浅谈混凝土路面损伤断裂的成因思维导图

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，同时由于面层水泥混凝土逐渐凝结，混凝土将产生收缩变形，由于温度的周期性变化，面层与基层之间存在不等量变形。由于以上原因，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。

1.2 板中微裂缝的生成。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，混凝土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：

式中：S、S'分别为连续介质中的一个单元出现损后内外法线为n的某截面在损伤前后的面积。损伤后混凝土的弹性模量E?平：

式中：E为损伤前混凝土的弹性模量；D为损伤度。

2.3.1 板底及板中出现裂纹后，荷载作用下受拉区会出现损伤，即：

式中：α??平拉?为板底出现裂纹后的拉应力；α?拉为路面板完好时的拉应力；D为板底初始损伤度。

受拉区应力增大，裂纹有向板顶扩展的趋势。

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。

2.4 混凝土面板裂纹扩展的定量描述。混凝土面板裂纹扩展的三个参数，包括拉伸强度f?t ，断裂能G?f，还有拉伸应力——应变软化曲线形式的参数，其中断裂能指裂纹扩单位面积释放出的能量。Bazant.oh 1983年研究得出的近似公式：

其中d?a为最大骨料粒径, E?c为混凝土的杨氏模量, f?t为拉伸强度。

路面疲劳破坏的过程描述。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，并且第一阶段通常占材料总寿命的80％左右。然而，在确定混凝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而了生断裂破坏的原因。

水泥混凝土路面的断裂破坏影响因素非常多，且较复杂，国内外诸多专家对此已作了大量而卓有成效的研究工作，提出一些有效的防治方法。本文仅从理论的角度定性分析水泥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。文中的部分结论是基于国内外相关成果进行分析和整理而得。值得指出的是：出于分析问题的简单化，本文仅对板本身的破坏过程进行了分析和相关讨论，并未涉及到板的基层材料组成及其性能对板开裂破坏的影响。