水泥混凝土路面損傷斷裂研究

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現(xiàn)在我國公路建設(shè)正進(jìn)行得熱火朝天，路面結(jié)構(gòu)形式多樣，有泥結(jié)碎石路面、塊石路面、瀝青路面、水泥混凝土路面等。在高等級公路建設(shè)中水泥混凝土路面以其強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、耐久性好、養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用低、經(jīng)濟(jì)效益高、有利于夜間行車的特點越來越受到人們的青睞。水泥混凝土路面損壞后修復(fù)困難也是限制水泥混凝土路面進(jìn)一步推廣應(yīng)用的主要障礙。關(guān)于混凝土路面的損傷斷裂，國內(nèi)外學(xué)者作了大量而深入的研究，從混凝土材料組成、力學(xué)機(jī)理及外界因素等各方面分析了水泥混凝土路面的斷裂破壞，并取得了大量的研究成果，對混凝土路面斷裂處治提供了科學(xué)依據(jù)。
    本文應(yīng)用斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)和路面破壞的原理，對水泥混凝土路面損傷斷裂的產(chǎn)生、擴(kuò)展直至破壞的全過程進(jìn)行分析，指出每個階段混凝土路面裂縫形成的根本原因，以便對癥下藥，為混凝土路面抗裂研究和處治提供科學(xué)依據(jù)。
    1、水泥混凝土路面損傷斷裂微裂縫產(chǎn)生的原因分析
    1．1板底微裂縫的產(chǎn)生
    水泥混凝土路面是將水泥直接澆注在凹凸不平的基層上。水泥砂漿將面層、基層形成一個整體，然而面層、基層的彈性模量、泊松比和強(qiáng)度各不相同。面層與基層的接觸面部分的彈模、泊松比和強(qiáng)度不同于面層的彈模、泊松比和強(qiáng)度，又不同于基層的相應(yīng)指標(biāo)，實質(zhì)上是一過渡層，并且相對面層而言，該層即為強(qiáng)度薄弱層。
    隨著時間的推移，由于基層和面層各自的彈模、泊松比和強(qiáng)度的增長速度各自不同，同時由于面層水泥混凝土逐漸凝結(jié)，混凝土將產(chǎn)生收縮變形，由于溫度的周期性變化，面層與基層之間存在不等量變形。由于以上原因，在面板橫縫切割后必然會導(dǎo)致本來融為一體的過渡層沿路面板薄弱層平面開裂和破壞，將面層與基層彼此分離，破壞面處于一種非常光滑的凹凸不平狀態(tài)。凹凸不平的接觸面阻礙了混凝土面板與基層的不均勻脹縮，產(chǎn)生了巨大剪應(yīng)力。剪應(yīng)力直接對面板施加撕裂破壞，從而使板底不同部位微裂紋產(chǎn)生成為必然。
    1．2板中微裂縫的生成 
    材料的結(jié)構(gòu)組織在外載或環(huán)境因素作用下將出現(xiàn)如微裂紋形成、擴(kuò)展、空洞萌生、晶體位錯等微觀不可逆變化，這些微觀變化將造成材料宏觀力學(xué)性能的劣化，這就是材料的損傷。就宏觀水平來說，混凝土是集料顆粒加水泥漿基體的兩相復(fù)合材料。在制造成形后，混凝土本身就是一種內(nèi)部含水、微裂縫、微孔隙的損傷體，其損傷度D為：
    D＝1－S／／S
    式中：S、S／分別為連續(xù)介質(zhì)中的一個單元出現(xiàn)損后內(nèi)外法線為n的某截面在損傷前后的面積。損傷后混凝土的彈性模量E平：
    E平＝E（1－D）
    式中：E為損傷前混凝土的彈性模量；D為損傷度。
    2、在外力作荷載用下裂縫的擴(kuò)展
    2．1外力作用下板底裂縫的發(fā)展
    由于過渡層的破壞，面板與基層分離，在路面繼續(xù)脹縮和產(chǎn)生溫度變形的剪應(yīng)力作用下，其板底微裂紋必將不斷的發(fā)展、不斷的增多，損傷路面強(qiáng)度。車輛動荷載的作用下，路面板會發(fā)生振動，板的振動反過來又作用于行駛其上的車輛，這種車－板之間的耦合作用隨荷載多少和車速的大小、路面平整狀況以及基層材料性能的不同而變化，并且會對板的開裂產(chǎn)生較大的影響。研究表明，路面越不平整，車速越高，荷載越大，這種作用會更加明顯，裂紋的生成和拓展速度亦就越快。
    2．2板中微裂紋的發(fā)展
    由于混凝土本身是一種損傷體，內(nèi)部含有微裂紋、微孔隙，在行車荷載和溫度應(yīng)力的作用下，原有體內(nèi)的彌散裂隙將進(jìn)一步擴(kuò)展，且新的微裂紋又生成、擴(kuò)展。微裂紋擴(kuò)展并集總是和材料的彈性變形同時出現(xiàn)，但卸荷后不能愈合，因此導(dǎo)致能量耗散，使材料的強(qiáng)度、剛度下降，砼面板損傷度會逐漸增大，路面板板中裂紋尖端附近的混凝土逐漸損傷，裂紋會逐漸發(fā)展和加劇。而不是等外界荷載增大到臨界荷載時原裂紋才出現(xiàn)擴(kuò)展損壞。當(dāng)外力使材料應(yīng)力達(dá)到混凝土拉伸強(qiáng)度ft值時微裂紋迅速擴(kuò)展，骨料顆粒與水泥漿基體之間脫粘，則會出現(xiàn)更多的微裂紋擴(kuò)展匯合成宏觀裂紋。
    2．3板中裂紋與板底裂紋的貫通
    （1）板底及板中出現(xiàn)裂紋后，荷載作用下受拉區(qū)會出現(xiàn)損傷，即：
    α平拉=α拉/(1-D)
    式中：α平拉為板底出現(xiàn)裂紋后的拉應(yīng)力；α拉為路面板完好時的拉應(yīng)力；D為板底初始損傷度。
    受拉區(qū)應(yīng)力增大，裂紋有向板頂擴(kuò)展的趨勢。
    （2）受拉區(qū)受損，承載能力下降，中和軸向板頂移動，導(dǎo)致受壓區(qū)增大，該區(qū)受壓區(qū)損傷進(jìn)一步加劇，板中裂紋延長。
    （3）路面不平整時動載作用將使這種破壞加劇，板中裂紋加速擴(kuò)展。
    板底裂紋的向上擴(kuò)展和板中裂紋的進(jìn)一步延長，必然會導(dǎo)致兩者在某一應(yīng)力水平下互相連通，從而加劇板的開裂破壞。
    2．4混凝土面板裂紋擴(kuò)展的定量描述
    混凝土面板裂紋擴(kuò)展的三個參數(shù)，包括拉伸強(qiáng)度ft ，斷裂能Gf，還有拉伸應(yīng)力—應(yīng)變軟化曲線形式的參數(shù)，其中斷裂能指裂紋擴(kuò)單位面積釋放出的能量。Bazant.oh  1983年研究得出的近似公式：
    Gf＝（2.72＋0.0214ft）f2tda/Ec