水泥混凝土路面研究管理的論文
摘要：本文應(yīng)用斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)和路面破壞的基本原理，重點(diǎn)對(duì)水泥混凝土路面的開(kāi)裂過(guò)程進(jìn)行分析，提出了混凝土路面開(kāi)裂破壞的3個(gè)階段及其之間的關(guān)系，并闡述各個(gè)階段裂紋形成和板破壞的原因及機(jī)理。
關(guān)鍵詞：水泥混凝土路面損傷斷裂疲勞破壞
現(xiàn)在我國(guó)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(jí)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(diǎn)越來(lái)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(guó)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(duì)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(duì)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(guò)程進(jìn)行分析，指出每個(gè)階段混凝土路面裂縫形成的根本原因，以便對(duì)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(gè)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(shí)質(zhì)上是一過(guò)渡層，并且相對(duì)面層而言，該層即為強(qiáng)度薄弱層。
隨著時(shí)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(zhǎng)速度各自不同，同時(shí)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(huì)導(dǎo)致本來(lái)融為一體的過(guò)渡層沿路面板薄弱層平面開(kāi)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(duì)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(cuò)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(lái)說(shuō)，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(gè)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(guò)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(dòng)荷載的作用下，路面板會(huì)發(fā)生振動(dòng)，板的振動(dòng)反過(guò)來(lái)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(huì)對(duì)板的開(kāi)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(huì)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(shí)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(huì)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(huì)逐漸發(fā)展和加劇。而不是等外界荷載增大到臨界荷載時(shí)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f(wàn)t值時(shí)微裂紋迅速擴(kuò)展，骨料顆粒與水泥漿基體之間脫粘，則會(huì)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(huì)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(shí)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(shì)。
�。�2）受拉區(qū)受損，承載能力下降，中和軸向板頂移動(dòng)，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(zhǎng)。
�。�3）路面不平整時(shí)動(dòng)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(zhǎng)，必然會(huì)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(kāi)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(gè)參數(shù)，包括拉伸強(qiáng)度f(wàn)t，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.oh1983年研究得出的近似公式：
Gf＝（2.72＋0.0214ft）f2tda/Ec
其中da為最大骨料粒徑,Ec為混凝土的楊氏模量,ft為拉伸強(qiáng)度。
3．在荷載的作用，面板裂縫上下貫通，使路面產(chǎn)生斷裂破壞
3．1路面疲勞破壞的過(guò)程描述
疲勞強(qiáng)度是水泥混凝土混凝土路面設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，按斷裂力學(xué)觀點(diǎn)，水泥混凝土路面的疲勞破壞過(guò)程應(yīng)分為兩個(gè)階段：即路面完好無(wú)損至底板表面形成明顯的裂紋階段和裂紋擴(kuò)展至路面板完全斷裂階段，并且第一階段通常占材料總壽命的80％左右。然而，在確定混凝土路面的疲勞強(qiáng)度時(shí)，人們往往都是基于經(jīng)典的應(yīng)力－壽命法，即對(duì)萌生裂紋的循環(huán)作用次數(shù)和使這一裂紋擴(kuò)展突然破壞的疲勞次數(shù)不加區(qū)分，在板底裂紋已經(jīng)產(chǎn)生的情況下，板的疲勞壽命實(shí)際上僅相當(dāng)于第二階段的疲勞作用次數(shù)，這正是水泥混凝土路往往未到設(shè)計(jì)年限而了生斷裂破壞的原因。
4．結(jié)束語(yǔ)
水泥混凝土路面的斷裂破壞影響因素非常多，且較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外諸多專家對(duì)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。本文僅從理論的角度定性分析水泥混凝土板的破壞過(guò)程以及原因，目的是為板的開(kāi)裂防治提供一些可行的思路。文中的部分結(jié)論是基于國(guó)內(nèi)外相關(guān)成果進(jìn)行分析和整理而得。值得指出的是：出于分析問(wèn)題的簡(jiǎn)單化，本文僅對(duì)板本身的破壞過(guò)程進(jìn)行了分析和相關(guān)討論，并未涉及到板的基層材料組成及其性能對(duì)板開(kāi)裂破壞的影響。
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