1、1混凝土路面断裂原因的探讨【摘要】 从损伤力学、断裂力学和路面破坏的基本原理，重点对混凝土路面的开裂过程进行研究，混凝土路面开裂破坏的三阶段及其互相之间的关系，并阐述各个阶段裂纹形成和产生破坏的原因以及防裂措施。【关键词】混凝土路面 损伤断裂 疲劳破坏 防裂措施近年来随着汽车交通量的大幅度增加，公路建设在我国正进行得热火朝天，路面结构形式多样，有泥结碎石路面、块石路面、沥青路面、水泥混凝土路面等。水泥混凝土因取材广泛、价格低廉、抗压强度高、养护费用低等特点，成为当今世界建筑结构中使用最广泛的建筑材料。在高等级公路建设中水泥混凝土路面以其强度高、稳定性好、耐久性好、养护维修费用低、经济效益高、有
2、利于夜间行车的特点越来越受到人们的青睐。但混凝土最主要的缺点是容易开裂，水泥混凝土路面不同于沥青路面，一旦开始出现局部损坏，若维修不及时或养护不当，会引起极其严重的后果。水泥混凝土路面损坏后修复困难是限制水泥混凝土路面进一步推广应用的主要障碍。关于混凝土路面的损伤断裂，国内外同行作了大量深入的研究，从混凝土材料组成、力学机理及外界因素等各方面分析了混凝土路面的断裂破坏，并取得了大量的研究成果，给混凝土路面断裂处治提供了科学依据。本文应用损伤力学、断裂力学和路面破坏的原理，对混凝土路面损伤断裂的产生、扩展直至破坏的全过程进行分析研究，指出各个阶段混凝土路面裂缝形成的根本原因，以便对症下药采取有效
3、措施进行预防，为混凝土路面抗裂研究和处治提供科学依据。一. 混凝土路面断裂微裂缝产生的原因在设计、施工和使用过程中，导致水泥混凝土路面开裂的原因比较多，主要有基层影响、材料的影响、以及施工影响等。水泥混凝土具有热胀冷缩和湿胀干缩的特性，在不同的限制条件下，混凝土的变形引起的混凝土开裂的情况也不尽相同。 水泥混凝土路面的变形主要体现为收缩变形。在特定条件下，混凝土的收缩变形会引起混凝土内部很大弹性拉应力。当拉应力大于混凝土的抗弯拉强度时，混凝土面板就会开裂。常见的混凝土路面裂缝分为三类：干缩裂缝、温度裂缝以及网状裂缝。笔者根据多年来从事施工技术工作的实践经验，分析出 8 点水泥混凝土路面裂缝产生
4、的原因。 （一） 、 基层影响 路面是座落在基层上的。水泥混凝土路面是将水泥直接浇注在凹凸不平的基层上，水泥砂浆将面层、基层形成一个整体，然而面层与基层接触面的弹模、泊松比和强度不同于面层的弹模、泊松比和强度，又不同于基层的相应指标，实质上是一过渡层，相对面层而言，该层即为强度薄弱层。随着时间的推移，由于基层和面层各自的弹模、泊松比和强度的增长速度各自不同，同时因面层水泥混凝土逐渐凝结，将产生收缩变形，由于温度的周期性变化，面层与基层之间存在不等量变形。鉴于这些原因，在面板横缝切割后必然会导致本来融为一体的过渡层沿路面板薄弱层平面开裂和破坏，将面层与基层彼此分离，破坏面处于一种非常光滑的凹凸不
5、平状态。凹凸不平的接触面阻碍了混凝土面板与基层的不均2匀胀缩，产生了巨大剪应力，直接对面板施加撕裂破坏，从而使板底不同部位微裂纹的产生成为必然。基层的强度及稳定直接关系到面层的强度和稳定性。基层密实度压实不好，地基强度不均匀，路基填料混杂等都会产生不均匀沉降。 要保证基层有足够的稳定性和强度的均匀性。压实度必须满足设计要求，加强排水设计，采取必要的防水排水措施，减少路基受水侵害的影响。路基的填筑材料也是防止路面开裂的措施之一。采用整体性、稳定性好，且具有较大刚度的半刚性材料做基层，可以确保混凝土路面使用寿命。同时在基层施工中加强基层顶面标高、基层平整度的控制，防止混凝土板薄厚不均，受力不匀而产
6、生断板。如果基层平整度很差，混凝土面层厚度不匀，离散性大，在行车荷载及温度翘曲应力作用下，使路面应力集中，当应力超过极限强度时，就会在厚度薄弱处产生裂缝。 因此，路面基层除了要具有足够的刚度和强度,还应该具有一定的抗冲刷能力。设置足够强度和刚度的基层,可以扩散面层传来的应力,减小路基顶面的压应力,并缓和路基不均匀变形对面层的影响。同时,路面在长期的使用过程中,如果使用抗冲刷能力低的基层,在渗入水和荷载的共同作用下,基层中的细料从接缝和裂缝处与水一同喷出,发生唧泥现象,由于唧泥造成基层沉陷和变形。如果基层出现较大的塑性变形,面层板将与之脱空,支撑条件恶化,增加板的应力,就会加速和加剧板的断裂。所
7、以路面基层的结构一定要合理，不能选择一些不宜做水泥混凝土路面的基层。如水泥稳定土基层和石灰稳定土基层,由于水泥土和石灰土的干缩系数、干缩应变以及温度系数都较大,且具有遇水表层易软化和抗冲刷能力差等缺点,很容易产生严重的收缩裂缝并影响面层。有时灰块没完全消解,在路面完成后吸水消解,体积膨胀造成面层开裂等破坏。另外，基层还应具有较好的抗冻性，以避免出现板底脱空和错台现象。（二） 、 材料影响 加强对材料的监控。首先，对进厂主要原材料实行质量监控，对拟订采用的水泥都要进行物理性能和化学分析试验。粗集料(级配碎石)应采用质量坚硬、耐久洁净、符合规定级配、最大粒径40mm、含泥量1%、针片状颗粒含量15
8、%、硫化物及硫酸盐含量1%、石料强度3 级的配石。特别要强调的是片状石含量应严格控制，因为它减小了与水泥的粘结力，从而降低了强度和寿命。细集料(砂)应采用质量坚硬、耐久洁净、细度模数应在 2.5-3.2 为宜、含泥量3%、硫化物及硫酸盐含量1%的天然中砂。1. 水泥质量的好坏对路面的影响。水泥的品种和细度将会影响混凝土拌和物的工作性。如水泥中石膏的掺量控制不严、水泥中的硅酸二钙和铝酸三钙的含量过高或含有较高的有害杂质(如游离氧化钙、氧化镁等),会使混凝土的（物理性能尤其是表面强度）稳定性降低,产生过大收缩；水泥颗粒（级配）细度不符合标准,水化速度、水泥的需水量、放热速率和强度的形成等造成不良的
9、影响,会使水泥的物理性能降低；水泥的安定性差,会使混凝土凝结硬化时的收缩量大,导致混凝土产生变形膨胀乃至造成开裂；不同标号及不同品种的水泥混用,其硬化时间及收缩量不一致,也会使混凝土板产生开裂、松散等破坏。 2. 集料的影响。材料的结构组织在外载或环境因素作用下将出现如微裂纹形成、扩展、空洞萌生、晶体错位等微观不可逆变化，这些微观变化将造成材料宏观力学性能的劣化，这就是材料的损伤。就宏观水平来说，混凝土是集料颗粒加水泥浆基体的两相复合材料。在制造成形后，混凝土本身就是一种内部含水、微裂缝、微孔隙的损伤体。集料中粗骨料3的颗粒形状和表面特征对混凝土的抗折、抗压强度影响较大。如集料中针片状颗粒含量
10、较少,接近立方体的颗粒较多,且级配较好时,在同样水泥浆数量下,混凝土拌和物可获得较大的流动性,同时粘聚性和保水性也较好。混凝土中集料平均粒径偏大和级配不良都会导致集料孔隙过大、水泥砂浆集中、局部收缩加大,该处的混凝土路面则会出现裂缝。集料的含砂量过大,会影响混凝土的和易性和强度；含砂量过小,又不利于真空脱水,两者都会造成混凝土板的开裂、起皮、坑槽等损坏。集料中的杂质,如云母、粘土、淤泥、有机物、硫化物、轻物质及针片状等含量偏高会直接影响混凝土的质量,造成板裂和松散。 （三） 、混凝土施工质量的影响 完善水泥混凝土路面的施工工艺 加强对施工工艺各个环节的管理，以减少影响混凝土产生裂缝的因素。 1
11、、降低水泥用量，减少温度收缩。使用低热水泥及减少水泥用量可以降低混凝土温升。水泥水化热对混凝土的升温影响很大，水泥品种不同，水化热相差很大，所以要使用低热水泥或中热水泥。减少水泥用量的主要措施是选择粗细骨料级配良好且最大粒径尽可能大的骨料。另外砂率小，比表面积小也能节省水泥。采用粗砂比细砂可以省水泥，满足混凝土和易性条件下尽可能降低塌落度，这样可以减少用水量和水泥用量、掺减水剂、也可以减少水泥用量。另外，不同标号及品种的水泥混杂使用，硬化时间及收缩量不一样，同样会形成裂缝。2、尽量减少混凝土的单位用水量，控制好坍落度。混凝土干缩主要是混凝土中多余的水分不断蒸发所致。据有关研究表明，水泥水化所需
12、的水量只有水泥重量的 25%左右。而实际工程上应用的水灰比要比这大的多，因而干缩也比较大，因此必须严格控制水灰比，减少混凝土单位用水量。3、搅拌质量的影响。搅拌时间过短，则拌合不均匀，造成面层强度相差过大，硬化时间及收缩量不同，从而导致裂缝产生；搅拌时间过长，则容易导致骨料破碎、离析，影响混凝土的强度。还要加强对混凝土配合比的监控、检查原材料计量。4、振捣质量的影响。严格控制混凝土振捣时间，既要振捣密实又要避免过振，过振导致离析，则粗骨料下沉，使表面砂浆过厚，易产生收缩裂缝，影响其强度。振捣不足，易使混凝土中出现气孔、蜂窝，在行车荷载及自然因素作用下产生应力集中而导致裂缝。另外，混凝土摊铺一定
13、要平整均匀。混凝土表面浆体不均匀，易产生不均匀干缩，导致裂缝产生。 5、施工天气影响。高温施工，混凝土表面积大容易造成迅速失水，引起混凝土表面干缩，产生表面裂纹；风雨天施工，如采取措施不当灰土、杂物等很容易刮到混凝土板面上，做面时无法清除，一旦雨水流入路面砂浆稀释，使水灰比发生变化，降低了表面强度增加了收缩。 ，再经过车载的作用极易产生裂纹（或起粉） 。因此要尽量避免在高温和大风大雨天气下施工。6、养护的影响。混凝土的养护对其早期强度增长和防止收缩裂缝极为重要。因此，一定要加强混凝土的早期养护，在表面手浆后尽快予以覆盖和洒水养护。同时必须保证养护的时间，实际养护天数根据混凝土强度增长情况而定，
14、一般宜为 1421 天。应加强水泥混凝土路面的初期、中期、后期的养生。47、切缝的影响。设置横向缩缝是为了减小收缩应力和翘曲应力。修筑的水泥混凝土路面达到一定长度,由于切缝时机掌握不准,切缝间距过大或切缝深度不足都可造成混凝土板的横向开裂。 切缝施工是混凝土施工中的一个重要环节，如不加强控制，极易引发裂缝。（1）切割时间。应加强切缝时间的管理，当混凝土达到设计强度的 2530时，应采用切缝机进行切割。切缝太早，粗骨料会从砂浆中跳脱；切缝太晚，如果产生的拉应力大于混凝土容许值，混凝土板就会开裂。气温高，混凝土强度增长快，切割时间要提早。温差大，切割时间也要提早。切缝时间一般遵循的原则是“能切就切
15、，宁早勿晚” 。 一般应在最大拉应力出现之前进行。施工现场可用指甲划痕，指甲有磨损感便可切割。切缝机，宜采用机型小、转速快、振动小的，在混凝土浇筑几小时内即可切割。（2）切割深度。切缝深度应控制为板厚的 1415。切得太深，板间的传荷能力难以得到保证。切得太浅，混凝土截面的强度削弱得不够，面层上会产生不规则裂缝（3）接缝料。接缝料是保证混凝土板正常使用的主要组成部分，如处理不好，则极易出现问题。（四） 、温度变化引起的裂缝 混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或内部温度发生变化，混凝土将发生变形。若变形遭到约束，则在结构内将产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时，即产生温度裂缝。温度裂缝区别其他裂
16、缝最主要是将随温度变化而扩张或合拢。引起温度变化主要因素有年温差、日照、骤然降温、水化热、蒸汽养护或冬季施工措施不当等。 根据对面板温度应力计算表明：在不能保证板端自由伸缩的条件下，当温差=30时，板中温度应力可达5.88，将超过一般混凝土的设计抗折强度，从而使面板产生断裂的破环。温差越大，温度应力导致断板的可能性越大。（五） 、在外力荷载作用下裂缝的扩展混凝土板是水泥混凝土路面最重要的结构层，它具有较高的力学强度、弹性模量，具有较大的承载能力和扩散荷载的能力。由于水泥混凝土的抗弯拉强度比其抗压强度小得多，在车轮荷载的反复作用下，混凝土路面板受弯拉部分最易产生断裂而破坏。因此，弯拉应力是面板的
17、主要设计根据。为了使混凝土路面板能够承受荷载的反复作用而不产生断裂破坏，因此必须要具有足够的抗弯拉强度。1、外力作用下板底裂缝的发展。由于过渡层的破坏，面板与基层分离，在路面继续胀缩和产生温度变形的剪应力作用下，其板底微裂纹必将不断的发展，不断的增多，损伤路面强度。车辆动荷载的作用下，路面板会发生振动，从而反过来又作用于行驶其上的车辆，这种车板之间的耦合作用随荷载多少和车速的大小、路面平整状况以及基层材料性能的不同而变化，并且会对板的开裂产生较大的影响。研究表明，路面越不平整，车速越高，荷载越大，这种作用会更加明显，裂纹的生成和拓展速度亦就越快。2、板中微裂纹的发展。由于混凝土本身是一种损伤体
18、，内部含有微裂纹、微孔隙，在行车荷载和温度应力的作用下，原有体内的弥散裂隙将进一步扩展，且新的微裂纹又生成、扩展。微裂纹扩展并集总是和材料的弹性变形同时出现，但卸荷后不能愈合，因此导致能5量耗散，使材料的强度、刚度下降，砼面板损伤度会逐渐增大，路面板板中裂纹尖端附近的混凝土逐渐损伤，裂纹会逐渐发展和加剧。而不是等外界荷载增大到临界荷载时原裂纹才出现扩展损坏。当外力使材料应力达到混凝土拉伸强度值时微裂纹迅速扩展，骨料颗粒与水泥浆基体之间脱粘，则会出现更多的微裂纹扩展汇合成宏观裂纹。3、板中裂纹与板底裂纹的贯通。()板底及板中出现裂纹后，荷载作用下受拉区会出现损伤，受拉区应力增大，裂纹有向板顶扩展
19、的趋势。 （） 受拉区受损，承载能力下降，中和轴向板顶移动，导致受压区增大，该区受压区损伤进一步加剧，板中裂纹延长。（） 路面不平整时动载作用将使这种破坏加剧，板中裂纹加速扩展。板底裂纹的向上扩展和板中裂纹的进一步延长，必然会导致两者在某一应力水平下互相连通，从而加剧板的开裂破坏。4、路面疲劳破坏的过程描述。在荷载的作用，面板裂缝上下贯通，使路面产生断裂破坏。疲劳强度是水泥混凝土混凝土路面设计的一个关键指标，按断裂力学观点，水泥混凝土路面的疲劳破坏过程应分为两个阶段：即路面完好无损至底板表面形成明显的裂纹阶段和裂纹扩展至路面板完全断裂阶段，第一阶段通常占材料总寿命的 80左右。然而，在确定混凝
20、土路面的疲劳强度时，人们往往都是基于经典的应力寿命法，即对萌生裂纹的循环作用次数和使这一裂纹扩展突然破坏的疲劳次数不加区分，在板底裂纹已经产生的情况下，板的疲劳寿命实际上仅相当于第二阶段的疲劳作用次数，这正是水泥混凝土路往往未到设计年限就产生断裂破坏的原因。（六） 、拉杆和传力杆的影响 胀缝传力杆的质量控制主要有两点：一是传力杆的一端应涂沥青，且加管套，以保证其伸缩距离；二是传力杆必须与路面平行，以保证其伸缩方向。前者处理不好，缝端混凝土将被挤裂。传力杆与路面不平行，混凝土板伸缩时，传力杆对混凝土板产生压应力，引起混凝土板拉裂。1、横向施工缝传力杆。横向施工缝传力杆应用光圆钢筋，且一半涂沥青，
21、允许滑动。在实际应用中，施工单位为图方便，经常使用螺纹钢，且不涂沥青。施工缝两边混凝土浇筑时间不同，凝结过程中产生的收缩不同步，传力杆不能伸缩，形成薄弱环节。当混凝土板在荷载或自然因素作用下产生收缩，则在此薄弱环节处产生裂缝。2、纵缝拉杆。纵缝一般有纵向缩缝和纵向施工缝两种，两种纵缝均应设置拉杆。拉杆应用螺纹钢，长度达到设计要求，以保证其与混凝土间的粘接力，并且拉杆的直径与间距也应得到保证。如此，拉杆不能提供足够的拉力，混凝土面板收缩时，纵缝被拉开而形成裂缝。 （七） 、路面窨井及管线的影响 1、路面窨井四周的塘渣填筑是实际施工中的薄弱环节。施工单位在推土机推塘渣时，往往将大块塘渣推至窨井边，
22、同时此处压路机很少压到，造成应力薄弱区。实际施工中，路面裂缝很大部分发生在窨井处。2、路面下面的排水排污管线渗漏，会冲刷路基部分，特别是对流沙土的冲刷更为厉害。6（八） 、过早开放交通 开放交通过早，混凝土的强度尚低，不足以承受行车荷载，在荷载作用下，混凝土路面很容易产生裂缝。应尽量延长开放交通的时间。 【 结束语】总之，产生水泥混凝土路面板块裂缝，破坏影响的因素非常多且比较复杂，不仅与设计、施工等路面形成前的环节有关，而且与路面形成后的使用、养护等联系紧密。但如果一旦病害出现了，只要认真调查分析，研究找出断裂的主要原因，研究制定防治措施，改进设计与施工工艺，加强工程管理，各方主体各负其责，严格履行各自职能分头把关，混凝土路面的开裂病害是能够治理的，这一顽疾一定会得到根治。国内外诸多专家对此已作了大量而卓有成效的研究，提出一些有效的防治方法。本文仅从理论的角度定性分析混凝土板的破坏过程以及原因，目的是为板的开裂防治提供一些可行的思路。文中的部分分析和见解是基于相关成果研究并结合笔者 05 年监理的华南国际物流中心 3 栋仓库工程时，库区内施工的大面积水泥混凝土路面，所出现损伤断裂情况进行分析和整理。深圳科宇工程顾问有限公司 刘世勋2011 年 3 月 26 日
