水泥混凝土路面的層間基本破壞形式探析

張春芳

(保定市清苑縣交通局)

1 水泥混凝土路面的層間破壞的三種基本破壞形式

1.1 三種基本破壞形式存在的必然性

水泥混凝土路面的破壞必然從層間相互作用開始,在水泥混凝土路面的各種破壞形式中,一定存在基本的破壞形式,看似繁雜的各種破壞形態總是從基本破壞演化而來。路面的層間從結合到分離再到衍生出其他破壞,這一過程雖然復雜,但只要找出基本破壞形式,并研究其演化規律,就能認識各種破壞的一般規律。

按水泥混凝土路面傳統方法施工,水泥漿必然進入基層,形成面層與基層的初始結合狀態,沒有水泥漿進入基層,就沒有層間界面連結狀態的形成,因此,水泥漿滲入基層是面層與基層形成層間初始連結狀態的必要條件。面層與基層的初始狀態是連為一體的,但其層間緊密結合的初始狀態難以保持,面層與基層之間最終要分離。

1.2 “強連結”和界面“弱連結”

面層與基層界面連結情況分為界面“強連結”和界面“弱連結”。界面“強連結”是指界面連結強度(粘結強度)高于被連結的兩物體中任一物體的剪切強度(若界面為剪切破壞)或拉伸強度(若界面為拉伸破壞),界面強連結的破壞特征不是表現為界面本身的破壞,而是被連結的物體(或者其中之—)在連結界面附近的破壞;界面“弱連結”是指界面連結強度低于被連結的兩物體的強度(剪切強度或拉伸強度),界面弱連結的破壞特征表現為界面本身的破壞。

1.3 三種基本破壞形式發生的提出

在荷載、溫度和環境因素的作用下,面層與基層將相互作用,由于面層與基層是不同的結構層,它們的材料特性不同,這種相互作用將使面層與基層從初始的結合狀態發展演變,直至產生相互破壞。

從力學上看,路面層間緊密結合的初始狀態于面層是最有利的,但是,路面的層間破壞有其自身的規律,路面層間緊密結合的初始狀態難以保持,按現行施工方法將水泥混凝土直接澆筑在基層表面,不可避免地將發生三種基本破壞形式。

第一種基本破壞形式:面層與基層在割縫兩端的界面分離,在界面間形成水平裂縫并進一步發展 。界面“弱連結”時,界面直接分開;界面“強連結”時,界面沿過渡層分開。

第二種基本破壞形式:因割縫產生的收縮裂縫截面處基層豎向開裂,繼而斷開。

第三種基本破壞形式:面層與基層部分分離形成第一種基本破壞形式后,水平裂縫擴展一定距離后偏轉侵入基層。

2 三種基本破壞形式發生的變形協調機理

從變形協調角度看,第一種基本破壞形式必然會發生。

面層割縫后,在割縫頂點將出現裂紋,裂紋將隨著收縮荷載的作用逐漸擴大貫穿面層,如圖 1所示。在裂紋貫穿面層的瞬間,面層與基層相交處裂紋的兩端面上的A、B兩點必然出現相對位移(只要出現貫穿板厚的宏觀裂紋,則A、B兩點就有相對位移),A、B兩點在未裂開前是同一點,A、B兩點的相對位移也是面層在裂紋斷面兩端產生的相對移動,要產生這種移動,要么裂紋擴展至基層,要么在裂紋斷面附近出現面層與基層的分離。如果 A、B分開(開裂而產生的相對位移)基層又完好無開裂,則 A、B兩點一定沿基層有相對滑動,否則將違反變形規律,這種相對滑動預示面層與基層沿裂紋兩端一定范圍內分離(圖 2a)。因此,面層裂縫向下發展,在裂縫斷面的基層不開裂的情況下,第一種基本破壞形式必然發生,否則,面層與基層之間的變形協調關系便不能保持。

面層與基層部分分離形成第一種基本破壞形式后,形成水平裂縫,水平裂縫很容易擴展一定距離后偏轉侵入更為薄弱的基層中去,第三種基本破壞形式就必然發生。

圖1 第一、二種基本破壞形式的產生

第二種基本破壞形式發生也有其必然性,其變形協調機理如下。

裂紋貫穿面層的瞬間,面層在 A、B點分開,如果面層與基層沿界面不分離,始終保持完全連結,即面層相對于基層無滑動,那么基層在A、B的位移必然要和面層在 A、B點的位移一致,隨著面層與基層交界處A、B點的分開(裂開),基層也必然在 A、B處裂開。因此,面層裂縫向下發展,在裂縫斷面下的面層與基層界面不分離的情況下,第二種基本破壞形式必然發生。

3 三種基本破壞形式發生的應力強度機理

3.1 第一種基本破壞形式發生的應力強度機理

一般而言,面層因收縮等處于受拉狀態時,任一斷面上的回復力由面層底面界面水平方向的剪力平衡,但回復力與剪力不在同一直線上,兩者形成一彎矩,這一彎矩是由板端頭底面的法向拉力和板中部底面的法向壓力形成的彎矩來平衡。隨著裂紋的向下發展,回復力逐漸下移,板底法向拉力逐漸減小,裂紋貫穿面層的瞬間,回復力幾乎與界面剪力平衡,法向拉力趨近為零,回復力非常大,對應的剪應力也非常大,并且最大剪力出現在裂紋斷面附近,此時最大剪應力峰值很大,已超過面層與基層之間的剪切強度,無法平衡回復力,面層與基層必然沿界面剪開(分開)而分離,發生第一種基本破壞形式。

對完全連接在剛度無限大的基層上的有限尺寸的面板,當溫度下降 15°時,如取混凝土彈性模量為 3×104MPa。泊松比為 0.15,混凝土線膨脹系數為 1×10-5,根據收縮應力的計算公式為

則其最大收縮應力應為5.29MPa,即:1m2的路面斷層上拉應力的合力為 529t,這一應力一般已達到混凝土面層的設計強度。即使這一應力不致使混凝土路面斷裂,也將使面層與基層沿界面分離,當溫度均勻下降產生的均布拉應力為5.29MPa時,斷面為3.5m×0.25m的面層中拉應力的合力為 463t。由板長方向力的平衡條件可知,這 463t的拉力由面層與基層之間的剪力來平衡,平衡拉力的剪力主要集中在板端很短的范圍內,剪應力的峰值非常大,將超過界面剪切強度而使面層與基層分離。

3.2 第二種基本破壞形式發生的應力強度機理

無論剪力是否超過面層與基層之間的剪切強度,當面層中的裂紋尖端無限趨近于面層與基層界面時,裂尖的應力集中將傳遞到基層,同時沿裂尖兩側的界面上有相反方向的剪力作用,相向的剪力各自疊加后都很大,相向剪力疊加后作用的結果也將使基層產生顯著的拉應力。兩種拉應力再疊加后,面層裂紋截面所對應的基層過渡層頂面的拉應力非常大,此時的拉應力已超過界面過渡層拉伸強度,因此基層必然會開裂,第二種基本破壞形式必然出現。

應力強度分析表明,在現行路面結構施工良好的情況下,即面層與基層粘結較好,此時第一種基本破壞形式和第二種基本破壞形式的發生均具有必然性,并且第一、二基本破壞形式往往同時發生。如果面層與基層完全粘結,裂紋或斷縫尖端有應力集中現象,基層中產生較大拉應力與界面中產生的較大剪切應力都遠超過其自身的抗拉強度或剪切強度,因此往往同時發生基層的斷裂與界面的剪切破壞。

3.3 第三種基本破壞形式發生的應力強度機理

當剪力使面層與基層部分剪開形成水平界面裂紋后,裂紋面上的剪力釋放,但面層與基層未脫開的部分仍存在剪應力和拉應力,對基層而言,界面剪應力和拉應力的共同作用,將使裂紋偏離界面,沿主拉應力方向侵入基層,發生第三種基本破壞形式。

隔離層材料的作用在于使面層與基層隔離并保持光滑接觸,使面層與基層之間不形成薄弱過渡層,避免面層與基層之間相互破壞影響,提高路面材料性能和結構性能。

隔離層材料的選材需滿足三個條件:第一,隔離層必須能夠完全割斷水泥砂漿進入基層;第二,隔離層必須足夠薄,僅起分離界面的作用;第三,隔離層必須是在基層表面形成后加鋪上去,不與基層表面粘結的薄膜類產品。

4 結 語

無論從變形協調的觀點還是從受力的角度看,上述三種破壞形式均是最基本的,其他更復雜的破壞形式是這三種破壞形式的組合或進一步發展。在路面結構的實際破壞中這三種基本破壞形式往往同時存在,三種基本破壞形式將導致水泥混凝土路面出現斷角、斷板、錯臺、脫空等各種破壞。設置隔離層的水泥混凝土路面結構可以防止路面病害發生,提高路面承載能力。

[1] 水泥混凝土路面面層與基層相互作用引起的基本破壞形式[J].黑龍江交通科技,2005,(10).

[2] 劉鴻文.材料力學(上、下)[M].高等教育出版社,1992: 21-22.

[3] 路基路面工程[M].上海:同濟大學出版社,1992:76-80.