混凝土路面低溫破壞機(jī)理探討

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摘要:文章首先總結(jié)了低溫環(huán)境下水泥混凝土路面常見的破壞形式，并進(jìn)一步對低溫環(huán)境下水泥路面破壞的原因和機(jī)理進(jìn)行了分析和研究。對水泥混凝土路面的抗?jié)B性、抗凍性、抗變形能力及路基下水文地質(zhì)條件和修建路面后對路基下溫度場、變形場的影響等多種因素進(jìn)行分析研究，提出了相應(yīng)的措施，防止和減小水泥路面在凍土環(huán)境下的破壞，提高水泥混凝土路面的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞:水泥混凝土;抗凍性;破壞形式;溫度場;變形

近年來我國水泥路面得到了較快的發(fā)展，在北方冬季低溫環(huán)境下使用的混凝土除了要滿足主要的技術(shù)性能外，還要求具有較高的抗裂、抗?jié)B、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(huán)境下常見的破壞類型及成因

水泥混凝土路面盡管具有穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但水泥混凝土卻具有脆性大等缺點(diǎn)，這就使得水泥路面在低溫環(huán)境下很容易由于變形能力差而發(fā)生破壞。通過對水泥路面試驗(yàn)段的實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)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(wǎng)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(huán)作用等因素有關(guān)，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(hù)不當(dāng)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(chǎn)生不均勻沉降，再加上重車載循環(huán)作用和凍融循環(huán)作用，導(dǎo)致混凝土路面在這種情況下很容易遭受破壞。

2凍土環(huán)境下混凝土路面的破壞機(jī)理

2.1混凝土的抗?jié)B性

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

2.2混凝土的抗凍性

目前，混凝土凍融破壞機(jī)理還沒完全弄清楚，公認(rèn)程度較高的是T.C.Power等提出的混凝土內(nèi)部孔隙中的水在負(fù)溫下結(jié)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(jié)區(qū)的遷移所造成的滲透壓力理論。認(rèn)為混凝土的凍融破壞主要是受膨脹壓力和滲透壓力，當(dāng)這兩種壓力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就會產(chǎn)生裂縫，多次凍融使裂縫不斷擴(kuò)展直至破壞。

2.3混凝土的變形

水泥混凝土的變形要包括幾個(gè)部分:化學(xué)收縮、干濕變形、溫度變形、荷載變形。現(xiàn)給出G214線K374+975水泥路面變形各監(jiān)測點(diǎn)布置圖(圖1)及路面各監(jiān)測點(diǎn)部分實(shí)測變形資料(圖2)，由圖2可以明顯地看出同一監(jiān)測面不同位置的變形隨著時(shí)間的變化很不均勻，這也是導(dǎo)致凍土水泥路面破壞的一個(gè)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(qū)(年平均氣溫為－3.5℃)水泥路面下地溫場的數(shù)值計(jì)算模擬和實(shí)測資料的分析發(fā)現(xiàn)，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(guān)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(shí)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(shí)間的增加越來越大，當(dāng)沉降變形超過水泥混凝土的變形能力時(shí)，就會導(dǎo)致路面破壞，產(chǎn)生裂縫、斷板等。

2.5混凝土路面下土體的不均勻變形

凍土路基隨季節(jié)融化過程產(chǎn)生融化下沉變形，隨季節(jié)回凍凍結(jié)產(chǎn)生凍脹變形，但凍脹和融沉都不是完全可逆的變形，經(jīng)過若干次這樣的變形后，路基永久變形將越來越大，當(dāng)變形超過水泥路面的變形范圍時(shí)，水泥路面就會產(chǎn)生裂縫，裂縫隨著時(shí)間的變化逐漸擴(kuò)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(jié)融化層、填土路堤壓密變形為主，多年凍土參與變形。季節(jié)融化層變形除了與其本身巖性成分及物理性質(zhì)有關(guān)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(chǎn)生的熱擾動將使季節(jié)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(huán)境下適應(yīng)性的措施

3.1提高水泥混凝土的抗凍性

3.1.1優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)

混凝土的配合比設(shè)計(jì)，就是確定水泥、水、砂與石子四項(xiàng)基本組成材料用量之間的單個(gè)比例關(guān)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(gè)重要參數(shù)。它們與混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)有著密切的關(guān)系。因此，正確合理地確定這三個(gè)參數(shù)，有利于提高混凝土的抗凍耐久性。如采用適當(dāng)?shù)乃冶龋梢蕴岣呋炷恋目箖鋈谀途眯?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(xué)作用同樣是提高混凝土抗凍性不可忽視的原因［3］。實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)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(jié)而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)缺陷的概率，并可強(qiáng)化混凝土的硬化過程。試驗(yàn)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(qiáng)度提高20%～25%，抗凍性也相應(yīng)得到提高［5］。纖維包括鋼纖維和有機(jī)纖維等，纖維的摻加有效地克服了混凝土抗拉強(qiáng)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(yīng)，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(qiáng)了混凝土的抗變形能力，從而提高了混凝土的抗凍性。

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(hù)坡、硅藻土護(hù)坡、遮陽板、采取保溫材料、使用通風(fēng)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(jié)融化層和多年凍土融化層三個(gè)方面的變形，減小填土路基的變形主要采取提高施工質(zhì)量的施工技術(shù)，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(jié)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(hù)路基下溫度場，減少季節(jié)融化層受外界人為作用的干擾而加深。計(jì)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(shè)計(jì)高度。這些都有利于保護(hù)路基下季節(jié)融化層和多年凍土的穩(wěn)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(shè)法降低混凝土的發(fā)熱量，減小混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力。如采用低熱水泥，減少水泥用量，在混凝土中設(shè)置溫度鋼筋、采用人工降溫等措施［4］。其次采取適當(dāng)?shù)拇胧┗驌郊幽撤N外加劑等，增加水泥混凝土的抗變形能力。

3.5提高施工質(zhì)量和加強(qiáng)對混凝土施工后的早期養(yǎng)護(hù)

嚴(yán)格控制混凝土的施工質(zhì)量是控制水泥混凝土路面質(zhì)量最重要的影響因素?；炷恋氖┕べ|(zhì)量情況直接關(guān)系到它的抗凍性能。振搗時(shí)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(zhì)量無疑是對混凝土質(zhì)量的有效保證;但對混凝土施工后早期的養(yǎng)護(hù)工作也不無重要。混凝土的早期強(qiáng)度低，在混凝土強(qiáng)度早期快速增長期間更容易凍壞，所以應(yīng)特別防止混凝土的早期受凍。因此加強(qiáng)混凝土強(qiáng)度快速增長期間的防凍養(yǎng)護(hù)也很重要。

4結(jié)語

在凍土環(huán)境下，水泥混凝土路面破壞的原因十分復(fù)雜，文章研究分析可以得出以下結(jié)論:(1)水泥混凝土路面在凍土環(huán)境下的破壞與混凝土的抗凍性有很大的關(guān)系。提高混凝土的抗凍性，對混凝土的凍融破壞機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以便采取更好的措施(如采用適當(dāng)?shù)呐浜媳?、外加劑及摻合料?來改善混凝土的抗凍性。(2)水泥混凝土路面在凍土環(huán)境下的破壞與路基下溫度場有關(guān)。應(yīng)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(hù)了路基溫度場的穩(wěn)定。(3)水泥混凝土路面在凍土環(huán)境下的破壞與混凝土自身的抗變形能力有關(guān)。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(huán)境下的適應(yīng)能力。(4)水泥混凝土路面在凍土環(huán)境下的破壞與路基的變形有關(guān)。在選擇路基填料時(shí)應(yīng)盡量選擇壓密變形小的填料;此外，施工技術(shù)和施工質(zhì)量的提高對減小路基及路基下土體的變形也相當(dāng)重要。隨著公路建設(shè)向著高速、重載、大流量方向的發(fā)展，水泥路面的優(yōu)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(huán)境下的適應(yīng)性問題也將會得到進(jìn)一步的解決。屆時(shí)水泥混凝土路面將會成為凍土環(huán)境下最常用的路面類型。

作者：王曉東 單位：山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心