水泥混凝土路面斷裂力學(xué)的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

王榮

（武夷學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，福建武夷山354300）

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水泥混凝土路面斷裂力學(xué)的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

王榮

（武夷學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，福建武夷山354300）

摘要：總結(jié)斷裂力學(xué)應(yīng)用于水泥混凝土路面斷裂性能的研究現(xiàn)狀，包括水泥混凝土路面斷裂力學(xué)參數(shù)的常用模型、試驗方法等。基于對研究現(xiàn)狀的總結(jié)，該領(lǐng)域的水泥混凝土路面的標(biāo)準(zhǔn)斷裂模型和試驗方法有待形成。

關(guān)鍵詞：斷裂力學(xué)；水泥混凝土路面；斷裂模型；斷裂性能

近年來，隨著重載交通和大流量交通成為公路運輸?shù)闹饕攸c，普通混凝土路面材料的一些缺點和不足逐漸的暴露出來，其中水泥混凝土路面板的早期斷裂是水泥混凝土路面在使用過程中所體現(xiàn)出來的最主要的路面病害問題之一。

混凝土材料由于澆注時的泌水作用和干燥期間的收縮受到硬骨料的限制，先天性有許多微裂。當(dāng)其擴展為宏觀裂縫后，結(jié)構(gòu)易發(fā)生低應(yīng)力脆斷，傳統(tǒng)力學(xué)和強度理論在研究混凝土的斷裂機理問題時，暴露出不足。

斷裂力學(xué)承認(rèn)結(jié)構(gòu)中含有宏觀裂縫，將遠離裂縫端的廣大區(qū)域仍假定為均質(zhì)連續(xù)體，它適用于材料本身對脆斷敏感，且?guī)в泻暧^裂縫的缺陷體。因此，斷裂力學(xué)理論與水泥混凝土路面之間建立某種聯(lián)系，對水泥混凝土路面研究具有重要意義。

1 斷裂力學(xué)在水泥混凝土路面的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

1.1 通過斷裂力學(xué)參數(shù)研究水泥混凝土路面斷裂機理

1.1.1 斷裂模型的選取

由于水泥混凝土是準(zhǔn)脆性材料，且路面板是有典型的薄板結(jié)構(gòu)，因此，斷裂力學(xué)理論適用于水泥混凝土路面上，必須選用與混凝土材料實際行為更為接近的非線性斷裂模型，并且該模型要能夠有效避免尺寸效應(yīng)，這樣，尺寸效應(yīng)造成的名義應(yīng)力問題才能得以解決。

Bazant提出的尺寸效應(yīng)律［1］，被研究者廣泛借用或者修正，例如，美國伊利諾伊大學(xué)的Shreenath Rao 和Jeffery RoesLer［2］通過修正尺寸效應(yīng)律公式，得到的斷裂韌度能夠從本質(zhì)上不依賴于試件的尺寸，僅僅作為一種混凝土材料本身的固有屬性。尺寸效應(yīng)造成的名義應(yīng)力問題得到一定的解決，獲得能夠較好表征水泥混凝土路面斷裂問題的斷裂力學(xué)參數(shù)。

由我國徐世烺教授等提出的雙K模型以及新KR阻力曲線模型，能較好表征混凝土的裂縫發(fā)展。雙K模型提出了裂縫擴展過程中用應(yīng)力強度因子表述的兩個關(guān)鍵控制參數(shù)的概念，即起裂韌度K和失穩(wěn)韌度K，在實際工程應(yīng)用中，K≤K可作為重要結(jié)構(gòu)裂縫擴展穩(wěn)定性的判斷準(zhǔn)則；K＜K＜K可作為主要結(jié)構(gòu)失穩(wěn)擴展前的安全警報；K=K可作為一般結(jié)構(gòu)裂縫擴展的判斷準(zhǔn)則［3］。

新KR阻力曲線模型，是通過三點彎曲切口梁在單調(diào)加載下的荷載—裂縫口張開位移曲線（PCMOD），用解析法計算混凝土斷裂全過程的阻力曲線。由兩部分組成：一部分為起裂前混凝土本身所固有的抗裂能力，稱為起裂韌度K；另一部分是由粘聚力提供的阻力，它與混凝土的抗拉強度ft、粘聚力f（σ）及有效裂縫長度a有關(guān)，稱為KC（ft，f（σ），a）［4］，KR阻力曲線可表示為：

除此之外，由斷裂能定義直接推導(dǎo)獲取斷裂參數(shù)，也成為路面研究者使用的方法之一。但該方法需要繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)及計算，同時由于該法只能針對某一具體研究對象，通過推導(dǎo)得到相應(yīng)的公式，適用性問題暫無法得到廣泛的驗證。

1.1.2 試驗方法

國際材料和結(jié)構(gòu)試驗室聯(lián)合會（RILEM）推薦的斷裂力學(xué)試驗方法為楔入劈拉試驗與三點彎曲梁試驗。由于三點彎曲梁試驗的結(jié)構(gòu)形式簡單、便于澆注等優(yōu)點，國內(nèi)外多數(shù)學(xué)者通過三點彎曲梁試驗獲取斷裂力學(xué)參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)楔入劈拉試驗雖結(jié)構(gòu)形式略微復(fù)雜，但試驗結(jié)果穩(wěn)定，并能同時獲取斷裂能及斷裂韌度參數(shù)。

其次，部分學(xué)者根據(jù)研究目標(biāo)的不同在標(biāo)準(zhǔn)楔入劈拉試驗的基礎(chǔ)上進行改良，使得試驗結(jié)果更加貼合路面斷裂問題。例如，Tschegg E K在對路面夾層的斷裂力學(xué)行為研究中［5］，采用改進的楔入劈拉方法進行斷裂能的獲取。由于試件是現(xiàn)場取芯，能夠有效減小試件的變異性，對路面加鋪層結(jié)構(gòu)的開裂行為描述更加貼切。但是該方法比標(biāo)準(zhǔn)楔入劈拉試驗過程復(fù)雜，未被研究者廣泛采用。

1.2 預(yù)估路面板的疲勞壽命

基于斷裂參數(shù)的獲取，研究者進一步通過斷裂參數(shù)與疲勞方程相結(jié)合，進行路面疲勞壽命的預(yù)估。例如，水泥混凝土路面車輛荷載作用次數(shù)與穩(wěn)定斷裂韌度折減值之間的具有如下關(guān)系［6］：

式中：K1為相應(yīng)軸載作用于各種路面厚度的應(yīng)力強度因子；K為起裂斷裂韌度；Nf為重復(fù)荷載作用的次數(shù)；a，β為參數(shù)，波特蘭水泥協(xié)會推薦a=0.972，β=0.0828。

因此，通過斷裂試驗所獲得的起裂斷裂韌度可以求得Nf，達到預(yù)估路面疲勞壽命的目的。

1.3 優(yōu)化路面設(shè)計、材料及施工方案

研究者通過分析不同配合比，不同養(yǎng)護條件，不同荷載作用下，斷裂力學(xué)參數(shù)的變化，得到指導(dǎo)路面設(shè)計、材料及施工的優(yōu)化方案。例如，鋼纖維加筋混凝土路面被研究者通過斷裂力學(xué)理論證實具有更優(yōu)異的路面性能，哈工大的曹鵬等［7］及黃河水利研究院的張廷毅等［8］均通過三點彎曲梁試驗得到的斷裂韌度值，判定材料抗開裂性能有所提升，而Beatrice B［9］就此問題不僅通過有限元還以足尺板試驗加以驗證。陳輝［10］通過研究不同溫濕度養(yǎng)護條件下，斷裂力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律，給出相關(guān)工程技術(shù)建議。

2 亟待解決問題及研究前景

通過以上總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，目前斷裂力學(xué)已成為混凝土路面研究的一個重要方向，但諸多問題仍有待解決：

（1）適用于水泥混凝土路面的標(biāo)準(zhǔn)斷裂模型和試驗方法有待形成。

目前，研究人員通過試驗歸納總結(jié)，逐步得到較多與混凝土材料實際行為較為接近的新型模型，具有較強的適用性和應(yīng)用價值。但進一步尋找適合水泥混凝土路面模型，解決尺寸效應(yīng)問題，仍將是斷裂力學(xué)應(yīng)用于水泥混凝土路面的熱點研究問題。

（2）基于斷裂力學(xué)理論，研究早齡期性狀對水泥混凝土路面斷裂性能的影響。

水泥混凝土的早齡期性狀對路面后期的使用性能有著極其重要的影響，在相關(guān)研究領(lǐng)域已形成共識。水泥混凝土路面板作為面層從鋪筑的開始到運營期間都是直接暴露于外界復(fù)雜的環(huán)境之中。即使同一時間段澆筑的同一種配合比的路面板由于早齡期水泥混凝土發(fā)展?fàn)顟B(tài)的不同，面板不同位置處的斷裂力學(xué)參數(shù)會表現(xiàn)出差異性，最終導(dǎo)致斷裂的位置難以預(yù)判。有研究表明，直接澆筑在不平整基層之上的水泥混凝土路面面層，在早齡期階段隨著水泥水化過程的不斷進行，結(jié)構(gòu)強度也不斷增大。在強度不斷發(fā)展的過程中，隨之而來的變形收縮會沿著路面板的板頂和板底表現(xiàn)出一定程度的差異性，從而導(dǎo)致板邊的翹曲，這種在早齡期逐漸形成的固化翹曲具有記憶性，該性狀對后期路面的使用性能具有潛移默化的影響。因此，以水泥混凝土斷裂力學(xué)作為依據(jù)，研究早齡期性狀對水泥混凝土路面斷裂性能的影響具有重要的意義，也是解決水泥混凝土路面斷裂問題的關(guān)鍵。

（3）進一步通過對水泥混凝土路面斷裂機制研究，優(yōu)化設(shè)計、施工、運營管理及養(yǎng)護方案。

3 結(jié)語

依據(jù)斷裂力學(xué)理論，進一步建立水泥混凝土路面的外載、構(gòu)件、缺陷三者之間定量關(guān)系，對研究路面的斷裂機理，進而找到有效提高路面斷裂性能的途徑，延長路面使用壽命，具有重要意義。

參考文獻：

［1］Bazant Z P. Size effect in bLunt fracture∶concrete，rock，metaL［J］. JournaL of Engineering Mechanics，1983，110（4）∶518-535.

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［3］徐世烺，趙艷華.混凝土裂縫擴展的斷裂過程準(zhǔn)則與解析［J］.工程力學(xué)，2008（25）∶20-33.

［4］趙朝華，李建偉，魏姍.柔性纖維混凝土的新阻力曲線和雙K斷裂參數(shù)的試驗研究［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化，2010（11）∶60-63.

［5］Tschegg E K，Ehart R J A，Ingruber M M. Fracture behavior of geosynthetic interLayers in road pavements［J］. JournaL of transportation engineering，1998，124（5）∶457-464.

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［7］曹鵬，馮德成，曹一翔，等.三點彎曲纖維增強混凝土缺口梁的斷裂性能試驗研究［J］.工程力學(xué)，2013（30）∶221-231.

［8］張廷毅，李樹山.鋼纖維摻量對高強混凝土斷裂性能的影響［J］.混凝土，2012（12）∶87-89.

［9］BeLLetti B，Cerioni R，Meda A，et aL. Design aspects on steeL fiber-reinforced concrete pavements［J］. JournaL of materiaLs in civiL engineering，2008（20）∶599-607.

［10］陳輝.路面水泥混凝土斷裂力學(xué)參數(shù)特性研究［D］.福州∶福州大學(xué)，2013.

（責(zé)任編輯：葉麗娜）

Current Situation and Application Prospect of Fracture Mechanics in Cement Concrete Pavement

WANG Rong

（SchooL of civiL engineering and architecture，Wuyi university，Wuyishan，F(xiàn)ujian 354300）

Abstract:The research status of fracture mechanics appLied to cement concrete pavement performance is summarized incLuding the common modeL，test method，and so on. Based on the summary of the research status，the research prospect of this fieLd is discussed.

Key words:fracture mechanics；cement concrete pavements；fracture modeL；fracture properties

中圖分類號：U416.2

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-2109（2016）03-0081-03

收稿日期：2015-10-24

基金項目：武夷學(xué)院校級課題（XL1207）。

作者簡介：王榮（1980-），女，漢族，講師，主要從事道路工程的研究。