水泥混凝土路面斷裂實驗分析及防治措施

申 燕

（資中縣交通運輸服務中心，四川 資中 641200）

0 引言

隨著我國交通網(wǎng)路的快速發(fā)展，路面損傷問題逐漸凸顯。水泥混凝土路面以其耐久性和穩(wěn)定性好且具有高結構強度等性質(zhì)得到廣泛應用，通常水泥混凝土路面的設計使用年限最小為10年，但大量研究表明，水泥混凝土路面使用2～3年就會出現(xiàn)明顯的結構性病害，例如出現(xiàn)路面斷板或裂縫等。同時，水泥混凝土路面維修保養(yǎng)成本較高，且需要較長的養(yǎng)護時間，勢必會造成交通不便等問題，因此對水泥混凝土路面斷裂機理進行研究十分重要。造成道路病害的因素有多種，在進行道路病害原因分析和治理過程中應充分考慮道路建設狀況，選取適宜的研究方法，并采取針對性防治措施[1]。

1 水泥混凝土路面斷裂因素分析

路面斷裂是水泥混凝土路面最為常見的病害，但其形成機理比較復雜，涉及到材料、結構、施工工藝等多種因素。通常而言路面斷裂的根本原因在于路面的結構應力大于材料的承載極限，導致路面出現(xiàn)結構性損傷。將路面開裂進行逐層分析，大致可將水泥混凝土路面分為面板底層、中間層和表面層三個層級。面板底層是指道路面層和基層共同形成的結構，面層直接接觸車輛荷載，并將荷載向下傳遞，在面層和基層之間形成過渡層也叫聯(lián)結層，聯(lián)結層承受了面層傳遞下來的荷載，在高荷載影響下聯(lián)結層的結構極易出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，這也是導致路面形成初始裂縫的根本因素。隨著道路使用年限的增加，面板底層不穩(wěn)定性更加凸顯，直接導致裂縫擴展，加大道路損害；中間層主要指的是路面板體，是水泥混凝土板做成的面層，該層主要是受到初始裂縫的影響，在道路荷載的作用下，路面板體沿著初始裂縫形成的路徑和方位進一步地擴大和累積，形成路面斷裂的潛在隱患；表面層是水泥混凝土路面的表層，該層直接接觸車輛，但由于施工質(zhì)量和道路坡度等因素影響，表面存在平整度差異大的問題，在道路正常運行中，表層和車輛相互沖擊、摩擦，直接加劇道路的裂縫損傷，甚至會導致路板斷裂[2]。

工程實際應用中，道路使用情況常和溫度息息相關，受地表溫度和季節(jié)交替影響，水泥混凝土會存在熱脹冷縮的情況，變溫應力與翹曲應力在道路的荷載應力共同作用下，會直接導致水泥混凝土路面的結構性損壞。

2 水泥混凝土路面斷裂實驗分析

2.1 工程概況

本文選取四川省某路段作為實驗對象，該路段由原一級公路改造而成，道路全長187.45km，于2008年正式投入使用，設計車流量為20000輛∕日。項目建設地點位于高溫多雨地區(qū)，全年降雨量在1076～1867.9mm范圍內(nèi)，年平均相對濕度為76.3%，年平均氣溫在18.6～22.3℃之間。對實驗路段進行勘察研究，道路的路面結構如圖1所示，由于原路板斷板率高于30%，因此對原路基進行挖除處理，在原有土基的基礎上建設新的路面結構層。對各層進行力學強度分析，水泥混凝土面層和碾壓貧混凝土基層的設計彎拉強度分別為5MPa和3MPa，彎拉的彈性模量分別為30000MPa和23000MPa，水泥穩(wěn)定級配碎石底基層彈性模量為1000MPa。

圖1 路面結構設計圖

2.2 溫度及荷載對水泥混凝土路面受力影響

通過對路面斷裂機理分析可知，路面溫度和道路荷載是導致路面斷裂的重要因素，本文將溫度和荷載因素進行耦合，對溫度條件分別為10℃、15℃、20℃、25℃和30℃的工況，不同荷載作用下水泥混凝土路面板層底拉應力進行研究，得到如圖2所示結果。由圖2可以看出，同一荷載下，水泥混凝土路面板層底的拉應力隨溫度的升高而增大，且呈線性關系；同一溫度工況下，水泥混凝土路面板層底的拉應力隨路面荷載的增加而增大，總體來說在路面溫度為30℃，路面荷載為100%時層底拉應力最大值可達到4.55MPa。這說明在溫度和道路荷載綜合影響下，最大拉應力可能對路面造成一次性損傷，因此在道路施工時一定要保證路面各層的厚度和結構強度，有效避免路面產(chǎn)生裂縫等損傷。

圖2 溫度和荷載對面層層底拉應力的影響

2.3 車輛荷載次數(shù)對水泥混凝土路面韌性影響

根據(jù)斷裂力學機理分析可知，當路面斷裂裂縫開始向外延伸擴展時，水泥混凝土的開裂韌度與路面的疲勞作用次數(shù)有明顯關系[3]。本文分別對25kN、50kN和75kN三種荷載情況下，荷載作用次數(shù)與路面的開裂韌度進行模擬分析，得到如圖3所示結果。可以看出同一荷載作用下，隨荷載作用次數(shù)的增加路面斷裂韌度逐漸降低；應力強度因子越大，路面斷裂韌度的下降速率越高，對比三種工況，應力作用為75kN時，應力作用因子為0.4，荷載作用103～104之間時斷裂韌度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，應力強度因子為0.2045時，需要荷載作用次數(shù)達到106～107之間時斷裂韌度才明顯下降，因此可以從路面荷載強度和荷載作用次數(shù)綜合計算，將路面的斷裂韌度控制在合理范圍內(nèi)。此外，若考慮路面受損傷的情況，路面的中性軸會隨損傷的加劇出現(xiàn)上移，此時路面可承受的荷載作用次數(shù)更低，路面更加容易達到斷裂臨界值，這主要是因為路面的斷裂過程是一種逐漸積累的損傷過程，板底的裂縫受荷載作用不斷擴展，造成道路損傷逐漸增加，斷裂韌度不斷下降，形成加劇路面損傷的循環(huán)鏈路，因此對路面損傷應及時處理，避免損傷進一步擴大。

圖3 荷載作用次數(shù)與路面開裂韌度之間的關系

2.4 層間摩擦對水泥混凝土路面受力影響

層間摩擦力是保證路面層間結構強度的重要指標[4]，本文分別對水泥混凝土面層和貧混凝土層的摩擦系數(shù)和層底的拉應力進行測試，得到如圖4所示結果。

圖4 摩擦系數(shù)對面層層底拉應力影響

可以看出，隨摩擦系數(shù)的增大，層底的拉應力呈逐漸降低趨勢，當層間無摩擦時，水泥混凝土面層和貧混凝土層的層底拉應力分別為1.62MPa和1.1MPa，當摩擦系數(shù)設置到最大1 時，二者的層底拉應力分別為0.98MPa 和0.84MPa，說明隨面層間粗糙度的增加，層間出現(xiàn)相對滑移的趨勢越弱，層間結構越穩(wěn)定，這主要是因為摩擦系數(shù)高的面層層間顆粒的嵌合程度高，在外部荷載的作用下形成相對穩(wěn)定的嵌合結構，層底的拉應力減小。對比兩種面層層底拉應力隨摩擦系數(shù)的變化情況，可以看出水泥混凝土面層的最大拉應力減小了39.5%，而貧混凝土層的拉應力減少了23.6%，相對而言，水泥混凝土面層層底拉應力受摩擦系數(shù)的影響較大，貧混凝土基層層間相對穩(wěn)定，這主要是因為水泥混凝土面層和貧混凝土層的混合料材質(zhì)和面層厚度不同，相對來說貧混凝土基層材料粒徑相對較大，顆粒間的嵌合程度相對較高，隨摩擦系數(shù)的增大，層間結構的抗滑移能力增強，因此在工程應用中要注意水泥混凝土粗糙度的控制，增加摩擦系數(shù)可提高層間穩(wěn)定性，避免路面裂縫的產(chǎn)生。

3 水泥混凝土路面斷裂防治措施

從上述實驗分析可知，對水泥混凝土路面斷裂進行有效的防治要從結構力學和溫度力學等多個角度考慮。首先針對路面裂縫的長度、寬度以及裂縫形狀等因素進行初步的判斷，對裂縫的有害程度進行定級，并選擇合適的治理方案。工程應用中采取先防后治的方式處理道路病害[5]。

針對路面斷裂等路面結構問題，早期預防至關重要，因此要在道路設計階段就應將路面斷裂防治措施考慮其中，在道路設計時應對氣候條件、地質(zhì)情況和交通荷載等進行調(diào)查，在進行路面結構設計中通過對路面各層厚度、結構強度等指標進行合理選擇，強化路面結構的穩(wěn)定性，降低各層裂縫產(chǎn)生的可能性。施工質(zhì)量是導致路面斷裂的直接原因，施工過程中應嚴格控制路基壓實度、彎沉值等，保證路基具有足夠的承載力；在施工過程中，還應控制作業(yè)環(huán)境條件，避免陽光直射，防止水泥混凝土出現(xiàn)干縮裂縫。合理選擇水泥混凝土混合料，嚴格控制水泥、集料和水等用量，保證材料強度，混合料制備過程中要控制振搗度，避免混合料離析，防止路面出現(xiàn)早期裂縫。

4 結束語

水泥混凝土路面在使用過程中常出現(xiàn)路面斷裂的問題，嚴重降低路面的使用效果，降低道路的使用壽命，本文對水泥混凝土路面進行實驗研究得出如下結論：

（1）路面溫度和道路荷載是導致路面斷裂的重要因素，水泥混凝土路面板層底的拉應力隨溫度的升高而增大，水泥混凝土路面板層底的拉應力隨路面荷載的增加而增大，當溫度和荷載達到最大時，層底拉應力最大值可達到4.55MPa。因此在道路施工時一定要保證路面各層的厚度和結構強度，有效避免路面產(chǎn)生裂縫等損傷。

（2）可以看出同一荷載作用下，隨荷載作用次數(shù)的增加，路面斷裂韌度逐漸降低；應力強度因子越大，路面斷裂韌度的下降速率越高，應力作用分別為75kN和25kN時，后者可承受的作用次數(shù)是前者的1000倍，因此可以從路面荷載強度和荷載作用次數(shù)綜合計算，將路面的斷裂韌度控制在合理范圍內(nèi)。

（3）對水泥混凝土面層和貧混凝土層的層底拉應力進行對比，可以看出水泥混凝土面層的最大拉應力減小了39.5%，而貧混凝土層的拉應力減少了23.6%，相對而言水泥混凝土面層層底拉應力受摩擦系數(shù)的影響較大，因此在工程應用中，增加摩擦系數(shù)可提高層間穩(wěn)定性，避免路面裂縫的產(chǎn)生。