水泥砼路面斷裂的形成和預防
發布時間：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，即損傷應力的門檻值。路面板在凝結過程中產生了板底的初始裂縫。初始裂縫的產生導致路面板在荷載的作用下出現應力集中，使裂縫尖端附近的區域成為損傷最嚴重的區域。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，路面板底部已經出現裂縫，所以在荷載的作用下，裂縫尖端附近區域產生應力集中的現象，根據混凝土的損傷演變規律，裂縫尖端附近區域是損傷最嚴重的區域，也就是說，在裂縫尖端附近的區域中，微小裂縫萌生、擴展、匯聚最快，承受應力的有效面積減少得最快，因而開裂韌度也下降得最快。經過荷載的反復作用，裂縫尖端附近區域損傷不斷積累，成為開裂韌度最低的部位。當某一荷載在裂縫尖端產生的應力強度因子大于裂縫尖端附近區域的開裂韌度時，裂縫就與嚴重損傷區域中的微小裂縫貫通而擴展，從而穿越了導致嚴重損傷區域，裂縫尖端到達新的位置。由于新的裂縫尖端附近的區域損傷度比較小，開裂韌度大于荷載造成的應力強度因子，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域，在荷載的反復作用下，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，而無損傷狀態對應穩定態，損傷積累狀態對應分叉態，裂縫擴展狀態對應混沌態。
第三階段是斷裂階段。當某一荷載的在裂縫尖端產生的應力強度因子大于裂縫尖端附近區域的開裂韌度，裂縫穿越嚴重損傷的區域，尖端到達新的位置，此時，新的裂縫尖端應力強度因子仍然大于新的尖端附近區域的開裂韌度，所以裂縫繼續擴展，無須經過新一輪的損傷累積。由于新的裂縫尖端附近區域的混凝土沒能組織裂縫繼續擴展，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。根據混凝土斷裂力學的雙K準則，混凝土路面板斷裂時，裂縫尖端的應力強度因子已經大于混凝土的失穩開裂韌度。
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、氣孔、孔隙和微裂縫等缺陷，對這些缺陷的數量、形態和分布狀態有影響的因素，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、輕物質等有害物質的含量，和水的酸堿度及水中有害物質的含量。對工程中常見的各種對混凝土的質量有不利影響的各種雜質，并且對這些雜質的含量作了明確的技術指標、質量指標。澆筑時的震搗質量，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，處于流塑狀態的混凝土混合料中會形成一系列的裂隙，這些縫隙構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。混凝土中的孔隙，是未被水泥漿體填充的骨料間隙。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。三是攪拌質量。四是用水量。五是震搗質量。混凝土中的干縮裂縫是混凝土中的水分蒸發所造成的，影響混凝土中水分蒸發的因素兩個，一是有水分蒸發的通道，即混凝土中孔隙的多少，二是混凝土內外的濕度梯度。而影響混凝土內外濕度梯度的因素，主要是混凝土凝結過程中表面的濕度。因此，在養護期間，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，都是在應力大于強度的情況下產生的，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生的應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。在凝結過程中路面混凝土的收縮變形主要是干縮變形。混凝土的早期強度既與材料構成有關，也與施工工藝有關。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力和板端部最大收縮量通過計算，結果如表：
基層對路面板收縮應力的阻力，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，是荷載產生的應力強度因子大于裂縫尖端區域的穩定開裂韌度。所以，影響裂縫尖端應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，即損傷應力的門檻值。路面板在凝結過程中產生了板底的初始裂縫。初始裂縫的產生導致路面板在荷載的作用下出現應力集中，使裂縫尖端附近的區域成為損傷最嚴重的區域。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，路面板底部已經出現裂縫，所以在荷載的作用下，裂縫尖端附近區域產生應力集中的現象，根據混凝土的損傷演變規律，裂縫尖端附近區域是損傷最嚴重的區域，也就是說，在裂縫尖端附近的區域中，微小裂縫萌生、擴展、匯聚最快，承受應力的有效面積減少得最快，因而開裂韌度也下降得最快。經過荷載的反復作用，裂縫尖端附近區域損傷不斷積累，成為開裂韌度最低的部位。當某一荷載在裂縫尖端產生的應力強度因子大于裂縫尖端附近區域的開裂韌度時，裂縫就與嚴重損傷區域中的微小裂縫貫通而擴展，從而穿越了導致嚴重損傷區域，裂縫尖端到達新的位置。由于新的裂縫尖端附近的區域損傷度比較小，開裂韌度大于荷載造成的應力強度因子，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域，在荷載的反復作用下，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，而無損傷狀態對應穩定態，損傷積累狀態對應分叉態，裂縫擴展狀態對應混沌態。
第三階段是斷裂階段。當某一荷載的在裂縫尖端產生的應力強度因子大于裂縫尖端附近區域的開裂韌度，裂縫穿越嚴重損傷的區域，尖端到達新的位置，此時，新的裂縫尖端應力強度因子仍然大于新的尖端附近區域的開裂韌度，所以裂縫繼續擴展，無須經過新一輪的損傷累積。由于新的裂縫尖端附近區域的混凝土沒能組織裂縫繼續擴展，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。根據混凝土斷裂力學的雙K準則，混凝土路面板斷裂時，裂縫尖端的應力強度因子已經大于混凝土的失穩開裂韌度。
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、氣孔、孔隙和微裂縫等缺陷，對這些缺陷的數量、形態和分布狀態有影響的因素，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、輕物質等有害物質的含量，和水的酸堿度及水中有害物質的含量。對工程中常見的各種對混凝土的質量有不利影響的各種雜質，并且對這些雜質的含量作了明確的技術指標、質量指標。澆筑時的震搗質量，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，處于流塑狀態的混凝土混合料中會形成一系列的裂隙，這些縫隙構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。混凝土中的孔隙，是未被水泥漿體填充的骨料間隙。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。三是攪拌質量。四是用水量。五是震搗質量。混凝土中的干縮裂縫是混凝土中的水分蒸發所造成的，影響混凝土中水分蒸發的因素兩個，一是有水分蒸發的通道，即混凝土中孔隙的多少，二是混凝土內外的濕度梯度。而影響混凝土內外濕度梯度的因素，主要是混凝土凝結過程中表面的濕度。因此，在養護期間，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，都是在應力大于強度的情況下產生的，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生的應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。在凝結過程中路面混凝土的收縮變形主要是干縮變形。混凝土的早期強度既與材料構成有關，也與施工工藝有關。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力和板端部最大收縮量通過計算，結果如表：
基層對路面板收縮應力的阻力，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，是荷載產生的應力強度因子大于裂縫尖端區域的穩定開裂韌度。所以，影響裂縫尖端應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。
