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水泥混凝土路面损伤断裂研究

阅读次数: 【 530 】 更新时间: 【 2018-04-17 】

现在我国公路建设正进行得热火朝天,路面结构形式多样,有泥结碎石路面、块石路面、沥青路面、水泥混凝土路面等。在高等级公路建设中水泥混凝土路面以其强度高、稳定性好、耐久性好、养护维修费用低、经济效益高、有利于夜间行车的特点越来越受到人们的青睐。水泥混凝土路面损坏后修复困难也是限制水泥混凝土路面进一步推广应用的主要障碍。关于混凝土路面的损伤断裂,国内外学者作了大量而深入的研究,从混凝土材料组成、力学机理及外界因素等各方面分析了水泥混凝土路面的断裂破坏,并取得了大量的研究成果,对混凝土路面断裂处治提供了科学依据。


本文应用断裂力学、损伤力学和路面破坏的原理,对水泥混凝土路面损伤断裂的产生、扩展直至破坏的全过程进行分析,指出每个阶段混凝土路面裂缝形成的根本原因,以便对症下药,为混凝土路面抗裂研究和处治提供科学依据。


1.水泥混凝土路面损伤断裂微裂缝产生的原因分析


1.1板底微裂缝的产生


水泥混凝土路面是将水泥直接浇注在凹凸不平的基层上。水泥砂浆将面层、基层形成一个整体,然而面层、基层的弹性模量、泊松比和强度各不相同。面层与基层的接触面部分的弹模、泊松比和强度不同于面层的弹模、泊松比和强度,又不同于基层的相应指标,实质上是一过渡层,并且相对面层而言,该层即为强度薄弱层。


随着时间的推移,由于基层和面层各自的弹模、泊松比和强度的增长速度各自不同,同时由于面层水泥混凝土逐渐凝结,混凝土将产生收缩变形,由于温度的周期性变化,面层与基层之间存在不等量变形。由于以上原因,在面板横缝切割后必然会导致本来融为一体的过渡层沿路面板薄弱层平面开裂和破坏,将面层与基层彼此分离,破坏面处于一种非常光滑的凹凸不平状态。凹凸不平的接触面阻碍了混凝土面板与基层的不均匀胀缩,产生了巨大剪应力。剪应力直接对面板施加撕裂破坏,从而使板底不同部位微裂纹产生成为必然。


1.2板中微裂缝的生成


材料的结构组织在外载或环境因素作用下将出现如微裂纹形成、扩展、空洞萌生、晶体位错等微观不可逆变化,这些微观变化将造成材料宏观力学性能的劣化,这就是材料的损伤。就宏观水平来说,混凝土是集料颗粒加水泥浆基体的两相复合材料。在制造成形后,混凝土本身就是一种内部含水、微裂缝、微孔隙的损伤体,其损伤度D为:


D=1-S//S


式中:S、S/分别为连续介质中的一个单元出现损后内外法线为n的某截面在损伤前后的面积。损伤后混凝土的弹性模量E平:


E平=E(1-D)


式中:E为损伤前混凝土的弹性模量;D为损伤度。


2.在外力作荷载用下裂缝的扩展


2.1外力作用下板底裂缝的发展


由于过渡层的破坏,面板与基层分离,在路面继续胀缩和产生温度变形的剪应力作用下,其板底微裂纹必将不断的发展、不断的增多,损伤路面强度。车辆动荷载的作用下,路面板会发生振动,板的振动反过来又作用于行驶其上的车辆,这种车-板之间的耦合作用随荷载多少和车速的大小、路面平整状况以及基层材料性能的不同而变化,并且会对板的开裂产生较大的影响。研究表明,路面越不平整,车速越高,荷载越大,这种作用会更加明显,裂纹的生成和拓展速度亦就越快。


2.2板中微裂纹的发展


由于混凝土本身是一种损伤体,内部含有微裂纹、微孔隙,在行车荷载和温度应力的作用下,原有体内的弥散裂隙将进一步扩展,且新的微裂纹又生成、扩展。微裂纹扩展并集总是和材料的弹性变形同时出现,但卸荷后不能愈合,因此导致能量耗散,使材料的强度、刚度下降,砼面板损伤度会逐渐增大,路面板板中裂纹尖端附近的混凝土逐渐损伤,裂纹会逐渐发展和加剧。而不是等外界荷载增大到临界荷载时原裂纹才出现扩展损坏。当外力使材料应力达到混凝土拉伸强度ft值时微裂纹迅速扩展,骨料颗粒与水泥浆基体之间脱粘,则会出现更多的微裂纹扩展汇合成宏观裂纹。


2.3板中裂纹与板底裂纹的贯通


(1)板底及板中出现裂纹后,荷载作用下受拉区会出现损伤,即:


α平拉=α拉/(1-D)


式中:α平拉为板底出现裂纹后的拉应力;α拉为路面板完好时的拉应力;D为板底初始损伤度。


受拉区应力增大,裂纹有向板顶扩展的趋势。


(2)受拉区受损,承载能力下降,中和轴向板顶移动,导致受压区增大,该区受压区损伤进一步加剧,板中裂纹延长。


(3)路面不平整时动载作用将使这种破坏加剧,板中裂纹加速扩展。


板底裂纹的向上扩展和板中裂纹的进一步延长,必然会导致两者在某一应力水平下互相连通,从而加剧板的开裂破坏。


2.4混凝土面板裂纹扩展的定量描述


混凝土面板裂纹扩展的三个参数,包括拉伸强度ft,断裂能Gf,还有拉伸应力—应变软化曲线形式的参数,其中断裂能指裂纹扩单位面积释放出的能量。Bazant.oh1983年研究得出的近似公式:


Gf=(2.72+0.0214ft)f2tda/Ec


其中da为最大骨料粒径,Ec为混凝土的杨氏模量,ft为拉伸强度。


3.在荷载的作用,面板裂缝上下贯通,使路面产生断裂破坏


3.1路面疲劳破坏的过程描述


疲劳强度是水泥混凝土混凝土路面设计的一个关键指标,按断裂力学观点,水泥混凝土路面的疲劳破坏过程应分为两个阶段:即路面完好无损至底板表面形成明显的裂纹阶段和裂纹扩展至路面板完全断裂阶段,并且第一阶段通常占材料总寿命的80%左右。然而,在确定混凝土路面的疲劳强度时,人们往往都是基于经典的应力-寿命法,即对萌生裂纹的循环作用次数和使这一裂纹扩展突然破坏的疲劳次数不加区分,在板底裂纹已经产生的情况下,板的疲劳寿命实际上仅相当于第二阶段的疲劳作用次数,这正是水泥混凝土路往往未到设计年限而了生断裂破坏的原因。


4.结束语


水泥混凝土路面的断裂破坏影响因素非常多,且较复杂,国内外诸多专家对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。本文仅从理论的角度定性分析水泥混凝土板的破坏过程以及原因,目的是为板的开裂防治提供一些可行的思路。文中的部分结论是基于国内外相关成果进行分析和整理而得。值得指出的是:出于分析问题的简单化,本文仅对板本身的破坏过程进行了分析和相关讨论,并未涉及到板的基层材料组成及其性能对板开裂破坏的影响。


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