水泥混凝土路面开裂机理及破坏过程研究

易 鹏

(重庆市地产集团，重庆 401121)

水泥混凝土路面开裂机理及破坏过程研究

易 鹏

(重庆市地产集团，重庆 401121)

随着社会和经济的快速发展，我国公路工程事业也不断进步，水泥混凝土是公路工程中常用的施工材料，混凝土路面具有较强的耐久性和稳固性，受到了广泛的应用。然而，混凝土路面的开裂问题却没有得到有效的解决，使得混凝土路面的推广和应用受到了一定的阻碍。基于此，本文就主要从理论层面上对混凝土路面开裂机理进行探讨，并且提出了相应的防治办法，以期促进我国公路工程的健康发展。

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水泥混凝土路面具有强度高。刚度大等特点，因此在国内外的公路工程中得到了广泛的应用，但是低应力水平状况下的路面开裂和破坏问题，却对混凝土路面的应用产生了严重的影响。国外专家对于混凝土路面开裂机理进行了大连话的研究，为混凝土裂缝的处理提供了大量的科学依据。我们需要借鉴国外的成功理论，并且从我国公路工程建设的实际情况出发，对国内公路工程混凝土路面的破坏机理进行详细的分析，才能为解决裂缝问题提供更加全面的理论指导。

一、混凝土路面的开裂机理

水泥混凝土路面开裂的原因，可以从三个方面进行分析：

1.损伤力学原理

损伤力学的研究需要建立在变量场的基础上，该变量场是由于材料本身的缺陷而形成的，利用损伤度对材料受到的伤害程度进行测量，并且根据材料在受损伤的过程中发生的变化规律对其内部受到损伤的情况进行评估。从水泥混凝土的角度来说，其本身就存在微空隙的状况，所以由水泥混凝土形成的路面也存在着一定的损伤可能性，这种损伤度可以定义为D。S，S*则分别代表连续介质中受到损伤的单元受到损伤内外法线n 的某一截面损伤之前与之后的面积，可知: D =1 - S* /S。E 为混凝土损伤前的弹性模量，E* =E(1-D)。当混凝土路面投入使用以后，长期受到车辆荷载和温度应力作用，就会使混凝土路面受到的损伤程度不断增加，处在路面裂纹位置的混凝土受到损伤程度加剧，会导致裂纹的进一步开裂，最终导致混凝土路面的开裂，如图1所示。

图1 路面开裂机理图

2.路面裂缝

通过对混凝土裂缝的内部缺陷规律进行研究可以发现，在混凝土裂缝内部存在着很多杂质和毛细孔，并且随机分布，当毛细孔的分布与水灰比达到一定的比例关系时就会形成干缩裂缝。通常情况下，水灰比较高的路面结构中，其中含有的颗粒状水化物较多，而且在受到相同作用力的影响下，大晶体和小晶体会呈现出不同取向的结合，所以在混凝土路面水灰比较高的部位，形成的裂缝与毛细孔就相对 较多。水泥混凝土路面的损伤过程，也可以理解为内部很多微小缺陷不断扩展、增加的过程，当这些内部缺陷扩大到一定程度时，就会对路面结构产生不同程度的损伤。路面最初受到的损伤是不均匀的，随着路面荷载的不断增加，这种微小的损伤逐渐形成较大的裂缝，对路面造成较大影响。

3.路面应力

当材料受到损伤时，进行有效应力的计算应当根据公式σ=σ＇/(1-D)进行计算，当损伤度发生变化，材料的有效应力也会随之发生变化。根据大量学者关于水泥混凝土路面受到的损伤规律，如图2所示。

图2 路面应力示意图

从图2中可以看出，受到单调荷载的影响，当应力处在某个区域值的范围内，水泥混凝土本身的弹性模量不会发生变化。如果材料的损伤度没有发生变化，就说明构件的结构应力也不会发生变化，路面结构内部的微小裂纹没有发生变化。当应力大于某一个区域值时，无线的倾斜度逐渐降低，同时也意味着损伤度在发生了较大的变化；同时还可以看出，在循环拉应力的作用下，地何在处在某个区域范围内时，材料的损伤度没有发生变化，当荷载高于区域中的曲线，就说明材料的损伤度在增加。循环拉应力的次数越多，曲线向着右侧移动的频率也越多，这说明混凝土路面受到反复的荷载作用形成了一定的规律。在弹性力学中，如果某一处发生裂缝，整个构件就会对其受到的应力进行充分分配，而最终将会使应力集中在裂缝的间断，使得细小的裂缝逐渐扩展。

二、水泥混凝土路面的破坏过程

水泥混凝土路面的破坏过程，主要分三个阶段：第一阶段，薄弱层受到破坏，并且产生细微的裂缝。水泥混凝土路面的施工，是将混凝土直接浇筑在基面上，基面凹凸不平，或者没有进行细致的清除处理，就会由于基面表面层存在的孔隙而使得浇筑过程中水泥砂浆的渗入，所以当混凝土结构凝固以后，就会将路面表层和基面形成一个整体。随着使用时间的增加，路面和基面各自的弹模也不断发生变化，同时混凝土也会产生周期性的变形，使得路面和基面之间的产生较大的空隙，过度等受到破坏，使得路面和基面形成剥离状态，最终导致裂缝的产生。第二阶段，板中微裂缝的形成于板底微裂缝的联通。在长期的荷载作用下，路面面板会发生振动，而板的作用对于路面的车辆也会形成反作用，这种相互的应力对于路面的平整度、行车的速度都会产生影响，同时也会影响到路面基层材料的性能，对于板的开裂会产生较大的影响。第三阶段，受到疲劳盒子啊的作用产生破坏性的断裂裂缝。疲劳强度是进行混凝土路面工程设计时必须参考的重要参数。在板底裂纹已经产生的情况下，板的疲劳寿命实际上仅相当于第二阶段的疲劳作用次数，这正是水泥混凝土路面往往未到设计年限而发生断裂破坏的原因。

三、混凝土路面裂缝的防治办法

混凝土路面裂缝的防治，首先要对材料的质量进行严格的控制，选择具有较强安全性、收缩变量小的水泥，减少混凝土结构内部裂缝的产生；其次，对混凝土的配比进行科学的设计，力求达到科学、稳定、均匀的配比要求；第三，保证足够的搅拌时间，确保混凝土拌合物的成熟度和均匀性，将混凝土结构的坍塌度控制在合理的范围内，可以预防由于混凝土拌合物不均匀而引起的面板裂缝；第四，加强施工工艺的控制，严格按照混凝土施工的标准和要求进行施工，并且做好必要的养护工作，可以有效的预防混凝土裂缝的形成。

结束语：

综上所述，本文主要针对水泥混凝土路面开裂的机理进行了简单的分析，并且提出了预防混凝土路面开裂的防治办法，从理论上说，混凝土路面的开裂过程，就是细微裂缝的产生和扩展的过程，也是对路面、路基造成破坏的过程。随着科学技术的不断发展，公路工程施工技术也将不断的完善，影响混凝土路面开裂的因素有很多，而且比较复杂，在实际的工作中，我们应当借鉴国外成功的理论经验和施工技术，对混凝土性能有更全面的认识，促进公路混凝土路面质量的不断提升，预防路面开裂现象的发生。

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