浅析影响水泥混凝土路面断裂的因素及其防治措施

于景平　李晓岩

摘要：近年来我国公路工程得到迅速发展，作为其技术关键之一的路面工程也得到明显发展，其中包括水泥混凝土路面的广泛使用。随着水泥混凝土路面的广泛应用，也相应暴露出一些与设计、施工及使用相关的病害，这些病害处理不好，将会严重影响行车速度、安全及舒适性。因此，分析水泥混凝土路面的病害，并采取针对性的处治对策，对于我国公路工程的健康发展具有重要的现实意义。

关键词：水泥混凝土 路面 断裂 防治措施

0 引言

现在我国公路建设正进行得热火朝天，路面结构形式多样，有泥结碎石路面、块石路面、沥青路面、水泥混凝土路面等。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。水泥混凝土路面损坏后修复困难也是限制水泥混凝土路面进一步推广应用的主要障碍。关于混凝土路面的损伤断裂，国内外学者作了大量而深入的研究，从混凝土材料组成、力学机理及外界因素等各方面分析了水泥混凝土路面的断裂破坏，并取得了大量的研究成果，对混凝土路面断裂处治提供了科学依据。

1 水泥混凝土路面断裂的影响因素

1.1 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。

1.2 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，结果如表一。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。

1.3 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。

2 水泥混凝土断裂的防治措施

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。

2.1 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。

2.2 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。

2.3 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。

2.4 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。

在破坏过程中，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。