水泥混凝土路面表面構造破壞機理及其影響因素分析

譚中杰

（重慶市設計院，中國 重慶 400015）

0 引言

水泥混凝土路面承受著包括履帶車和防滑帶釘輪胎在內輪胎磨耗作用，處于表層的功能構造與輪胎胎面直接接觸，首當其沖遭到破壞。

1 路面混凝土表面構造特點及破壞影響因素

1.1 氣溫影響

水泥混凝土是體積敏感性材料。水泥混凝土路面直接受環境溫度變化的影響而發生溫度的日變化和年變化，大氣變化的影響程度隨距離路表的深度而逐漸減弱。溫度狀況隨時間和深度的變化，在混凝土內部產生溫度應力梯度，使得表層混凝土功能構造出現相對于核心處混凝土結構的脹縮變形。這些表面構造的相對變形受到下層混凝土板的整體約束作用，混凝土表面會產生膨脹壓應力、收縮拉應力和翹曲應力。由于路表構造載體是組成各種紋理的面層混凝土，具有不均勻的結構，故這種內應力的變化會在表面構造薄弱環節處首先產生裂縫，然后隨時間發展造成整個表層剝落。

1.2 自然環境影響

1.2.1 凍融循環

1.2.2 環境水的作用

1.2.3 風化作用

1.2.4 碳化作用

1.3 行車作用影響

行車對表面構造的破壞作用包括荷載和輪胎兩方面的影響。行車荷載是直接作用在路面上的主要外界因素，也是促使路面結構產生損壞的主要肇因。荷載經由輪胎傳給路面，輪胎與路面的接觸壓應力以及輪胎的變形情況對路面表面紋理構造的受力及變形有直接影響。

1.4 表面工藝影響

為保證水泥混凝土路面滿足抗滑、排水性能的要求，表面一般都做功能構造，如拉毛、刻槽、拉槽、露石等形式，不同的表面功能構造在輪胎荷載下有不同的受力形式，耐久性程度也不同。施工成型工藝(如真空脫水、靜壓抹面)關系到表層混凝土的水灰比、密實程度，從而影響其強度。抹面方式及次數影響到表面混凝土的含水量，二次抹面能夠減少空隙微裂縫等原生缺陷，使表層混凝土密實，提高功能持久性。

1.5 養護影響

養護工藝對表面構造的影響主要在于養護期間保證強度增長，覆蓋灑水養生保證混凝土早期強度形成，以使得路面在通車后能夠有足夠的強度承受荷載和抵抗輪胎磨耗。如果養護措施不當，對表層混凝土強度的增長有很大的不利影響，表面往往會出現干縮裂紋甚至塑性收縮裂紋。冬季施工的路面如果保溫措施不當，可能出現早期凍害，尤其以表層混凝土最嚴重。

2 水泥混凝土路面磨損機理

2.1 粘著磨損

2.1.1 機理

由于路面表面是粗糙構造，在輪胎與路面相互接觸時，并非完全接觸而是在一些凸出點上首先接觸，在法向載荷作用下，接觸點的壓力很大，接觸點的變形將導致凸出的部分被破壞，于是輪胎與路面直接接觸，在接觸點上的顆粒被粘附到輪胎上。滑動時，粘著點發生剪切和材料的轉移，同時，在臨近區域新的粘著點又可能形成。所以，粘著磨損的過程可描述為：路面表面產生相對滑動時發生粘著，粘著點被剪切和轉移，然后再粘著、再剪切、轉移，最后使得摩擦表面破壞并形成磨屑。因此，粘著磨損的大小與粘著點的剪切位置有關。

2.1.2 影響因素

粘著磨損材料損失量與所加法向荷載和摩擦距離長度成正比，荷載越大，摩擦距離越長，損失越多；另外，損失量還與二者實際接觸面積有關。對材料而言，脆性材料比塑性材料更能抵抗粘著磨損的影響，因此，水泥混凝土路面的粘著磨損相對較小。

2.2 磨粒磨損

2.2.1 機理

通過借鑒其他材料磨粒磨損機理的分析方法，可以將水泥混凝土路面表面功能構造的磨粒磨損機理分為以下部分：

第一，微觀切削磨損。

磨粒在材料表面的作用力分為法向力和切向力兩個分力。法向力使磨粒壓入表面；切向力使磨粒向前滑動，當磨粒形狀與運動方向適當時，磨粒如同刀具一樣，在表面進行切削而形成切屑。但這種切屑的寬度和深度都很小，因此切削也很小，所以稱之為微觀切削。

第二，重復塑變磨損。

塑性變形降低了材料應力重分配的能力，有些截面由于應力集中而逐漸喪失塑性并轉變為脆性狀態，在沖擊力作用下裂斷成磨屑。

第三，微觀斷裂磨損。

磨損時由于磨粒壓入被磨材料表面而具有靜水壓的應力狀態，所以大多數材料都會發生塑性變形。但是有些材料尤其是脆性材料，可能是斷裂機理占主要地位。對水泥混凝土這種脆性材料來說，磨粒對其表面擠壓會形成明顯的表面裂紋，而且斷裂韌性越低，裂紋也就越長。

2.2.2 影響因素

1）硬度：磨粒磨損與水泥混凝土表層的硬度有關，但由于水泥漿的存在，一般條件下混凝土表層的硬度難以超過磨粒硬度；從磨粒導致表層混凝土變形的角度分析，降低彈性模量，增大水泥混凝土表面彈塑性變形能讓磨粒從摩擦界面通過，則可避免被磨表面被犁削，從而可提高抗磨損能力。

2）磨粒尺寸與幾何形狀：磨料磨損過程中，磨料尺寸對耐磨，存在一個臨界尺寸。當磨粒尺寸在臨界尺寸以下時，體積磨損量隨磨粒尺寸的增大而增加；當磨粒尺寸超過臨界尺寸時，磨損體積量增加的幅度呈明顯降低趨勢，不同物質構成的材料其直線斜率不同，臨界尺寸也有區別。磨粒的幾何形狀對磨損率也有較大的影響，特別是磨粒為銳角時更為明顯。

2.3 疲勞磨損

2.3.1 機理

水泥混凝土路面承受的最大法向正應力雖然就在表面上，但最大剪應力卻發生在表層以下的次表面層，在受力點前后分別形成壓力區和拉力區，由于接觸應力的移動和反復作用，水泥混凝土表面不斷承受著壓應力和拉應力的交替循環，形成周期性擾動。同時水泥混凝土在硬化過程中，由于干燥收縮、溫度應力及界面不均勻等原因，將產生許多微裂紋等原生缺陷，而這些原生缺陷則成為磨損時循環擾動力的疲勞裂縫引發源，可導致表層裂縫的擴展，最終引起路面表層的局部斷裂。當疲勞裂縫擴展后，砂漿因嵌埋不深極易脫落。

2.3.2 影響因素

1）水泥混凝土材料自身性能：水化作用充分、密實性好、空隙連通等原生缺陷少的混凝土，耐疲勞磨損性能就好。疲勞磨損與材料的斷裂韌性有很大關系，加強施工質量控制中減少孔隙、微裂縫等原生缺陷，提高均勻性，增強非均質界面的薄弱區，增大韌性，降低脆性，則可有效改善水泥混凝土的抗疲勞磨損性能。

2）路面荷載的影響：重載車輛對路面表面的沖擊大，容易加劇表面構造的疲勞磨損。

3）路面表面狀況：表面粗糙程度對疲勞磨損影響很大。出于表面功能的需要，水泥混凝土路面需要粗糙的表面構造，因此疲勞磨損所占比重較大，因此提高水泥混凝土路面表面功能構造的抗沖擊韌性和斷裂性能顯得尤為重要。

2.4 腐蝕磨損

當接觸界面相互之間存在可產生化學反應的物質（如侵蝕水、除冰鹽），經接觸、滑動摩擦造成磨損，在表面形成反應物且演變為磨蝕殘留物或形成更大的顆粒停留在摩擦界面上。

此外，高速行駛的汽車如遇到路面凹凸不平時會產生負壓，在反復負壓作用下，路面會出現類似水工混凝土結構物遭遇含砂水流那樣的空蝕效果，形成空洞。

3 結束語

總之，水泥混凝土路面長期暴露在自然環境中，持續受到車輛輪胎磨耗與沖擊作用，此外還會受到環境介質對混凝土的侵蝕、對于季凍區混凝土路面還必須具備抵抗凍融循環的能力，因此，處于水泥混凝土路面表層的功能構造的必須具備良好的耐久性。

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