水泥砼路面斷裂的形成和預(yù)防

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上一、概述 水泥混凝土路面破壞的過(guò)程是微小缺陷形成、開(kāi)始而逐漸擴(kuò)展，逐漸形成裂縫貫通，即最后形成貫穿路面板的裂縫。這個(gè)過(guò)程大致可以分三個(gè)階段:第一個(gè)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(hù)過(guò)程中形成的微空隙。微裂縫即路面板的初始損傷。這個(gè)初始損傷決定了路面板在荷載作用下進(jìn)一步擴(kuò)展的臨界條件，即損傷應(yīng)力的門檻值。路面板在凝結(jié)過(guò)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(yán)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(guò)程的初始階段。第二階段是損傷的不均衡累積和裂縫有

2、限度擴(kuò)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(yán)重的區(qū)域，也就是說(shuō)，在裂縫尖端附近的區(qū)域中，微小裂縫萌生、擴(kuò)展、匯聚最快，承受應(yīng)力的有效面積減少得最快，因而開(kāi)裂韌度也下降得最快。經(jīng)過(guò)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(kāi)裂韌度最低的部位。當(dāng)某一荷載在裂縫尖端產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于裂縫尖端附近區(qū)域的開(kāi)裂韌度時(shí)，裂縫就與嚴(yán)重?fù)p傷區(qū)域中的微小裂縫貫通而擴(kuò)展，從而穿越了導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p傷區(qū)域，裂縫尖端到達(dá)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(kāi)裂韌度大于荷載造成的應(yīng)

3、力強(qiáng)度因子，所以裂縫停止擴(kuò)展。新的裂縫尖端附近成為了又一階段損傷最嚴(yán)重的區(qū)域，在荷載的反復(fù)作用下，開(kāi)始了新一輪的損傷累積和裂縫擴(kuò)展。上述過(guò)程不斷反復(fù)進(jìn)行，裂縫不斷地加深。在裂縫加深的過(guò)程中，荷載作用下在裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)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(lái)越大，也就是說(shuō)，深度越大，裂縫就更容易擴(kuò)展。這一階段涵蓋了水泥混凝土路面的整個(gè)使用壽命期，是破壞過(guò)程中最漫長(zhǎng)的階段，荷載的每一次作用可以通過(guò)混沌方程加以描述，而無(wú)損傷狀態(tài)對(duì)應(yīng)穩(wěn)定態(tài)，損傷積累狀態(tài)對(duì)應(yīng)分叉態(tài)，裂縫擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)對(duì)應(yīng)混沌態(tài)。第三階段是斷裂階段。當(dāng)某一荷載的在裂縫尖端產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于裂縫尖端附近區(qū)域的開(kāi)裂韌度，裂縫穿

4、越嚴(yán)重?fù)p傷的區(qū)域，尖端到達(dá)新的位置，此時(shí)，新的裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子仍然大于新的尖端附近區(qū)域的開(kāi)裂韌度，所以裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，無(wú)須經(jīng)過(guò)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(méi)能組織裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，所以裂縫就迅速貫穿路面板的整個(gè)厚度，使板塊徹底斷裂破壞。這一階段是水泥混凝土破壞過(guò)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(zhǔn)則，混凝土路面板斷裂時(shí)，裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子已經(jīng)大于混凝土的失穩(wěn)開(kāi)裂韌度。二、水泥混凝土路面破壞過(guò)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(duì)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

5、損傷的影響因素。對(duì)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(jī)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(duì)工程中常見(jiàn)的各種對(duì)混凝土的質(zhì)量有不利影響的各種雜質(zhì)，并且對(duì)這些雜質(zhì)的含量作了明確的技術(shù)指標(biāo)、質(zhì)量指標(biāo)。澆筑時(shí)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(guò)程中，由于震動(dòng)的作用，處于流塑狀態(tài)的混凝土混合料中會(huì)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?，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(gè):一是骨料的級(jí)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。混凝

6、土中的干縮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(gè)，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(guò)程中表面的濕度。因此，在養(yǎng)護(hù)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(shí)的溫度，三是混凝土凝結(jié)過(guò)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(qiáng)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(qiáng)度、彈性模量和徐變都是各種裂縫形成過(guò)程中的重要

7、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(qiáng)度所造成的，因此混凝土的收縮率和早期強(qiáng)度、路面板的長(zhǎng)度、基層的阻力等對(duì)初始裂縫具有重要的影響。在凝結(jié)過(guò)程中路面混凝土的收縮變形主要是干縮變形?；炷恋脑缙趶?qiáng)度既與材料構(gòu)成有關(guān)，也與工藝有關(guān)。如果添加早強(qiáng)劑，或者采用真空吸水的施工工藝，混凝土的早期強(qiáng)度就會(huì)比較高。路面板的長(zhǎng)度對(duì)板底的拉應(yīng)力和板塊位移的影響是明顯的。各種長(zhǎng)度的板塊的平均最大拉應(yīng)力和板端部最大收縮量通過(guò)計(jì)算，結(jié)果如表：28天砼板最大收縮拉應(yīng)力和最大收縮位移 表1 基層對(duì)路面板收縮應(yīng)力的阻力，決定于過(guò)渡層的抗

8、剪強(qiáng)度和剪切破壞后界面的粗糙度。 3、影響裂縫擴(kuò)展的因素裂縫擴(kuò)展的條件，是荷載產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于裂縫尖端區(qū)域的穩(wěn)定開(kāi)裂韌度。所以，影響裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子大小和混凝土開(kāi)裂韌度大小的因素，都是影響裂縫擴(kuò)展的因素。三、防止水泥砼路面斷裂的預(yù)防措施水泥混凝土的抗裂措施，至少在必須下列五方面之一發(fā)揮積極作用:減少混凝土的缺陷;提高混凝土的韌度;減少路面板收縮應(yīng)力。實(shí)際上，很多的工程措施并不是純粹在某一方面發(fā)生作用，而是同時(shí)在幾個(gè)方面發(fā)揮作用。有些措施在一些方面發(fā)揮了積極的作用，而在另一些卻有不利的影響，有些措施則在諸多方面都對(duì)混凝土路面抗裂有利。1、減少混凝土的缺陷減少缺陷，就是要減少混凝土中的雜

9、質(zhì)、氣孔、微孔隙和微裂縫，降低路面板的初始損傷度。按照規(guī)范的規(guī)定：選用材料是控制混凝土材料缺陷的根本措施。要減少氣孔，加強(qiáng)震搗是排除空氣的途徑。要減少孔隙，就要使骨料的級(jí)配更加密實(shí)，要保證不少于最低的水泥用量。采用添加減水劑等外加劑的辦法減少用水量，提高攪拌和震搗質(zhì)量。為了減少混凝土中的水分，要盡可能采用真空吸水的工藝，減少干縮裂縫。保濕養(yǎng)護(hù)水泥混凝土表面。減少溫度收縮裂縫的關(guān)鍵在于減少混凝土的內(nèi)外溫差，具體的辦法有三個(gè):一是盡量避免在不利的溫度環(huán)境下施工，二是選用低水化熱的水泥，三是及時(shí)保溫。所以，加強(qiáng)水泥混凝土凝結(jié)期間的養(yǎng)護(hù)，是減少混凝土中微裂縫的重要措施。提高混凝土的早期抗拉強(qiáng)度，對(duì)減少

10、裂縫非常有利。通常的做法是添加早強(qiáng)劑。另外采用真空吸水的施工工藝也有利于早期強(qiáng)度的形成。2、提高混凝土的韌度降低初始度增加有效的受力面積，是提高混凝土韌度的有效措施。除此之外，還可以利用鋼筋、纖維或聚合物等材料，改變混凝土的受力反應(yīng)模式。鋼筋混凝土是常用的復(fù)合型材料。纖維混凝土是以水泥漿、砂漿或混凝土為基體，以金屬材料、無(wú)機(jī)纖維或有機(jī)纖維增強(qiáng)材料組成的一種復(fù)合材料。目前用于混凝土的纖維有鋼纖維、有機(jī)纖維、無(wú)機(jī)纖維和合成纖維，而應(yīng)用比較多的鋼纖維和合成纖維。路面工程中應(yīng)用最多的是鋼纖維混凝土。從宏觀角度考察，與普通混凝土相比，鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度提高了520%,彎拉拉強(qiáng)度提高2050%，抗拉強(qiáng)

11、度提高2040%，收縮裂縫的總量減少了50%左右，在沖擊荷載作用下的抗裂性能提高了23倍。合成纖維是近年來(lái)逐漸被采用的纖維材料。合成纖維對(duì)改善混凝土的性能有很大的作用。3、減小路面板的收縮應(yīng)力路面板產(chǎn)生收縮應(yīng)力的條件一是板塊收縮變形，二是變形受到限制。對(duì)于板塊干縮變形的控制，就是對(duì)混凝土干縮的控制。板塊的冷縮變形取決于氣溫變化和混凝土的熱膨脹性能，工程措施對(duì)此影響很小。減少路面板變形的限制，一是要提高基層的平整度，減少路面板與基層之間的摩擦，二是要阻止過(guò)渡層的生成，如在基層上鋪設(shè)塑料薄膜等。減少路面板的收縮應(yīng)力另一個(gè)重要措施，就是及時(shí)將已經(jīng)產(chǎn)生的釋放。所以，把握好水泥混凝土路面的切縫時(shí)間非常重

12、要。有資料表明水泥混凝土20年收縮量的1434%發(fā)生在水泥混凝土的14d齡期內(nèi)，4080%發(fā)生在3個(gè)月齡期內(nèi)。因此，在路面板強(qiáng)度形成之初就要切縫以釋放收縮應(yīng)力。切縫時(shí)間與水泥混凝土施工溫度、濕度等因素有關(guān)，一般規(guī)律為:當(dāng)氣溫2030時(shí)，切縫時(shí)間在水泥混凝土澆筑后310h為宜:當(dāng)氣溫在1020時(shí)，切縫時(shí)間在水泥餛凝土澆筑后lO12h。4、減小路面板的荷載拉應(yīng)力路面板荷載拉應(yīng)力的大小，取決于荷載的大小。汽車荷載是沖擊荷載，其大小不但與車輛輪胎對(duì)路面的靜止壓力有關(guān)，而且車一路的禍合程度有關(guān)。要減小輪胎對(duì)路面的靜止壓力，就要對(duì)車輛實(shí)行限載管理，禁止超載的車輛上路。要削弱車一路的禍合作用，分別從車和路兩

13、方面采取措施。對(duì)于汽車方面要采取限速措施，降低車輛荷載的震動(dòng)頻率;對(duì)于路方面，要提高路面的平整度，降低車輛的震動(dòng)幅度。溫度荷載的大小既與路面板的溫度梯度有關(guān)，也與基層和路面板之物和水泥和水在一起攪拌時(shí)，聚合物和水泥水化物間就要產(chǎn)生離子鍵型的化學(xué)結(jié)合。除此之外，聚合物和無(wú)機(jī)化合物間還可以通過(guò)氫鍵和范得華鍵相互作用。三、聚合物發(fā)揮了減水的作用。聚合物能夠改善水泥混凝土的工作性，減少單位用水量，發(fā)揮類似于減水劑的作用，是因?yàn)榫酆衔镱w粒在混凝土中減少了固體顆粒間的摩擦，改善了混凝土拌和料的流動(dòng)性。因?yàn)榫酆衔飳?duì)水化物的聯(lián)結(jié)和粘結(jié)作用，使混凝土韌度明顯提高。聚合物提高了混凝土的韌度，還可能與棍凝土裂縫尖端

14、的奇異性改變有關(guān)。所謂裂縫尖端的奇異性，是指在荷載的作用下，裂縫的尖端產(chǎn)生了應(yīng)力劇烈集中的性質(zhì)。當(dāng)裂縫的尖端到達(dá)聚合物顆粒時(shí)，由于聚合物具有良好的柔韌性，能夠產(chǎn)生較大的變形，致使裂縫的尖端處材料的屈服范圍擴(kuò)大，應(yīng)力集中水平下降，提高了材料的斷裂韌度。四、小結(jié)水泥混凝土路面抗裂措施的作用，就是消除或者削弱水泥混凝土路面開(kāi)裂破壞過(guò)程中不利因素的影響。在歸納水泥混凝土路面開(kāi)裂破壞的不利影響因素的基礎(chǔ)上，水泥混凝土路面抗裂措施必須具備減少混凝土的缺陷、提高混凝土的韌度、減少路面板的收縮應(yīng)力、減少路面板的荷載應(yīng)力的功能，并且闡述了目前工程中應(yīng)用的抗裂措施的主要功能。一般情況下，水泥混凝土路面的破壞是疲勞

15、開(kāi)裂破壞，其破壞過(guò)程分成三個(gè)階段。首先是在澆筑和凝結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的初期損傷和開(kāi)裂。由于水泥混凝土的材料和工藝特點(diǎn)，以及在凝結(jié)過(guò)程中的物理和化學(xué)反應(yīng)，使路面板在凝結(jié)過(guò)程中形成大量的微小缺陷，構(gòu)成初始的損傷場(chǎng)。并且由于路面板在凝結(jié)過(guò)程中的收縮受到基層的限制，板底形成了初始的裂縫。然后是使用期間荷載造成的損傷加劇和裂縫擴(kuò)展。在荷載作用下，路面板發(fā)生了不均勻的損傷，板底裂縫尖端附近區(qū)域成為損傷最嚴(yán)重的部位，該區(qū)域的開(kāi)裂韌度下降最快。隨著荷載次數(shù)的增加，裂縫尖端附近區(qū)域的損傷度不斷增大，韌度逐漸降低。當(dāng)荷載在裂縫尖端造成的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于裂縫尖端附近區(qū)域的開(kāi)裂韌度時(shí)，裂縫就擴(kuò)展。裂縫的尖端向前移動(dòng)到達(dá)新的位置后，新的附近區(qū)域以較高的韌度阻止裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，于是開(kāi)始新一輪的損傷累積。這樣，裂縫尖端移動(dòng)和尖端附近區(qū)域損傷累積兩個(gè)過(guò)程交替進(jìn)