准的地方当即处理，延误处理将会增加处理的难度的费用，同时也将影响施工质量。
(5)平整度较大的虚铺厚度、机械性能、机械操作人员的技术水平及共责任感都会直接影响平整度的控制，施工前有必要对有关人员进行一次技术培训和质量责任教育。同时对平整度较差的地方应派专人处理。
六、结束语
青岛地区风化砂的资源十分丰富，为水泥稳定粒料的拌制提供了充足的材料来源，且水泥稳定粒料施工简便，耐久性好，价格便宜，性价比高。经过广泛的施工应用和室内试验，证明水泥稳定粒料作为道路路基填料是完全可行的。在施工过程中，严格控制好原材料的采集、拌合、运输、摊铺、碾压、养生等各工序的施工，才能保证道路水泥稳定粒料基层的施工质量。当然，水泥稳定粒料还有诸多的缺点，这需要在今后的类似工程中不断总结经验教训，为水泥稳定粒料的施工提供更多的经验数据。
转载请注明出处学文网 » 水泥混凝土路面损伤断裂的过程分析