水泥砼路面斷裂的形成和預(yù)防
發(fā)布時間：2010-01-14 共2頁
一、概述
水泥混凝土路面破壞的過程是微小缺陷形成、開始而逐漸擴展，逐漸形成裂縫貫通，即最后形成貫穿路面板的裂縫。這個過程大致可以分三個階段：
第一個階段是初始損傷和初始裂縫的形成階段。在路面板混凝土攪拌、澆筑和成型養(yǎng)護過程中形成的微空隙。微裂縫即路面板的初始損傷。這個初始損傷決定了路面板在荷載作用下進一步擴展的臨界條件，即損傷應(yīng)力的門檻值。路面板在凝結(jié)過程中產(chǎn)生了板底的初始裂縫。初始裂縫的產(chǎn)生導(dǎo)致路面板在荷載的作用下出現(xiàn)應(yīng)力集中，使裂縫尖端附近的區(qū)域成為損傷最嚴重的區(qū)域。這一階段是水泥混凝土路面板使用壽命前的階段，是破壞過程的初始階段。
第二階段是損傷的不均衡累積和裂縫有限度擴展的階段。由于在投入使用前，路面板底部已經(jīng)出現(xiàn)裂縫，所以在荷載的作用下，裂縫尖端附近區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，根據(jù)混凝土的損傷演變規(guī)律，裂縫尖端附近區(qū)域是損傷最嚴重的區(qū)域，也就是說，在裂縫尖端附近的區(qū)域中，微小裂縫萌生、擴展、匯聚最快，承受應(yīng)力的有效面積減少得最快，因而開裂韌度也下降得最快。經(jīng)過荷載的反復(fù)作用，裂縫尖端附近區(qū)域損傷不斷積累，成為開裂韌度最低的部位。當某一荷載在裂縫尖端產(chǎn)生的應(yīng)力強度因子大于裂縫尖端附近區(qū)域的開裂韌度時，裂縫就與嚴重損傷區(qū)域中的微小裂縫貫通而擴展，從而穿越了導(dǎo)致嚴重損傷區(qū)域，裂縫尖端到達新的位置。由于新的裂縫尖端附近的區(qū)域損傷度比較小，開裂韌度大于荷載造成的應(yīng)力強度因子，所以裂縫停止擴展。新的裂縫尖端附近成為了又一階段損傷最嚴重的區(qū)域，在荷載的反復(fù)作用下，開始了新一輪的損傷累積和裂縫擴展。上述過程不斷反復(fù)進行，裂縫不斷地加深。在裂縫加深的過程中，荷載作用下在裂縫尖端的應(yīng)力強度因子隨著裂縫深度的增大而增大，能夠超越的斷裂韌度越來越大，也就是說，深度越大，裂縫就更容易擴展。這一階段涵蓋了水泥混凝土路面的整個使用壽命期，是破壞過程中最漫長的階段，荷載的每一次作用可以通過混沌方程加以描述，而無損傷狀態(tài)對應(yīng)穩(wěn)定態(tài)，損傷積累狀態(tài)對應(yīng)分叉態(tài)，裂縫擴展狀態(tài)對應(yīng)混沌態(tài)。
第三階段是斷裂階段。當某一荷載的在裂縫尖端產(chǎn)生的應(yīng)力強度因子大于裂縫尖端附近區(qū)域的開裂韌度，裂縫穿越嚴重損傷的區(qū)域，尖端到達新的位置，此時，新的裂縫尖端應(yīng)力強度因子仍然大于新的尖端附近區(qū)域的開裂韌度，所以裂縫繼續(xù)擴展，無須經(jīng)過新一輪的損傷累積。由于新的裂縫尖端附近區(qū)域的混凝土沒能組織裂縫繼續(xù)擴展，所以裂縫就迅速貫穿路面板的整個厚度，使板塊徹底斷裂破壞。這一階段是水泥混凝土破壞過程的最后一刻，是最短暫的階段。根據(jù)混凝土斷裂力學(xué)的雙K準則，混凝土路面板斷裂時，裂縫尖端的應(yīng)力強度因子已經(jīng)大于混凝土的失穩(wěn)開裂韌度。
二、水泥混凝土路面破壞過程的影響因素
1、影響初始損傷形成的因素
水泥混凝土的初損傷包括雜質(zhì)、氣孔、孔隙和微裂縫等缺陷，對這些缺陷的數(shù)量、形態(tài)和分布狀態(tài)有影響的因素，都是水泥混凝土路面板初始損傷的影響因素。對混凝土中雜質(zhì)及其有害生成物的形成和分布有影響的因素，包括骨料中的泥土、有機物、輕物質(zhì)等有害物質(zhì)的含量，和水的酸堿度及水中有害物質(zhì)的含量。對工程中常見的各種對混凝土的質(zhì)量有不利影響的各種雜質(zhì)，并且對這些雜質(zhì)的含量作了明確的技術(shù)指標、質(zhì)量指標。澆筑時的震搗質(zhì)量，是影響混凝土排除空氣的重要因素。在震搗過程中，由于震動的作用，處于流塑狀態(tài)的混凝土混合料中會形成一系列的裂隙，這些縫隙構(gòu)成了排除空氣的通道。震搗的效果越好，混凝土中的氣孔就越少?；炷林械目紫叮俏幢凰酀{體填充的骨料間隙。影響孔隙形成的因素有五個:一是骨料的級配。二是水泥用量。三是攪拌質(zhì)量。四是用水量。五是震搗質(zhì)量?；炷林械母煽s裂縫是混凝土中的水分蒸發(fā)所造成的，影響混凝土中水分蒸發(fā)的因素兩個，一是有水分蒸發(fā)的通道，即混凝土中孔隙的多少，二是混凝土內(nèi)外的濕度梯度。而影響混凝土內(nèi)外濕度梯度的因素，主要是混凝土凝結(jié)過程中表面的濕度。因此，在養(yǎng)護期間，混凝土表面保濕的情況是混凝土干縮裂縫形成的重要影響因素。冷縮裂縫是由混凝土的內(nèi)外溫差造成的，所以影響冷縮裂縫形成，一是水泥的水化熱，二是混凝土澆筑時的溫度，三是混凝土凝結(jié)過程中表面的溫度。不管是干縮裂縫還是冷縮裂縫，都是在應(yīng)力大于強度的情況下產(chǎn)生的，而混凝士的徐變量與收縮量的之差和彈性模量決定應(yīng)力的大小，所以混凝土的早期強度、彈性模量和徐變都是各種裂縫形成過程中的重要影響因素。
2、造成初始裂縫形成的因素
水泥混凝土路面板初始裂縫是在路面板的收縮受到基層制約后產(chǎn)生的應(yīng)力大于水泥混凝土的強度所造成的，因此混凝土的收縮率和早期強度、路面板的長度、基層的阻力等對初始裂縫具有重要的影響。在凝結(jié)過程中路面混凝土的收縮變形主要是干縮變形?；炷恋脑缙趶姸燃扰c材料構(gòu)成有關(guān)，也與施工工藝有關(guān)。如果添加早強劑，或者采用真空吸水的施工工藝，混凝土的早期強度就會比較高。路面板的長度對板底的拉應(yīng)力和板塊位移的影響是明顯的。各種長度的板塊的平均最大拉應(yīng)力和板端部最大收縮量通過計算，結(jié)果如表：
基層對路面板收縮應(yīng)力的阻力，決定于過渡層的抗剪強度和剪切破壞后界面的粗糙度。
3、影響裂縫擴展的因素
裂縫擴展的條件，是荷載產(chǎn)生的應(yīng)力強度因子大于裂縫尖端區(qū)域的穩(wěn)定開裂韌度。所以，影響裂縫尖端應(yīng)力強度因子大小和混凝土開裂韌度大小的因素，都是影響裂縫擴展的因素。
水泥混凝土路面破壞的過程是微小缺陷形成、開始而逐漸擴展，逐漸形成裂縫貫通，即最后形成貫穿路面板的裂縫。這個過程大致可以分三個階段：
第一個階段是初始損傷和初始裂縫的形成階段。在路面板混凝土攪拌、澆筑和成型養(yǎng)護過程中形成的微空隙。微裂縫即路面板的初始損傷。這個初始損傷決定了路面板在荷載作用下進一步擴展的臨界條件，即損傷應(yīng)力的門檻值。路面板在凝結(jié)過程中產(chǎn)生了板底的初始裂縫。初始裂縫的產(chǎn)生導(dǎo)致路面板在荷載的作用下出現(xiàn)應(yīng)力集中，使裂縫尖端附近的區(qū)域成為損傷最嚴重的區(qū)域。這一階段是水泥混凝土路面板使用壽命前的階段，是破壞過程的初始階段。
第二階段是損傷的不均衡累積和裂縫有限度擴展的階段。由于在投入使用前，路面板底部已經(jīng)出現(xiàn)裂縫，所以在荷載的作用下，裂縫尖端附近區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，根據(jù)混凝土的損傷演變規(guī)律，裂縫尖端附近區(qū)域是損傷最嚴重的區(qū)域，也就是說，在裂縫尖端附近的區(qū)域中，微小裂縫萌生、擴展、匯聚最快，承受應(yīng)力的有效面積減少得最快，因而開裂韌度也下降得最快。經(jīng)過荷載的反復(fù)作用，裂縫尖端附近區(qū)域損傷不斷積累，成為開裂韌度最低的部位。當某一荷載在裂縫尖端產(chǎn)生的應(yīng)力強度因子大于裂縫尖端附近區(qū)域的開裂韌度時，裂縫就與嚴重損傷區(qū)域中的微小裂縫貫通而擴展，從而穿越了導(dǎo)致嚴重損傷區(qū)域，裂縫尖端到達新的位置。由于新的裂縫尖端附近的區(qū)域損傷度比較小，開裂韌度大于荷載造成的應(yīng)力強度因子，所以裂縫停止擴展。新的裂縫尖端附近成為了又一階段損傷最嚴重的區(qū)域，在荷載的反復(fù)作用下，開始了新一輪的損傷累積和裂縫擴展。上述過程不斷反復(fù)進行，裂縫不斷地加深。在裂縫加深的過程中，荷載作用下在裂縫尖端的應(yīng)力強度因子隨著裂縫深度的增大而增大，能夠超越的斷裂韌度越來越大，也就是說，深度越大，裂縫就更容易擴展。這一階段涵蓋了水泥混凝土路面的整個使用壽命期，是破壞過程中最漫長的階段，荷載的每一次作用可以通過混沌方程加以描述，而無損傷狀態(tài)對應(yīng)穩(wěn)定態(tài)，損傷積累狀態(tài)對應(yīng)分叉態(tài)，裂縫擴展狀態(tài)對應(yīng)混沌態(tài)。
第三階段是斷裂階段。當某一荷載的在裂縫尖端產(chǎn)生的應(yīng)力強度因子大于裂縫尖端附近區(qū)域的開裂韌度，裂縫穿越嚴重損傷的區(qū)域，尖端到達新的位置，此時，新的裂縫尖端應(yīng)力強度因子仍然大于新的尖端附近區(qū)域的開裂韌度，所以裂縫繼續(xù)擴展，無須經(jīng)過新一輪的損傷累積。由于新的裂縫尖端附近區(qū)域的混凝土沒能組織裂縫繼續(xù)擴展，所以裂縫就迅速貫穿路面板的整個厚度，使板塊徹底斷裂破壞。這一階段是水泥混凝土破壞過程的最后一刻，是最短暫的階段。根據(jù)混凝土斷裂力學(xué)的雙K準則，混凝土路面板斷裂時，裂縫尖端的應(yīng)力強度因子已經(jīng)大于混凝土的失穩(wěn)開裂韌度。
二、水泥混凝土路面破壞過程的影響因素
1、影響初始損傷形成的因素
水泥混凝土的初損傷包括雜質(zhì)、氣孔、孔隙和微裂縫等缺陷，對這些缺陷的數(shù)量、形態(tài)和分布狀態(tài)有影響的因素，都是水泥混凝土路面板初始損傷的影響因素。對混凝土中雜質(zhì)及其有害生成物的形成和分布有影響的因素，包括骨料中的泥土、有機物、輕物質(zhì)等有害物質(zhì)的含量，和水的酸堿度及水中有害物質(zhì)的含量。對工程中常見的各種對混凝土的質(zhì)量有不利影響的各種雜質(zhì)，并且對這些雜質(zhì)的含量作了明確的技術(shù)指標、質(zhì)量指標。澆筑時的震搗質(zhì)量，是影響混凝土排除空氣的重要因素。在震搗過程中，由于震動的作用，處于流塑狀態(tài)的混凝土混合料中會形成一系列的裂隙，這些縫隙構(gòu)成了排除空氣的通道。震搗的效果越好，混凝土中的氣孔就越少?；炷林械目紫叮俏幢凰酀{體填充的骨料間隙。影響孔隙形成的因素有五個:一是骨料的級配。二是水泥用量。三是攪拌質(zhì)量。四是用水量。五是震搗質(zhì)量?；炷林械母煽s裂縫是混凝土中的水分蒸發(fā)所造成的，影響混凝土中水分蒸發(fā)的因素兩個，一是有水分蒸發(fā)的通道，即混凝土中孔隙的多少，二是混凝土內(nèi)外的濕度梯度。而影響混凝土內(nèi)外濕度梯度的因素，主要是混凝土凝結(jié)過程中表面的濕度。因此，在養(yǎng)護期間，混凝土表面保濕的情況是混凝土干縮裂縫形成的重要影響因素。冷縮裂縫是由混凝土的內(nèi)外溫差造成的，所以影響冷縮裂縫形成，一是水泥的水化熱，二是混凝土澆筑時的溫度，三是混凝土凝結(jié)過程中表面的溫度。不管是干縮裂縫還是冷縮裂縫，都是在應(yīng)力大于強度的情況下產(chǎn)生的，而混凝士的徐變量與收縮量的之差和彈性模量決定應(yīng)力的大小，所以混凝土的早期強度、彈性模量和徐變都是各種裂縫形成過程中的重要影響因素。
2、造成初始裂縫形成的因素
水泥混凝土路面板初始裂縫是在路面板的收縮受到基層制約后產(chǎn)生的應(yīng)力大于水泥混凝土的強度所造成的，因此混凝土的收縮率和早期強度、路面板的長度、基層的阻力等對初始裂縫具有重要的影響。在凝結(jié)過程中路面混凝土的收縮變形主要是干縮變形?；炷恋脑缙趶姸燃扰c材料構(gòu)成有關(guān)，也與施工工藝有關(guān)。如果添加早強劑，或者采用真空吸水的施工工藝，混凝土的早期強度就會比較高。路面板的長度對板底的拉應(yīng)力和板塊位移的影響是明顯的。各種長度的板塊的平均最大拉應(yīng)力和板端部最大收縮量通過計算，結(jié)果如表：
基層對路面板收縮應(yīng)力的阻力，決定于過渡層的抗剪強度和剪切破壞后界面的粗糙度。
3、影響裂縫擴展的因素
裂縫擴展的條件，是荷載產(chǎn)生的應(yīng)力強度因子大于裂縫尖端區(qū)域的穩(wěn)定開裂韌度。所以，影響裂縫尖端應(yīng)力強度因子大小和混凝土開裂韌度大小的因素，都是影響裂縫擴展的因素。
