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水泥混凝土路面研究管理的論文
摘要：本文應用斷裂力學(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理。
關(guān)鍵詞：水泥混凝土路面損傷斷裂疲勞破壞
現在我國公路建設正進(jìn)行得熱火朝天，路面結構形式多樣，有泥結碎石路面、塊石路面、瀝青路面、水泥混凝土路面等。在高等級公路建設中水泥混凝土路面以其強度高、穩定性好、耐久性好、養護維修費用低、經(jīng)濟效益高、有利于夜間行車(chē)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困難也是限制水泥混凝土路面進(jìn)一步推廣應用的主要障礙。關(guān)于混凝土路面的損傷斷裂，國內外學(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，對混凝土路面斷裂處治提供了科學(xué)依據。
本文應用斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)和路面破壞的原理，對水泥混凝土路面損傷斷裂的產(chǎn)生、擴展直至破壞的全過(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，以便對癥下藥，為混凝土路面抗裂研究和處治提供科學(xué)依據。
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、泊松比和強度各不相同。面層與基層的接觸面部分的彈模、泊松比和強度不同于面層的彈模、泊松比和強度，又不同于基層的相應指標，實(shí)質(zhì)上是一過(guò)渡層，并且相對面層而言，該層即為強度薄弱層。
隨著(zhù)時(shí)間的推移，由于基層和面層各自的彈模、泊松比和強度的增長(cháng)速度各自不同，同時(shí)由于面層水泥混凝土逐漸凝結，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)生了巨大剪應力。剪應力直接對面板施加撕裂破壞，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
材料的結構組織在外載或環(huán)境因素作用下將出現如微裂紋形成、擴展、空洞萌生、晶體位錯等微觀(guān)不可逆變化，這些微觀(guān)變化將造成材料宏觀(guān)力學(xué)性能的劣化，這就是材料的損傷。就宏觀(guān)水平來(lái)說(shuō)，混凝土是集料顆粒加水泥漿基體的兩相復合材料。在制造成形后，混凝土本身就是一種內部含水、微裂縫、微孔隙的損傷體，其損傷度D為：
D＝1－S／／S
式中：S、S／分別為連續介質(zhì)中的一個(gè)單元出現損后內外法線(xiàn)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，在路面繼續脹縮和產(chǎn)生溫度變形的剪應力作用下，其板底微裂紋必將不斷的發(fā)展、不斷的增多，損傷路面強度。車(chē)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(chē)輛，這種車(chē)－板之間的耦合作用隨荷載多少和車(chē)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 )對板的開(kāi)裂產(chǎn)生較大的影響。研究表明，路面越不平整，車(chē)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，內部含有微裂紋、微孔隙，在行車(chē)荷載和溫度應力的作用下，原有體內的彌散裂隙將進(jìn)一步擴展，且新的微裂紋又生成、擴展。微裂紋擴展并集總是和材料的彈性變形同時(shí)出現，但卸荷后不能愈合，因此導致能量耗散，使材料的強度、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)原裂紋才出現擴展損壞。當外力使材料應力達到混凝土拉伸強度f(wàn)t值時(shí)微裂紋迅速擴展，骨料顆粒與水泥漿基體之間脫粘，則會(huì )出現更多的微裂紋擴展匯合成宏觀(guān)裂紋。
2．3板中裂紋與板底裂紋的貫通
�。�1）板底及板中出現裂紋后，荷載作用下受拉區會(huì )出現損傷，即：
α平拉=α拉/(1-D)
式中：α平拉為板底出現裂紋后的拉應力；α拉為路面板完好時(shí)的拉應力；D為板底初始損傷度。
受拉區應力增大，裂紋有向板頂擴展的趨勢。
�。�2）受拉區受損，承載能力下降，中和軸向板頂移動(dòng)，導致受壓區增大，該區受壓區損傷進(jìn)一步加劇，板中裂紋延長(cháng)。
�。�3）路面不平整時(shí)動(dòng)載作用將使這種破壞加劇，板中裂紋加速擴展。
板底裂紋的向上擴展和板中裂紋的進(jìn)一步延長(cháng)，必然會(huì )導致兩者在某一應力水平下互相連通，從而加劇板的開(kāi)裂破壞。
2．4混凝土面板裂紋擴展的定量描述
混凝土面板裂紋擴展的三個(gè)參數，包括拉伸強度f(wàn)t，斷裂能Gf，還有拉伸應力—應變軟化曲線(xiàn)形式的參數，其中斷裂能指裂紋擴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
疲勞強度是水泥混凝土混凝土路面設計的一個(gè)關(guān)鍵指標，按斷裂力學(xué)觀(guān)點(diǎn)，水泥混凝土路面的疲勞破壞過(guò)程應分為兩個(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度時(shí)，人們往往都是基于經(jīng)典的應力－壽命法，即對萌生裂紋的循環(huán)作用次數和使這一裂紋擴展突然破壞的疲勞次數不加區分，在板底裂紋已經(jīng)產(chǎn)生的情況下，板的疲勞壽命實(shí)際上僅相當于第二階段的疲勞作用次數，這正是水泥混凝土路往往未到設計年限而了生斷裂破壞的原因。
4．結束語(yǔ)
水泥混凝土路面的斷裂破壞影響因素非常多，且較復雜，國內外諸多專(zhuān)家對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。文中的部分結論是基于國內外相關(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板開(kāi)裂破壞的影響。
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