（道路与铁道工程专业论文）公路水泥混凝土路面使用初期破坏机理与修补技术研究.pdf

摘要 水泥混凝土路面因其强度高、刚度大、耐久性好等特点而广泛用于公路路面， 但由于路基强度或稳定性不足、路面结构组合及厚度设计不尽合理、路面材料和 施工控制不严、路基路面结构排水不畅等原因，致使水泥混凝土路面远远达不到 设计使用寿命，在使用初期即发生破坏使用初期大量出现破坏，一方面严重影 响路面的使用功能与车辆行驶质量，另一方面缩短了路面的养护与大中修时间， 从而大大地增加了公路部门养护维修成本，同时严重影响公路交通及公路投资效 益，因此产生不良的社会影响 该研究课题依托四川省公路局科研项目“公路水泥混凝土使用初期破坏机理 与修补技术研究”，通过对已建水泥混凝土路面在使用初期破坏形貌及破坏状态 进行调查，对水泥混凝士路面典型破坏形态进行归类、破坏机理分析和评价；在 调查与评价的基础上，针对眉山地区水泥混凝土路面发生裂缝、断板、破碎板等 破坏型式，提出采用高性能路面混凝土快速修补研究思路，通过大量室内试验和 理论分析，提出高性能路面混凝土配合组成设计和施工工艺；在眉多路上修筑试 验路示范工程，试验路使用效果良好并取得显著的社会和经济效益，具有良好的 推广应用价值。 该研究创造性地提出水泥混凝土路面开裂过程分为四大阶段的概念；通过试 验论证和理论分析，提出采用高性能路面混凝土作为快速修补路面材料；针对高 性能混凝土快速修补路面，探索出一套操作性强的施工工艺，减少了水泥混凝土 路面修补后再次发生破坏的可能性 关键词：使用初期；破坏状况；破坏机理；快速修补；高性能路面混凝土；施工 工艺 摘要 a b s t r a c t t h e c 锄舳t c 0 螂咖p 删锄e n t h a s b c 吼w i d c l y u s c d b 孤豫o f m c h a d v 嘶s 勰 h i g h 蛐加g m ，a b 嘲v eh a m s s ，鲫td i ：啊i b i l i t ) r h o 砌i v c r ，b 姐辩h i g h w a y 髓b g r a d ch a di n 跚伍商吼tm g t ha n d 幽颤l i 魄m 啪柚伽【出l c a dp a v 锄t 咖w ：t i l a n d p 蚋嘲n c n t 山i c l m e s 8 ，埘埔随m - b kp 孙嘲n m tm 址e r i a l 趾dc o n 啦m c d o nm e t h o d ， p 伽d r a i n a g eo f 棚b g i a d c a n d p a w m e n t 锄d 的，锄t c o n c 眦p 锄曲t 扯 m e 呻渤g eh a p p e nd 乏叫i a g e s u c ht h e 辩n o to 田p mb kn o m a lp 猢印t u 辩m e n ta n d 删c l e 8 衄w db a d l 孔b 毗a 1 c 吡幽o nm a i m 既哪q ，c l c 柚di n c 脱辩 t h c 啦o f m a i m 锄，g t r g l yi n f h 瑚l t h eb c h a v i 叫o f i n v e 蚰ti nh i g h w a y ， h 猫龃a d v e 氍硪融u p s o c i 哪 m 咖d yt h 缸呻r t c db y i e n t 访c 地眦hp r o j c c t 咖c d 1 r h cs t l l d yo f m h a n i s m 柚dr c s t o r a l 瞳钕h n i q u t h 缸c 锄m tc c i 眦p a v e m 哪th a 功匝a g c 砒e a d ys t a g c o f u 醇o f 碰曲吼y d e p 硼m t o f s i c h i 埔血p i o “蛳，c l a s s i 匆 d a m 鹋e 自c t o 璐o ft h cc 锄c n ic o n c 咄ep a 、嘲蛳t ，a n a l y a n da 即忍i 辩d a m a g c m h a n i 锄l h 咖g h 跚r v e y 0 nt h c b 嬲域扯州i n gt om e 啪e n tc c 蟛也 p 蚋7 咖e n th 孙，cs 眦ht h e d a m a g ef 配t o 璐嬲c i k s ，丘扯n l 砖s ，舢u p 耐t h 地a 曲 t h g h to fh i g hp c r f b 皿矗n c ep a v e m e n tc o n c i e t c 懿觚r q p a i l i ：n gp a v e m c n tm a e 柚 t 咖昌hl mo fj n t c l i 凹地如觚dt h 觏晒c a l 柚a l y s i s ，咄u p 谢l hd e s j 萨正簿 咖嘲i t u 棚tp a r t so f h i 班p e ：面姗加c ep 列锄c n tc c 咄e 锄dc 姐啦雠d t e c h n o l o g y ； t h r 曲b i l i l d i n gt e 啦a d t h cm 晒o fm e i s h a n ，p v c st h 砒h i g h 熙响加姐 p 孙7 锄咖o c r e 把p 础sv e r yg o o de f b c to fu 辩m m t 。舢咄i c a l ，c i a lb e n c 丘t 9 0 0 dp l o s p e c to f a p p l i 训趾d 甑t e n 妇 t h e 咖d y 锄t i v e l yp u t sf o l 硼i l d ：也ec c 印to f t h a tt h e t i i e 眦e s so f 细曲鹏 i sd i v i d e di n t o 细rs t a 萨8 ；h i g hp 曲m 啪l p a w m 阻tc c r e 把酗触唧a i d n g p 刖惯n e n tm a t e i i a l ；位屺虹n go i l tas e l i 懿o fl c a lc o n 蚰：t i t e 出蛐d o g i e s 懿t oh i g h 肼l d h m 柚p 孙嘲n 吼t 眦犯峨h e 劬yd 砖a s i l l gp o s s i b i l 姆t h 址t h cc 锄t c o 螂眦p a w m c n th a p p e 她d a m a g e 鹋a i n k e y w o r d s t h e 锄d yo f 醴a g e ； d e s 咖c 虹v cc 位蛾； d c 啦m c t i v c 珊自c h 柚i 锄； f h 啦唧a i r i n g ；h i 曲p 曲血锄p 舢e n tc o r e t e ；c o n s t m c 虹t c i h 加l o g y 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：￥钇7 辜 日期：岬年；月二日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 学位论文作者签名：讹7 秦 指导教师签名： 日期：如刁年弓月彳日日期：抄叮年；月撂日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 水泥混凝土路面具有承载力大、稳定性好、使用寿命中的日常养护费用少等 优点，因而我国高等级、重交通公路路面的主要类型之一自8 0 年代以来。经过 科研、设计单位不断的探索和研究，以及施工单位不断的实践，我国水泥混凝土 路面的修筑技术已逐步完善，混凝土路面的质量不断提高，在今后相当长的时间 里；水泥混凝土路面在各个等级公路中所占比例会进一步增大，这一点在潮湿多 雨的南方、某些不宜修建沥青路面的地区尤为明显然而，在水泥混凝土路面的 施工中，水泥混凝土路面板在使用初期出现裂缝一直是影响混凝土路面质量的主 要问题，特别是在采用小机具施工的情况下显得更为突出 水泥混凝土路面在使用初期破坏是指混凝土路面在施工、养生结束后，投入 正式使用的1 3 年中，由于非超限荷载、地基沉降等原因而产生的各种破坏形式。 这些破坏形式中尤以裂缝居多，裂缝中小的如发丝、纵横交错者称之为微裂纹。 这种裂纹纵向深度约为2 c m 3 饥，一般不会贯穿混凝土板，其长度各异，较少超过 混凝土板宽的一半。虽然这些裂纹对混凝土板的整体性能影响很小，在开放交通 后的短期内不会影响到行车的安全性和舒适性，但随着时间的推移，这些路面上 的薄弱点极有可能在行车荷载和自然界温度应力的不断作用下，对水泥混凝土路 面的强度和疲劳寿命造成影响。由于早期裂缝纵向深度与混凝土面层厚度相比很 小，以传统的观点来看其对混凝土面层强度几乎没有影响，但这些裂纹在混凝土 板受到荷载作用时会出现应力集中的现象，并促使裂纹进一步扩展并不断延伸， 使混凝土板断裂破坏的可能性增大除了以上的裂纹外，若在混凝土路面板的施 工工艺、养生方法不当、过早开放交通( 包括施工车辆的通行) 等原因还会出现 横向、贯穿整个板宽和板厚方向的裂缝。这样会造成断板断板将改变混凝土板 的受力状况“1 ，如果不及时加以有效的防治，雨、雪、地表等大气降水会通过这些 不规则的裂缝直接渗入路面的基层，在行车荷载的疲劳作用下，混凝土板很快就 会出现淘空、唧泥、错台、断角等病害。直至出现大面积网状断板 1 。2 国内外应用、研究现状以及所存在的问题 随着水泥混凝士路面板不同病害的出现，国内外就开始了水泥混凝士路面有 效、快速修复材料和工艺的研究与探索，现综述如下： 1 2 1 普通水泥混凝土 水泥混凝土路面修补最早的做法是将破损的混凝土全部除掉，新铺上与原设 计强度等级相同或高于原强度等级的水泥混凝土，其最大缺点在于混凝土的强度 第一章绪论 2 发展慢、养生期长、中断交通的时间长此外，用普通水泥混凝土进行薄层修复， 还存在相容性的问题，主要有以下几个方面：新浇注混凝土的收缩明显比原混 凝土大，在凝结硬化过程中容易导致收缩开裂；新老混凝土间的温差效应、板 体效应、界面缺陷等造成路面混凝土疲劳开裂 1 2 2 沥青混凝土罩面 长期以来，公路部门常采用沥青混凝土对破损的水泥混凝土路面进行修补， 尽管其方法简单、中断交通时间短，但也存在很多缺陷：刚度相差太大，传荷 不一致；若在维修时板与层面的联结方式及对反射裂缝处理不当，会很快导致 破坏，故使用寿命很短；局部修补的路面平整度差，表面使用功能低；颜 色不一致嘲但目前对于大面积水泥混凝土损坏路面，较多的采用沥青混凝土整体 罩面或翻修 1 2 3 特种修补材料 根据国内报道，现已开发出来可以进行水泥混凝土路面修补的特种修补材料 主要有以下几种： 快硬硅酸盐水泥 快硬硅酸盐水泥是在配制水泥生料时通过对生料组成进行控制与调整，水泥 中早强矿物c ，s 和c 3 a 中的含量高，s o 。的含量可容许到4 嘴因此，快硬硅酸盐 水泥水化初期形成大量的钙矾石，不仅凝结快，而且强度发展也快，5 m i n 2 0 m i n 开始硬化，1 h 抗压强度可达1 0 盱a 3 0 肝a ，1 d 强度可以达到2 8 d 强度的7 5 9 0 9 6 。但和普通水泥一样，其干缩大，新老混凝土粘结差、水化热高，要注意养护 【 高铝水泥 高铝水泥是一种早强快硬水泥。其主要熟料矿物成分是c a ，强度主要集中在 早期，高铝水泥一天的抗折强度可达3 肝a 5 肝a ，抗压强度达到2 5 抒a 4 5 肝a 但其后期强度会出现倒缩，且高铝水泥水化产物高温下不稳定，易发生结晶型转 变，因此其使用受到很大的限制 快硬硫铝酸盐、铁铝酸盐水泥和氟铝酸盐水泥 硫铝酸盐和铁铝酸盐水泥熟料主要矿物为c a 、a a s 、c i s 和c a 、a f ，硫铝酸 盐和铁铝酸盐水泥在成分上的主要差别是熟料中a l 刈f e 扣。的比值不同，c 、 3 s 和c a f 几种矿物的含量不同。这两种水泥除早强快硬特征以外，还有一定的膨胀 性、抗硫酸盐腐蚀的性能，其4 h 抗压强度可以达到2 0 肝a 2 5 肝a ，一天强度可以 达到3 0 肝a 6 0 肝a 氟铝酸盐水泥的主要矿物组成为l l c a o 7 a 1 力。c a f 2 和c 2 s 或c 5 等，具备快硬、凝结时间短性能，初凝时间通常只有几分钟，终凝时间不超 过0 5 h ，2 h 3 h 的抗压强度达到2 0 肝a ，由于这三种水泥修补的路面后期强度会 第一章绪论 3 有倒缩，所以使用受到一定的限制。此外，目前由于受到资源分布的影响，我国 的快硬硫铝酸盐、铁铝酸盐水泥和氟铝酸盐水泥生产厂家较少，长途运输会增加 成本，且不易保存 高铝水泥和普硅水泥 高铝水泥与普通硅酸盐水泥混用，凝结时间缩短，甚至有瞬凝现象，这是因 为普硅水泥中的石膏与c 、s 析出的c a ( o d ：均能加速高铝水泥的凝结，普通硅酸 盐水泥中的石膏被消耗完后c 5 水化加快，只要比例适当，可以收到较好的效果。 磷酸盐水泥 磷酸盐水泥混凝土是一种较好的快速修补材料，有足够的凝结时间，较快的 硬化速度和早期强度，与旧混凝土结合力强，相容性好，是一种很有发展前途的 路面修补材料。磷酸盐水泥混凝土的干缩率只有0 0 5 0 0 9 ，体积稳定性很好 但由于研究还不是很深入，生产和应用均不是很广泛。 碱硅水泥 碱硅水泥是较好的快速修补水泥，目前有一些快速修补材料就是碱硅水泥。 在我国有两种典型的碱硅水泥快速修补材料：上海某研究所研制的s c 型快凝修补 材料，南京某研究院研制的a s 型快速修补材料 近5 0 年，国外在特种水泥方面也做了很多工作如日本的“一日水泥”，英 国的“s w i f t c r e t e ”，德国的“d r a i f a c h ”水泥，意大利的“s u p e r c e m e n t ”水泥 等。1 9 8 7 年，美国的l 0 n es t a ri n d u s t r i e sr e s e a r c hc e n t e r 研制出一种被称为 “p y 瑚锄t ”的复合水泥，4 h 抗压强度可达1 8 聍a 以上，抗弯强度约为3 4 肝a ， 2 8 d 的抗压强度可到8 2 8 肝a 。用其浇筑机场跑道6 h 后，飞机可安全降落，浇筑 路面4 l l ，可承担繁忙交通。美国航空公司曾在1 9 9 1 年海湾战争期间，用“p ”锄e n t ” 以惊人的速度在沙特修建了一个临时军用机场。但l o n es t a ri n d u s t r i e s 因多种 原因现已倒闭，现在有关“p y r 柚e n t ”复合水泥的应用报道很少 复合修补剂 由于单一的早强剂或活性剂难以满足快速修补的要求，因此，国内外纷纷开 展了快速复合修补剂的研究在国内，江苏省某研究院研制的j k 系列混凝土快速 修补剂，系以无机材料为主的新型复合材料，它克服了传统修补材料的一些弊端， 不仅具有快硬早强的特点，且收缩小，与老混凝土色差小、粘结力强、耐磨、耐 久、施工方便，是耳前国内性能较好的水泥混凝快速修补材料之一。其能满足 不同的开放交通时间要求，最快的1 2h 就能开放交通。西安某高校“3 研制出由硫 铝酸盐、铝酸盐、硅酸盐及高效表面活性剂复合而成的胂系列超早强修补剂，其 试验结果表明，掺入该材料的水泥混凝土具有以下特点：早期强度高，4 l l 6 h 即 可达到抗折强度3 5 船a 的通车要求，同时初凝时间能满足旌工要求。初凝与终凝 第一章绪论 4 时间间隔短，后期强度不衰减。提高了混凝土韧性和抗变形能力，降低了混凝土 脆性。减少了混凝土的干燥收缩，温缩程度也有所降低。有效地解决了新旧混凝 土界面结合的问题。水泥混凝土的耐抗折疲劳性能增强，疲劳寿命增加嗍 国内还有学者通过大量试验，选取了z c 剂( 即复合早强减水剂作为超早强水 泥混凝土的外加剂，并确定了其合理的掺量结果表明：z c 剂超早强混凝土具有 良好的力学性能，1 2 h 的抗折强度可达3 8 4 肝a ，能满足水泥混凝土路面快速修 补的要求；与旧混凝土界面粘结性较好，达混凝土设计强度的7 0 9 6 以上，也能满足 工程要求此外，还有武汉某大学研制的r 一2 4 型，江苏某公司研制的l ( s 系列快 速修补材料等。 国外在这方面也有一些研究。如美国新泽西州南部曾在做2 9 5 与州际公路沥 青罩面层之前，采用了无氯促硬剂制备快硬混凝土并用于混凝土路面的全厚修补 上述修补路面可以保证在养生1 d 3 d 后通车，取得了良好的经济效果，但对路面 的耐久性尤其是抗磨性未有研究。 聚合物胶砂与混凝土 美国、日本等国己普遍采用掺有聚合物的水泥砂浆剂和以合成聚合物和焦油 为主的油灰胶泥进行路面较宽裂缝的修补，如日本在2 0 世纪7 0 年代采用水溶性 聚合物水泥砂浆铺设高速公路。我国在宁一杭公路、扬州一级公路用聚丙烯醋酸乳 液砂浆进行路面薄层修补取得成功。 微硅粉混凝土 微硅粉是一种火山灰性极强的掺和料，将它掺入水泥混凝土中其早期强度高、 后期强度发展及新旧混凝土之间粘结良好。用其进行混凝土桥面或路面修补，修 补后1 d 3 d 可开放交通。但价格太贵，尤其是对混凝土路面在未开放交通之前就 出现的早期裂缝问题未得到彻底解决 纤维增强混凝土 纤维增强混凝土修补可以大幅度提高修补混凝土的抗拉强度，目前用于修补 的纤维增强混凝土有：钢纤维增强混凝土、碳纤维增强混凝土和合成纤维增强混 凝土。目前植物纤维增强混凝土已经有一些应用。钢纤维混凝土是一种性能优良 的新型复合材料，与普通混凝土相比，其抗拉、抗弯、抗裂及耐磨、耐冲击、耐 疲劳、韧性等性能都有显著提高，它不仅可使面层减薄，缩缝间距加大，改善路 面的使用性能，延长路面使用寿命，然而工程造价有所提高 1 3 选题背景和意义 1 3 1 水泥混凝土路面的结构特征 路面是道路结构的重要组成部分，其功能是供汽车在其上以一定的速度安全、 第一章绪论 5 舒适、经济地行驶。路面的好坏直接影响到行车速度、运输成本、行车安全和舒 适程度水泥混凝土路面作为一种高级路面结构形式，因其强度高、稳定性好、 耐久性好、耐高温、耐磨耗以及养护费用少等优点而得到了广泛的应用。统计表 明，目前我国已通车的2 5 万多公里的高速公路中，有2 0 9 6 即5 0 0 0 公里左右采用水 泥混凝土路面城市道路中水泥混凝土路面所占的比例更高可以预言，随着我 国社会经济和交通事业的迅速发展，水泥混凝土路面将会得到更加广泛的应用。 一般而言，水泥混凝土路面的结构层次由上而下为：面层、基层、底基层。 路面结构的主要功能是承受汽车荷载的作用。汽车荷载在路面结构中自上而下传 递，由于扩散的作用，路面结构中的应力随着深度的增加而减小因此，一般水 泥混凝土路面各个结构层次的强度和刚度自上而下逐渐降低。 水泥混凝土面层即路面板，是直接也是主要承受荷载的层次路面板的厚度 一般为1 8 2 6 为了避免混凝土收缩产生不规则的裂缝，路面板一般采取切缝 以释放温度等各种应力。通常切缝后板块的长度为4 6 m 、长宽比为1 ：1 2 5 。水 泥混凝土主要是由天然砂、碎( 砾) 石材和水泥经过一系列物理和化学反应的产物， 是以水泥浆为结合料，将矿质骨料胶结在一起而形成的具有一定力学性能的复合 材料。水泥混凝土的抗压强度大、抗拉强度小、刚度大、允许变形小，常用的路 面水泥混凝土，其抗压强度一般为2 5 3 5 抒a ，抗折强度为4 5 肝a ，回弹模量为 2 7 3 0 g p a 。基层是传递荷载的层次，其功能是把由路面板包括汽车荷载传来的应 力进一步扩散并传递到垫层和路( 土) 基上。一般的基层材料有碎石、砂砾、石灰 粉煤灰稳定粒料、水泥稳定粒料、碾压混凝土或贫混凝土等，在我国西部地区最 常用的是水泥稳定粒料和石灰粉煤灰稳定粒料。采用稳定粒料等半刚性材料铺筑 的基层被称为半刚性基层。一般半刚性基层的厚度为2 5 5 0 锄，顶面回弹模量为 6 0 1 2 0 肝a 。当面层和基层的厚度比最小的防冻深度小，或者地下水位太高而路 面结构稳定，或者基层不能防止水分下浸而需要设置防水层时，就必须设置垫层。 垫层的作用是扩散应力、防水和抗冻垫层的厚度通常为1 5 3 0 c m 常用的垫层 材料有级配砂砾、级配碎石、石灰稳定土和石灰粉煤灰等。稳定粒料、稳定土属 于稳定类材料稳定类材料是采用一定的技术措施，在集料( 如粉碎的土、砂砾、 碎石、矿渣等) 中，掺入适量的结合料( 如石灰、水泥或沥青等) 拌和而成的建筑材 料。与松散的原状土或砂石料相比，稳定类材料具有一定的强度和稳定性，能够 很好地扩散应力。 水泥混凝土路面是一种主要靠路面本身直接承受荷载的路面结构形式，作用 其上的不但有汽车荷载和人群荷载，还有温度变化、地震、水灾等各种环境因素， 而能够对路面结构产生影响的除了基层材料及其性能外，主要是作用其上的汽车 荷载和温度荷载。 第一章绪论 6 汽车荷载系指汽车在路面上行驶时，通过车轮把竖直力和水平力传给路面 车轮的滚动而使轮后产生的真空对路面还有吸引的作用。车轮作用于路面的竖直 力，由两个部分组成：一部分是汽车的重力，另一部分是冲击作用所产生的作用 力增量。汽车的重力由车身重和载重决定，冲击作用则与汽车的行驶速度和路面 的平整度有关。有学者m 3 通过对汽车动荷载的分析指出：汽车对路面的冲击力随车 速的增加而增大，随路面不平整度的恶化而增大还有学者提出：汽车与路面结 构间存在共振的作用。汽车的轮胎一般是冲气轮胎，具有一定的弹性，受到路面 的反作用力时就会变形因此，汽车轮胎对路面的作用不是在一个点上或者一根 线上，而是在一个面上通过对轮胎表面层的受力分析可以得出结论，即路面所 承受的轮胎竖直荷载是接近于椭圆形的均布荷载，荷载的压强等于轮胎内的气压 车轮对路面的水平力作用，是由于加速和减速引起的加速时，轮胎向路面施加 向后的摩擦力，以获得向前的反作用力，减速时则相反。因此，汽车对路面施加 的水平力大小，取决于汽车的加速度。轮后真空对路面吸引力的大小，与真空的 程度有关。如果车速比较低，轮胎花纹的方向和深度有利于空气流动，则真空的 程度就比较小，反之就较大。 由于水泥混凝土的抗压强度和抗剪强度都较高，而抗拉强度较低因此，在 汽车荷载的作用下，最具有破坏力的是板底的拉应力因为相对基层和路基来说， 水泥混凝土面板的刚度很大，所以在计算路面在汽车荷载作用下板中的应力时， 通常把路面板简化成弹性平面板，而把基层以下部分简化成文克勒地基。文献”“咖 对此作了详细的分析，并且介绍了路面板底应力的计算方法水泥混凝土路面的 温度荷载，是由于路面板中不同的部位存在温度差异而引起的m 嘲当气温很快上 升时，路面板表面的温度也跟着上升；当气温很快下降时，路面板表面的温度也 跟着下降由于水泥混凝土不是热的良导体，路面板顶和板底的温度不能及时同 步变化，因此，路面板底的温度变化没有板顶明显，热胀冷缩都比板顶小，这样 就造成了路面板顶和板底变形的差异，使板产生了翘曲变形的趋势板块间相互 的限制，面板与基层的粘结和摩擦，以及板块自身的重力等作用，阻止了板块的 翘曲变形，因而，在路面板中产生了温度翘曲应力。因为板块整体的平均温度随 外界温度的变化而变化，所以板块的体积要产生膨胀和收缩。 温度应力的大小决定于温度变化幅度的大小。气温的变化有一小大两周期， 小周期是指一个昼夜，大周期是指一年四季。气温昼夜变化速度快，季节变化速 度慢如果考虑热量在路面板中的传递，则昼夜温差产生的翘曲应力比较大，季节 温差产生的翘曲应力比较小。另一方面，由于季节温差比较大，昼夜温差比较小， 季节温差产生的伸缩应力比较大，昼夜温差产生的应力比较小。昼夜温度的变化 情况是随着季节的变化而变化的，所以季节的变化还是间接地影响着昼夜温差应 第一章绪论 7 力的变化。不管气温的变化规律如何，其变化的幅度只能在一定的范围内波动， 所以，一般情况下温度应力不可能突破水泥混凝土路面强度的极限值 综上所述，在一定的范围内周期性地波动是温度应力的明显特征。因此，温 度应力及其影响不是本课题研究的主要内容。 1 3 2 研究路面开裂机理及修补工艺的目的和意义 现行设计理论研究表明，路面各层性能正常、层间界面理想接触、设计和施 工良好的水泥混凝土路面，一般要达到其设计使用年限后才会开裂破坏一般情 况下，汽车荷载和温度荷载在路面板中产生的应力比较小，一般不能造成路面一 次性破坏。以2 2 伽厚的水泥混凝土路面板为例，如果混凝土的回弹模量为3 0 g p a ， 泊松比为0 1 5 ，基层顶面的地基反应模量k 为5 洲m j 则在轮胎气压为0 7 肝a 、轮 载为5 0 l 【n 的车辆荷载作用下，路面板底的最大拉应力仅为1 3 4 肝a ，而一般路面 水泥混凝土的抗弯拉强度为4 5 肝a 。然而，调查目前营运状况发现，相当多的水 泥混凝土路面在远未到达设计使用年限前，已经出现了不同程度的缺陷和开裂， 有的甚至完全破坏。而路面的开裂破坏常常会带来巨大的维修压力和经济负担， 维修必须先把已经破坏的板块凿掉，整平基层后才能浇筑新的板块，因为其工序 复杂，故耗费的人工和机具比较多，维修费用昂贵；此外，由于水泥混凝土必须 经过一段时间的养护才能形成强度，耗时较长，所以维修期间对交通的干扰严重， 所在路段的通行能力随之受到较大削弱。因此，如何提高水泥混凝土路面的抗裂 性能，是当今工程界迫切需要解决的问题。对水泥混凝土路面开裂的机理进行深 入研究，弄清导致路面开裂的原因和症结所在及其影响因素，并且运用适当的计 算理论和分析方法，揭示水泥混凝土路面开裂的规律和破坏过程，有利于完善路 面设计计算理论以及施工、管理、养护方法和措施，加强道路建设各环节相应的 技术保障，从根本上消除导致路面开裂的隐患；更有利于评估目前工程实际中所 采用的抗裂措施的合理性和有效性，寻找规律，总结经验，为路面开裂防治的新 材料、新技术和新工艺的研究、开发和应用提供依据 1 4 本课题研究的主要内容 2 0 0 5 年重庆交通大学和四川省眉山市公路局联合成立科研课题组，就 2 5 0 m 平整度 对速度影响不大 地形平原微丘 交通秩序与交通管理好 横向干扰中等 注：表中所列各项参数依据参考文献 14 】 1 5 】 第二章水泥混凝土路面使用初期破坏状况评价及原因分析 表2 6 交通量参数 ( 1 ：i b k2 6n 刮畸cn 嵋珊蟹啪) 项目数据 设计基准期，2 0 年 标准轴载日作用次数以 3 1 0 0 次 交通量年平均增长率g ， 5 临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数玎 0 5 4 表2 7交通分级 ( 1 曲kz 71 h 岱cl e v c l ) 交通等级特重重中等轻 设计车道标准轴 载累计作用次数 2 0 0 0l 2 o 3 1 2 5 d m平整度 对速度影响较大 地形平原微丘 横向干扰中等 交通秩序与交通管理好 洼：表中所列各项参数依据参考文献【1 4 】 1 5 】 表2 1 3 交通量参觳 ( 1 曲l c2 1 3 卫睫伍cn m 蜘幛噼s ) 项目致据 设计基准期f2 0 年 标准轴载日作用次数j 2 8 0 0 次 交通量年平均增长率占， 5 临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数玎o 5 4 根据表2 1 3 和公式( 2 4 ) ，可以得到札= 1 8 2 5 1 0 4 次，参照表2 7 ，属于重 交通。 排水状况的评价 通过实地测量路面、路肩横坡度及路段平均纵坡，了解路肩类型及路肩内是 否设置盲沟、暗沟等排水设施，下雨后观察路面、盲沟、边沟是否积水、积水时 间和深度，及路面板下是否有积水，调查底下水位及其对路基稳定性的影响，发 第二章水泥混凝土路面使用初期破坏状况评价及原因分析 现大部分的排水系统是能够正常使用的；另外，圆管涵、盖板涵无杂物堵塞，排 水通畅。总体来说排水能力能够满足要求。 施工状况的评价 通过查阅施工原始记录，调查路基及路面各结构层，是否按设计的厚度、结 构、材料、配合比施工，施工过程中采用的主要质量控制指标及对这些 指标进行实际抽检的情况 从承包人的自检资料和监理的抽检结果看来，大部分路段的施工基本能够 按照设计和有关规范规定进行，路基分层压实、压实度基本满足设计要求，基层 的原材料试验、无侧限抗压强度试验结果基本满足要求。但是路面施工过程还存 在改进之处 养护状况的评价 通过查阅历年养护资料，了解每年路面病害发生数量、程度、处置措施及处 理过程中发现的施工缺陷等。由于本路段的竣工时间不长，因此，养护工作的重 点是日常的局部修补。从各个道班的资料看来，主要是对微裂缝的修补以及局部 表面损坏的修补。裂缝的修补基本使用沥青填缝料进行灌封，表面修补也是以沥 青砂修补为主，局部路段由于损坏严重，进行了全厚凿除，再浇筑水泥混凝土面 层。但根据现在的调查情况看来，本路段已经破坏得相当严重，有必要进行全厚 度修补。 2 3 破坏原因分析 基层强度不足或面层强度不足 基层强度不足或面层强度不足，致使面板不能承受车辆荷载的反复作用，通 常会产生网状裂缝，这也是一种分布面积较大的裂缝形式。 基层强度不足，阻水效果差。雨水或地面水常常经接缝直接下渗到基，在 轮载频繁作用下，形成有压水冲刷基层表面，形成的泥浆沿接缝缝隙往下喷溅， 产生唧泥，最后造成基层与混凝土面板发生脱空 原材料不合格、基层标高失控和不平整、混凝土配合比不当、施工工艺中 的问题、边界原因等。这些因素易造成早期裂缝，如果不及时控制或处理方式不 得当，便会引起水泥混凝土板断裂。 水泥混凝土路面板闭水不严 水泥混凝土路面接缝处闭水不严，地表水或雨水通过缩缝或胀缝进入结构体 内部，使路面基层及下面的土基层湿软，造成板底的脱空、错台以及翻浆冒泥等 现象。 第二章水泥混凝土路面使用初期破坏状况评价及原因分析 填缝料失效 由于面板收缩时胀缝张开，填缝料失效，不可压缩的坚硬材料塞满胀缝，面 板在膨胀时产生较大的热压应力，从而出现纵向压曲失稳而使面板拱起 缩缝切割不及时或间隔距离过大 当水泥混凝土路面的缩缝切割不及时或间隔距离过大时，混凝土出现收缩而 产生横向裂缝，一般这种裂缝能够贯穿到板底，并且随着使用时间，逐渐发展， 使路面基层断裂。 2 。4 本章小节 我国最近几年修建的水泥混凝土路面，在使用初期发生破坏的形式主要表 现在：早期开裂、裂缝、纵缝拉宽、胀缝破坏、唧泥、错台等 对省道1 0 3 线眉山段破坏状况的评价为：面板厚度和抗弯拉强度满足设计 要求。主要破坏形式为毛发状表面裂缝、麻孔、剥落、局部破损和坑洞等。交通 量负荷较大，属于特重交通。路面排水状况良好，施工工艺有需改进之处。 对眉多路破坏状况的评价为：面板厚度满足设计要求，抗弯拉强度小于设 计要求主要破坏形式为网状裂缝，贯穿性裂缝，沉陷，翻浆、冒泥、翘曲、断 板等，以伴有沉陷性的断板破坏形式最为普遍。 根据实地调研情况和室内试验结果，总结出基于本研究范围的水泥混凝土 路面使用初期破坏的原因，主要集中在：面层的闭水不严，至使基层和地基湿软、 强度不足，板底脱空失去支承引起断裂；此外，施工工艺存在需改进之处。 第三章路面板断裂破坏机理分析 第三章路面板断裂破坏机理分析 通过上一章的破坏状况评价及破坏原因分析，已了解到导致水泥混凝土路面 发生严重破坏的原因，通过调研和室内试验分析，正是由于面板出现贯穿性的裂缝， 导致面层闭水不严，才发生诸如：唧泥、沉陷、错台等破坏现象，严重影响了路面 的正常使用以下将从理论和试验角度进一步分析水泥混凝土路面在使用初期即 发生断板等严重破坏形式的机理 3 1 导致断板的主要原因 路面施工质量控制不严、原材料不满足规范要求，在车辆荷载及环境因素 的重复作用下造成面板断裂。 基层处理不匀，使路基强度不足、稳定性差，导致面板断裂 路面在使用过程中，面层接缝填封料失效，混凝土板不能自由伸缩，板内 产生过大拉应力，引起路面板断裂 早期细微裂缝未反应到表面，使用一段时间后，受行车荷载及温度应力的 双重作用，部分裂缝将逐渐增长、变深，以致造成面板断裂。 路基及基层排水不良，长期受水浸泡，引起路基失稳或强度不足，使路面 产生不规则断裂。 超重车辆的增加也是混凝土路面使用初期开裂断板的重要原因。 3 2 水泥混凝土路面损伤断裂微裂缝的形成原因 3 2 1 板底微裂缝 水泥混凝土路面是将水泥混凝土拌和物直接浇注在凹凸不平的基层上而形成 的路面结构形式水泥砂浆将面层、基层形成一个整体，然而面层、基层的弹性 模量、泊松比和强度各不相同面层与基层的接触面部分的弹性模量、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，并且相对面层而言，该层即为强度薄弱层。随着时间的推移，由于基层 和面层弹模、泊松比和强度的不同，加之面层水泥混凝土水化收缩，在周期性变 化的影响下，面层与基层之间发生不等量变形。因此，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匀胀缩，产生了巨大剪应力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产生成为必然。 3 2 2 板中微裂缝 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 第三章路面板断裂破坏机理分析 萌生、晶体位错等微观不可逆变化，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，其本身就是一种内部含水、微裂缝、微孔隙的损伤 体，其损伤度d 为： d = l s ，s 式( 3 1 ) 式中：s 、丑分别为连续介质中的一个单元出现损后内外法线为一的某截面在 损伤前后的面积。损伤后混凝土的弹性模量e 为： e = e o q 一聊 式中：磊为损伤前混凝土的弹性模量；d 为损伤度 3 3 水泥混凝土路面开裂过程 3 3 1 路面板底初始损伤阶段 这一阶段通常发生于养护阶段，由于过渡层的破坏，面板与基层逐渐分离， 在路面产生温度变形的剪应力作用下，其板底损伤开始，从而也拉开了减弱路面 强度的序幕。 3 3 2 使用初期裂缝形成阶段 路面投入正式使用后，在车辆动荷载的作用下，路面板会发生振动，板的振 动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、车 速大小、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。 3 3 3 使用期间路面损伤开裂加剧阶段 由于混凝土本身是一种损伤体，内部含有微裂纹、微孔隙，在行车荷载和温 度应力的作用下，原有体内的细小裂隙将迸一步扩展，且新的微裂纹又生成、扩 展。微裂纹扩展并集和材料的弹性变形同时出现，但卸荷后不能愈合，因此导致 能量耗散，材料的强度、刚度下降，同时路面板板中裂纹尖端附近酶混凝土逐渐 损伤，裂纹会逐渐发展和加剧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，最终微裂纹扩展汇合成宏观裂纹。 3 3 4 路面断裂破坏阶段 板底及板中出现裂纹后。荷载作用下受拉区会出现损伤，即： 啊= ，( 1 一功 式( 3 ，3 ) 式中：q 板底出现裂纹后的拉应力； 路面板完好时的拉应力； d 板底初始损伤度。 受拉区应力增大，裂纹有向板顶扩展的趋势。 第三章路面板断裂破坏机理分析 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，该处 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，从而促成板的开裂破坏。 3 4 面板使用初期裂缝对混凝土路面疲劳破坏的影响分析 3 4 1 理论分析 水泥混凝土路面面层与基层之间的过渡层破坏后，表面凹凸不平，且板底有 裂纹生成，有的裂纹可能穿透过渡层而进入混凝土面层，由于板底受到的拉应力 最大，板底表面的凹凸不平和表面裂纹对疲劳寿命的影响非常大。因此，过渡层 的破坏及表面裂纹除了严重影响混凝土面层的静力强度外，还将极大地影响混凝 土板的疲劳强度，使路面常常远未达到其设计使用年限就出现开裂和破坏。 疲劳强度是混凝土路面设计及其性能表现的一个关键指标。传统的关于路面 混凝土的疲劳强度研究基于经典的应力寿命法，即确定疲劳强度时，对使裂 纹生成的循环次数和使这一裂纹扩展直到发生突然破坏的疲劳次数不加区分实 验表明“，对金属材料，试件的疲劳强度将因为试件表面的粗糙或腐蚀而大幅度 降低，锻造试件若表面未经处理，其疲劳强度较表面精加工抛光的试件低3 0 9 6 5 0 9 6 。事实上，实际路面板底除了凹凸不平而外，还有薄弱的过渡层和表面裂纹， 由此而引起的疲劳强度降低的程度比单纯的凹凸不平降低的程度还要大对路面 的疲劳寿命研究，必须用基于断裂力学理论的疲劳裂纹扩展寿命方法进行分析 根据波特兰水泥协会推荐的疲劳方程 l n ，= 一正卜印 式( 3 4 ) ，一 式中：，允许重复荷载作用次数； 口路面板底的弯拉应力； ，曩路面板的设计弯拉强度； 正、，2 设计参数。 所谓路面的疲劳寿命，是指加载开始至裂缝形成、裂缝拓展、最后发现断裂 破坏整个过程的疲劳作用次数，即：，= + ，其中 为路面完好无损至 路面板底裂纹形成所需的加载循环作用次数；。为裂纹扩展至路面板完全断裂 所需的加载循环作用次数，且一般情况下。 。如前所述，由于实际的路面过 渡层破坏后，路面板底事实上己经存在裂纹，即加载前有。加。因此，路面疲劳 作用的允许次数仅相当于从路面板已经开裂至断裂破坏的作用次数，这一数值远 第三章路面板断裂破坏机理分析 远低于混凝土路面板总的疲劳寿命。另一方面，路面板在荷载作用下产生的弯拉 应力，应为路面板出现裂纹后的拉应力由于路面板底出现使用初期开裂而该值 大于板完好时相应的拉应力，且随着开裂的不断加剧而逐渐增大。如式( 3 4 ) 所示， 两方面的综合效应就使得路面板的疲劳寿命大大缩短，并且往往在低水平应力作 用下未到达设计年限就发生断裂破坏。 3 4 2 试验论证 重庆交通大学在相关科研课题中进行过两次小梁疲劳试验，试验过程及结果 如下“3 1 。 第一次试验：制备了两组试件，第一组是直接浇注在级配碎石基层表面成型的 尺寸为4 0 0 ，i 胁1 0 0 彻l x l 0 0 ，溯的1 2 个小梁试件，成型后界面过渡层较明显第二 组是直接浇注在经过整平处理的级配碎石基层表面成型的尺寸为 4 0 0 ，铆1 0 0 ，聊1 0 0 朋l 的1 2 个小梁试件，小梁底面与基层之间经过技术处理后近 似光滑接触。养生9 0 天后进行疲劳试验。试验结果如表3 1 、表3 2 所示。 表3 1 第一次疲劳试验试件的静力强度值 试件静力强度测试值( 船a ) 静力强度平均值a 咕( m p a ) 第一组 5 5 34 8 24 3 75 0 55 0 0 第二组4 鹋 4 附 5 2 54 3 04 6 7 囊3 2 第一次疲劳试验试件的疲劳试验结果 疲劳寿命( 次) 试件 应力水平( 一= o 7 。；口_ ，口。= 0 1 ；为静力强度平均值) 第一组1 0 6 3 7 6 4 39 1 l 3 8 7 9 9 3 0 5 1 1 2 第二组 3 4 3 21 2 8 3 32 5 0 8 41 6 4 2 3 06 2 3 8 2 21 0 2 6 2 9 0 第二次试验：制各了两组试件，第一组是直接浇注在级配碎石基层表面成型的 尺寸为4 0 0 朋l l x l 忉，1 ) ( 1 0 d 棚的1 2 个小梁试件，成型后界面显然含有过渡层。第 二组是直接浇注在经过整平处理的级配碎石基层表面成型的尺寸为4 0 0 珊1 0 嘶 1 0 0 眦的1 2 个小梁试件，小梁底面与基层之间通过技术处理后近似光滑接触。两 组试件在同样的条件下进行养生1 7 0 天后在岍s 疲劳试验机上进行疲劳试验。试验 结果如表2 3 、表2 4 所示。 第三章路面板断裂破坏机理分析 表3 3 第二次疲劳试验试件的静力强度值 试件静力强度测试值( 聍a )静力强度平均值a ) 第一组 5 8 05 5 65 6 45 3 95 ，0 3 第二组 5 35 3 95 0 96 0 06 2 4 裹3 第二次疲劳试验试件的痉劳试验结果 疲劳寿命( 次) 试件 应力水平( 。= 0 8 l 口m ，口一= 0 1 ；为静力强度平均值) 第一组 5 7 1 5 6 6 1 8 0 第二组 1 0 l 8 4 5 9 5 6 8 疲劳寿命( 次) 试件 应力水平( a l 一= 0 7 ；口_ ，口一= o 1 ；为静力强度平均值) 第一组1 2 52 6 86 9 32 3 6 48 0 2 31 9 1 8 62 2 8 l l3 7 5 2 2 7 第二组 4 3 4 9 81 3 4 0 22 1 1 9 57 7 0 3 6 31 0 2 3 3 71 1 5 4 2 9 72 0 0 0 咖2 0 o 注：表中+ 号表示达到该次数试件未破坏 从上述两次试验结果可以看出：各种应力水平条件下，过渡层的存在以及路 面板底初始裂纹对混凝土路面疲劳特性的影响十分显著，路面疲劳寿命的折减呈 级数下降若采取适当的工程措施，对路面板与基层之间的界面进行适当的光滑 处理，同时，尽量整平基层，将会使路面的疲劳寿命提高两个数量级同时