水泥混凝土路面板后期加速断裂影响因素分析.doc

1、水泥混凝土路面板后期加速断裂影响因素分析摘要：水泥混凝土路面是路面结构的重要组成部分，但在服役年限内大面积断裂破坏现象非常突出。通过阐述层间粘接破坏、支承条件改变、水的侵蚀和接缝损坏下的水泥混凝土路面板破坏过程，揭示了影响水泥混凝土路面板加速断裂的影响因素。 关键字：水泥混凝土路面，后期破坏，开裂过程，影响因素 中图分类号：414 文献标志码：A 文章编号： 一、水泥路面板早期破坏过程 在摊铺新拌混凝土的过程中，混凝土直接浇筑在路面基层上。基层表面的凹凸不平和孔隙的存在，使得水泥砂浆部分渗入基层，形成了弹性模量，泊松比和强度介于面层和基层的过渡层。过渡层的顶面和底面分别与面层底面和基层顶面粘接

2、，约束了路面板的收缩变形，从而在过渡层界面产生剪应力，形成水平的裂缝，在面层底部产生拉应力，形成与拉应力垂直的裂缝1。路面板在行车荷载和温度应力的反复作用，路面损伤达到一定程度时，裂缝将进一步扩展，直至出现第一条裂缝贯穿整个路面板。 二、层间粘接的破坏 水泥砼面层和基层是实现路面功能的重要结构组成部分，两者在行车荷载作用下协同工作。对已出现裂缝的水泥路面板，面层和基层的粘接程度对板的后期破坏有很大影响。据研究表明，随着接触面的粘聚力增加，即基层和面层粘结层度增加，行车荷载作用下的水泥路面板层底拉应力逐渐减小，基层底拉应力逐渐增加。标准轴载作用下，基层底拉应力通常远小于基层抗拉强度，即使将轴载增

3、至两倍标准轴载和三倍标准轴载，基层拉应力仍然很小，不会引起基层开裂破坏。 相比于层间粘接良好的水泥路面，已开裂的水泥路面在过渡区形成的水平裂缝削弱了面层和基层的粘接，面层底部拉应力大，基层受到的拉应力小，行车荷载冲击力不能有效的传递，面层所受拉应力大于路面板抗拉强度，导致路面板在荷载反复作用下断裂。 其中，路面板处于最不利的情况是面板与基层之间的接触表面粗造、不平滑,且两者之间由于路基沉陷或面板收缩或受到温度应力的影响而导致板与基层之间形成透空状态2。此时,路面板底的拉应力、最大挠度、最大主应变都是最大的,设计中应尽量避免这种状况发生,施工时注意保证路基的压实质量和路面混凝土的养生质量。 三、

4、支承条件的改变 和其他混凝土结构工程相比，路面工程要承受繁重的交通荷载、冲击及磨损破坏、重在车轮的作用、动载疲劳损坏，还要承受温度，湿度和腐蚀等外界因素的破坏作用。为保证道路在服役周期内的结构性能和使用性能，水泥混凝土路面设计时，需确保良好的支承条件。 由于混凝土面层的刚度大，路面结构的承载能力主要由面层提供，对基层的强度要求不高计算表明,车辆荷载在均匀支承的水泥混凝土路面板内产生的弯拉应力不大。随着车辆荷载的反复作用，路面基层将产生弯沉变形，也会使路基产生塑性形变，特别是以石灰，水泥等无机结合料稳定细粒土为基层的道路3。路面板在荷载驶离后恢复原状而路基则残留了部分塑性变形不能恢复。荷载每次作

5、用后的微小变形累积量形成了脱空且荷载在路面板不同部位产生的弯沉量不同，板中部弯沉量最小，板角隅处大于板边缘处。这样，在板中形成了不同程度沉降的脱空。 此外，由于温度，湿度的影响，混凝土板将产生挠曲变形，致使混凝土板不再与路基保持连续紧密接触。自然环境下，裸露的水泥混凝土路面板，需要承受温度应力的作用，路面板早期产生的收缩导致其水平抗剪能力下降。在正温度低度下，板中心向上凸起，四周凹陷。负温度梯度下，板角和板边缘向上翘曲，板中下凹,加速了路面板与板下基层的分离。 施工过程中，土基压实不均匀也将导致水泥路面板在使用后期出现大量脱空。 脱空出现后，板失去基层的均匀支撑，产生不均匀沉降，其受力状态类似

6、于悬臂梁,将产生过大的应力、应变和竖向变形,极易导致水泥混凝土路面板在荷载作用下极易在这些薄弱部位产生纵横向的断裂或角隅的损坏，是加速水泥路面板断裂破坏的重要原因，将严重影响水泥混凝土路面板的使用性能和疲劳寿命。 四、水的侵蚀 研究表明,就现行设计理论而言,如果路面各层性能正常,层间界面理想接触,设计和施工良好的水泥混凝土路面,一般要经过长期使用且达到其设计使用年限后,才会开裂破坏,这是由路面的结构和荷载的特点所决定的。 但水泥路面一旦开始出现断裂、脱空等病害，短时间内便会出现破坏加剧过程，出现大面积的开裂断板等病害。 因降雨等原因，路基有时处于浸润状态，在车轮荷载作用下，路面板与基层之间会产

7、生高压水流，侵蚀基层表面，冲刷下来的土颗粒（尤其是细颗粒）造成泥浆，在车轮动荷载作用产生的巨大压力沿路面板边缝及横缝喷射出，久而久之就会淘空基层，形成脱空4。此外，由于纵缝、横缝的存在，大气降水会沿缝隙下渗，并积聚在脱空区内。在车载作用下，车轮驶过板体回弹时，形成真空，这种负压进一步将水泵入已形成的空隙中，开始表现为少量的冒水现象。随着荷载的进一步作用，被水浸湿基层的路面板开始移动，当车载开始驶入板内时，脱空区积滞的水被挤向前方；当后车轮驶离路面板时，又将水挤向后方。荷载移动引起的水动压力，使联接较弱的基层胶结料受到冲刷，破坏了基层和面层的粘接，加速了路面板的破坏。 五、接缝处的病害 接缝是水

8、泥混凝土路面不可或缺的组成部分，虽然在整个水泥混凝土路面中所占比例很小，但在整个结构中所起的作用缺非常之大。为了保证路面板之间荷载的有效传递，许多国家规定在水泥沪宁图路面胀缝和缩缝处设置传力杆，纵缝处设置拉杆，以更好地适应日益增长的交通需求。 普通水泥混凝土路面的面层在纵向和横向都设有接缝，以此减小早期水泥路面内部应力。这些将路面分成若干块的接缝不但增加了施工和养护的复杂性，影响了行车的舒适性。随着温度和湿度的变化，接缝缝隙相应的张开璧合，导致了路表水渗入基层而引起唧泥、错台、脱空等病害；坚硬的物体落入接缝会阻碍水泥混凝土路面板的自由膨胀导致接缝的碎裂。接缝病害占了路面病害的大多数，由接缝引起

9、的损害达到了63%5。 此外，接缝传荷能力大小直接影响板内的应力，对板边、板角的影响更大，接缝处的病害引起的传荷能力衰减会引起路面板结构性能的降低。 六、结语 列举了加速水泥路面板后期破坏的几种因素，并分别阐述了层间粘接破坏后、支承条件改变后、水的侵蚀和接缝处的病害下，路面板加速断裂过程。主要得出如下结论：1）层间粘接的破坏导致荷载冲击不能有效传递，面层所受拉应力大于抗拉强度而发生断裂破坏。2）受车载和温度等作用引起的脱空改变了水泥混凝土路面板的支承条件，是加速路面板断裂的重要因素。3）水的冲击和侵蚀作用进一步恶化了层间粘接，加剧了脱空过程。4）加强养护，减少接缝处的病害对减缓路面板后期破坏有一定作用。 参考文献： 1吴国雄,易志坚,姚令侃.水泥混凝土路面早期裂缝的生成机理及防治对策研究.西南交通大学学报.2003(6): 2杨斌,欧孝夺.高等级公路水泥混凝土路面断裂破坏原因分析J.广西大学学报.2001;Vol.26,N0.1:59 一 62 3蔡四维,蔡敏.混凝土的损伤断裂.北京:人民交通出版社.1999.10. 4王军.报伤力学的理论与应用.科学出版社.1997.4 5 水泥混凝土路面破坏过程分析及抗裂研究Dl.重庆交通学院,重庆市公路局，庆北方高速公路有限公司.2002