混凝土路面低溫破壞機理研究

王曉東

(山東省調水工程運行維護中心，山東 濟南 250100)

近年來我國水泥路面得到了較快的發展，在北方冬季低溫環境下使用的混凝土除了要滿足主要的技術性能外，還要求具有較高的抗裂、抗滲、抗凍等耐久性能，以延長其使用壽命，減少維修量。

1 水泥混凝土路面低溫環境下常見的破壞類型及成因

水泥混凝土路面盡管具有穩定性好、強度高等優點，但水泥混凝土卻具有脆性大等缺點，這就使得水泥路面在低溫環境下很容易由于變形能力差而發生破壞。通過對水泥路面試驗段的實地考察，發現水泥混凝土路面常見病害主要有以下幾種形式：路基的橫向裂縫、縱向裂縫、網狀裂縫、接縫碎裂、錯臺、斷板、局部沉降等。路基病害原因主要與混凝土的抗凍性、抗變形能力和路基下的地溫場、變形場、重車載循環作用等因素有關，但主要原因是混凝土的抗凍性和抗變形能力不足以及對路基下溫度場保護不當而使路基變形加大。在凍土修建水泥路面后，路基下的地溫逐年升高，地下冰融化，多年凍土上限逐年下降，致使路基路面產生不均勻沉降，再加上重車載循環作用和凍融循環作用，導致混凝土路面在這種情況下很容易遭受破壞。

2 凍土環境下混凝土路面的破壞機理

2.1 混凝土的抗滲性

抗滲性直接影響著混凝土的抗凍性和抗侵蝕性。混凝土的抗滲性差，易使水等液體由路面滲透到路基內部，從而加劇路基路面的破壞。其中水灰比對混凝土的抗滲性起決定性作用，水灰比越大，抗滲性越差；水灰比相同時，混凝土骨料的最大粒徑越大，其抗滲性也就越差；水泥的品種、性質也影響著混凝土的抗滲性，水泥細度越大，水泥硬化體孔隙越小，強度越高，其抗滲性就越好[2]。

2.2 混凝土的抗凍性

目前，混凝土凍融破壞機理還沒完全弄清楚，公認程度較高的是T.C.Power等提出的混凝土內部孔隙中的水在負溫下結冰造成體積膨脹的靜水壓力理論和因冰水蒸氣壓的差別推動未凍水向凍結區的遷移所造成的滲透壓力理論。認為混凝土的凍融破壞主要是受膨脹壓力和滲透壓力，當這兩種壓力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土就會產生裂縫，多次凍融使裂縫不斷擴展直至破壞。

2.3 混凝土的變形

水泥混凝土的變形主要包括幾個部分：化學收縮、干濕變形、溫度變形、荷載變形。現給出G214線K374+975水泥路面變形各監測點布置圖(圖1)及路面各監測點部分實測變形資料(圖2)，由圖2可以明顯地看出同一監測面不同位置的變形隨著時間的變化很不均勻，這也是導致凍土水泥路面破壞的一個主要原因。

2.4 混凝土路面下路基地溫場的變化

通過對多年凍土區(年平均氣溫為-3.5℃)水泥路面下地溫場的數值計算模擬和實測資料的分析發現，水泥混凝土路面的修建，對多年凍土上限的影響是不可忽視的，由圖1可以看出，路面下溫度場的多年凍土上限變化隨著路堤高度的增加而增加，并近似成線性關系。這說明水泥路面對路基下地溫場有一定的影響。通過圖1還可以看出，在修建路堤時不是路堤高度越高越好，只有在合適的路基高度(即臨界高度)下，路面對多年凍土上限的影響才較小。由圖2可以看出，路面下凍土上限變化率比天然地面下大。多年凍土上限的下降，凍土的融化勢必引起路基路面的沉降，路面的不均勻沉降隨著時間的增加越來越大，當沉降變形超過水泥混凝土的變形能力時，就會導致路面破壞，產生裂縫、斷板等。

圖1 水泥路面下相對天然凍土上限和人為上限變化圖

圖2 G214線K374+975水泥路面監測段凍土上限變化

2.5 混凝土路面下土體的不均勻變形

凍土路基隨季節融化過程產生融化下沉變形，隨季節回凍凍結產生凍脹變形，但凍脹和融沉都不是完全可逆的變形，經過若干次這樣的變形后，路基永久變形將越來越大，當變形超過水泥路面的變形范圍時，水泥路面就會產生裂縫，裂縫隨著時間的變化逐漸擴展直至破壞。不均勻變形已成為水泥混凝土路面破壞的主要原因之一。一般路基的變形是以季節融化層、填土路堤壓密變形為主，多年凍土參與變形。季節融化層變形除了與其本身巖性成分及物理性質有關外，工程熱擾動作用對路基下地溫場和變形場的影響也是非常巨大的。路面的修建產生的熱擾動將使季節融化層逐年加深，加大了路面的變形。

3 提高混凝土路面在凍土環境下適應性的措施

3.1 提高水泥混凝土的抗凍性

3.1.1優化混凝土配合比設計

混凝土的配合比設計，就是確定水泥、水、砂與石子四項基本組成材料用量之間的單個比例關系，即水灰比、砂率、單位用水量[2]。水灰比、砂率、單位用水量是混凝土配合比的三個重要參數。它們與混凝土的各項性能指標有著密切的關系。因此，正確合理地確定這三個參數，有利于提高混凝土的抗凍耐久性。如采用適當的水灰比，可以提高混凝土的抗凍融耐久性(圖3)。

3.1.2添加適量的外加劑

摻加適量的引氣劑可以提高混凝土的抗凍耐久性(圖3)。引氣劑的摻入在混凝土中主要起氣泡卸壓這一物理作用，但除此之外，氣泡本身的物理作用和引氣劑表面的化學作用同樣是提高混凝土抗凍性不可忽視的原因[3]。實踐和實驗表明：對有抗凍要求的混凝土最適宜的含氣量為3%～6%[4]。減水劑能夠在不改變混凝土的和易性的前提下改善混凝土的工作性能，增大混凝土熟料的流動性，減少混凝土的拌和用水量，降低水灰比，因而可減少由于水凍結而產生的結構缺陷的概率，并可強化混凝土的硬化過程。試驗證明，摻入水泥量的0.5%～1.5%的高效減水劑，可以減少用水量的15%～25%，使混凝土強度提高20%～25%，抗凍性也相應得到提高[5]。纖維包括鋼纖維和有機纖維等，纖維的摻加有效地克服了混凝土抗拉強度低、易開裂、抗疲勞性能差等固有缺陷，大量分散的纖維具有顯著的阻裂效應，增加了混凝土凍融損傷過程中的能量損耗，從而可以有效地抑制混凝土的凍脹開裂[6]，增強了混凝土的抗變形能力，從而提高了混凝土的抗凍性。

圖3 水灰比、引氣對混凝土凍融作用耐久性影響(據Denver Lab[7])

3.2 采取措施減小對路基下溫度場的影響

減小對路基下溫度場影響的措施目前有很多種，碎石護坡、硅藻土護坡、遮陽板、采取保溫材料、使用通風路基等，這些措施改變了路基與外界能量交換的邊界條件，減少了外界氣候條件和太陽直射輻射通過坡面對路基下溫度場的影響。

3.3 采取措施減小路基的變形

路基的變形主要包括填土路堤、天然季節融化層和多年凍土融化層三個方面的變形，減小填土路基的變形主要采取提高施工質量的施工技術，采用壓密變形小的路基填料，增加路基土體的壓密程度等；減小季節融化層土體的變形和多年凍土融化變形的措施，主要就是保護路基下溫度場，減少季節融化層受外界人為作用的干擾而加深。計算出路基的臨界高度，采用略高于臨界高度的值作為路基的設計高度。這些都有利于保護路基下季節融化層和多年凍土的穩定。

3.4 減小混凝土路面自身的變形破壞

減小混凝土自身的變形破壞，首先盡量設法降低混凝土的發熱量，減小混凝土內部的溫度應力。如采用低熱水泥，減少水泥用量，在混凝土中設置溫度鋼筋、采用人工降溫等措施[4]。其次采取適當的措施或摻加某種外加劑等，增加水泥混凝土的抗變形能力。

3.5 提高施工質量和加強對混凝土施工后的早期養護

嚴格控制混凝土的施工質量是控制水泥混凝土路面質量最重要的影響因素。混凝土的施工質量情況直接關系到它的抗凍性能。振搗時間、接縫以及澆筑縫的處理等都會影響混凝土抗凍性。良好的施工質量無疑是對混凝土質量的有效保證；但對混凝土施工后早期的養護工作也不無重要。混凝土的早期強度低，在混凝土強度早期快速增長期間更容易凍壞，所以應特別防止混凝土的早期受凍。因此加強混凝土強度快速增長期間的防凍養護也很重要。

4 結語

在凍土環境下，水泥混凝土路面破壞的原因十分復雜，文章研究分析可以得出以下結論：

(1)水泥混凝土路面在凍土環境下的破壞與混凝土的抗凍性有很大的關系。提高混凝土的抗凍性，對混凝土的凍融破壞機理進行進一步的研究，以便采取更好的措施(如采用適當的配合比、外加劑及摻合料等)來改善混凝土的抗凍性。

(2)水泥混凝土路面在凍土環境下的破壞與路基下溫度場有關。應采取必要措施減小外界條件對路基下溫度場的影響，從而在一定程度上保護了路基溫度場的穩定。

(3)水泥混凝土路面在凍土環境下的破壞與混凝土自身的抗變形能力有關。提高混凝土的抗變形能力，將大大提高了水泥混凝土路面在凍土環境下的適應能力。

(4)水泥混凝土路面在凍土環境下的破壞與路基的變形有關。在選擇路基填料時應盡量選擇壓密變形小的填料；此外，施工技術和施工質量的提高對減小路基及路基下土體的變形也相當重要。

隨著公路建設向著高速、重載、大流量方向的發展，水泥路面的優越性會越來越明顯，水泥混凝土路面的建造量也將會越來越大。隨著混凝土科研水平的提高，水泥混凝土路面在凍土環境下的適應性問題也將會得到進一步的解決。屆時水泥混凝土路面將會成為凍土環境下最常用的路面類型。