水泥混凝土路面耐久性思考(張起森)

1、水泥(shun)混凝土路面耐久性思考長沙理工大學 張起森教授(jioshu) 清華大學 廉惠珍教授2005年06月共四十八頁 問題的提出 水泥砼的變形特性 路基沉降與砼路面材料特性 水泥砼路面的耐久性設計思考水泥混凝土路面(lmin)耐久性思考共四十八頁問題(wnt)的提出共四十八頁主要(zhyo)包括：結(jié)構(gòu)耐久性問題（如抗磨性、抗沖擊韌性、抗凍性、抗?jié)B水性(shuxng)、耐鋼筋銹蝕性、耐腐蝕性、耐堿集料反應等耐久性問題）水泥砼路面問題共四十八頁結(jié)構(gòu)(jigu)耐久性問題（1）在世界范圍內(nèi)，不少砼工程僅在服役了約三、四十年左右便進入老化期，為此而進行的大修或更換不但造成巨大經(jīng)濟損失而且引發(fā)了

2、嚴重社會問題。（2）許多發(fā)達國家每年花在建筑維修的費用早就(zo ji)超過了新建費用，如英國1978年的砼建筑維修費上升到1965年的3.76倍，1980年的維修費占總費用的2/3。美國聯(lián)邦公路署1989年提交給美國國會的一份報告國家公路和橋梁現(xiàn)狀指出，積壓著有待維修的橋梁需花費1550億美元。美國每年用于砼工程的維修費則高達300億美元，由除冰鹽引起鋼筋銹蝕而限載通車的公路橋梁已占全部橋梁的1/4。共四十八頁（3）我國進行大規(guī)模土建工程建設的時期還非常短，但工程耐久性問題已暴露得非常突出。如我國第一座城市立交橋北京西直門立交橋只使用了19年就到了非拆不可的地步，天津中環(huán)路上的橋梁僅僅使用了

3、約1516年后，已有一些需要大修或更換的。山東濰坊辛沙公路上的白浪河大橋地處鹽堿地區(qū)，建成使用不到十年，現(xiàn)已發(fā)生主筋保護層大片剝落、主筋截面銹蝕缺損，必須報廢重建?；㈤T大橋的部分引橋橋墩，由于施工(sh gng)質(zhì)量問題，鋼筋籠偏置，造成一側(cè)的砼保護層不足，建成僅5年就因鋼筋銹蝕引起表層砼脹裂。80年代建造的貴州遵義紅軍紀念塔大型砼雕塑群，在酸雨作用下，已出現(xiàn)砼表面坑蝕、骨料外露和砼沿鋼筋縱向開裂、保護層剝落等現(xiàn)象。即使像北京人民大會堂或北京展覽館這樣顯赫的建筑物，也不能逃脫鋼筋嚴重銹蝕后翻修加固的厄運。共四十八頁水泥混凝土路面在我國應用(yngyng)已有多年歷史。它的較大規(guī)模應用(yngy

4、ng)可追朔到58年我國大躍進年代，但水泥混凝土路面的現(xiàn)代化建設則是近十幾年開展起來的。水泥混凝土路面作為一種主要路面結(jié)構(gòu)形式，以其使用年限長，不易損壞，養(yǎng)護簡便等優(yōu)點，自90年代以來，在我國取得了飛速發(fā)展，水泥混凝土路面修建技術(shù)不斷提高。但是，水泥混凝土路面產(chǎn)生的開裂、斷板、錯臺、沉陷等病害，使混凝土路面的使用壽命大大下降，路面完好率受到嚴重影響，如京滬高速公路濟泰段，由于病害影響，現(xiàn)已全面白改黑。水泥砼路面(lmin)問題共四十八頁水泥混凝土路面的破壞并不是都因強度不足引起的，路面板損壞90以上是從邊角開始，其主要是因為水分從接縫處下滲，把面板下各結(jié)構(gòu)層泡軟、沖散，使面板處于不連續(xù)支持狀態(tài)

5、；或石子從接縫處進去，形成支點，把面板頂翹壞；或者由于(yuy)面板日夜上下反復翹曲變形等原因。這些問題并不是僅通過提高砼強度能得到解決的，而是必須通過加強抗磨性、抗沖擊韌性、抗凍性、抗?jié)B水性、耐鋼筋銹蝕性、耐腐蝕性、耐堿集料反應等耐久性設計來改善在此，主要結(jié)合水泥砼材料特性對水泥砼路面早期開裂病害進行原因分析并針對影響水泥砼路面耐久性的因素對耐久性設計問題進行討論水泥(shun)砼路面問題共四十八頁水泥(shun)砼路面早期破壞問題經(jīng)鋪筑裝備和技術(shù)的大規(guī)模引進、消化和吸收，我國水泥混凝土路面的施工質(zhì)量與技術(shù)已日趨接近國外先進水平。然而，我國建成的水泥混凝土路面早期斷板開裂的現(xiàn)象(xinxin

6、g)仍然嚴重。在建成后的一年質(zhì)保期內(nèi)就發(fā)生嚴重開裂的現(xiàn)象(xinxing)，在全國各地并不少見。我國水泥混凝土路面病害的主要特征為先開裂后斷板。以下是京珠高速公路某施工標段路面早期開裂典型實例。該路段的路面施工完成后約半年，沿縱向接縫的兩旁發(fā)生大量縱向連續(xù)裂縫，局部有橫向裂縫。經(jīng)現(xiàn)場觀察，裂縫累積長度約占施工標段總長的70%。在澆灌環(huán)氧膠進行修補后一個月，裂縫寬度仍在繼續(xù)擴展?，F(xiàn)場情況詳見照片共四十八頁京珠高速某施工標段水泥砼路面早期(zoq)開裂共四十八頁水泥砼路面早期(zoq)開裂共四十八頁水泥(shun)砼路面早期開裂共四十八頁水泥(shun)砼路面早期開裂共四十八頁 施工方技術(shù)負責人介

7、紹，本單位為創(chuàng)優(yōu)質(zhì)工程的業(yè)績，在該路段的路面施工中采用了高于施工標書要求的質(zhì)量控制目標，內(nèi)定的混凝土彎拉強度目標為6MPa以上(yshng)，實際都在6. 5MPa左右。沒有想到，唯獨在他們的施工標段內(nèi)發(fā)生了這樣大面積的開裂質(zhì)量事故，令他們無論如何想不通！共四十八頁從當時過往的車流量看，車輛往來稀疏（京珠高速尚未全線貫通）；相鄰施工標段也未見類似現(xiàn)象。在現(xiàn)行水泥混凝土路面設計規(guī)范中，彎拉強度是水泥混凝土質(zhì)量的控制性指標。混凝土彎拉強度標準值隨交通等級提高而增加，特重交通等級要求為5. 0MPa。在該思想指導下，似乎混凝土的彎拉強度應該越高越好！而裂斷病害的頻發(fā)現(xiàn)象已給出提示，彎拉強度作為水泥混

8、凝土的設計(shj)控制性指標并不完善，僅有填料的最小強度及壓實度作為路基施工的控制性指標存有重大缺陷。共四十八頁水泥砼的變形(bin xng)特性共四十八頁主要(zhyo)包括：普通水泥混凝土典型受拉變形(bin xng)曲線水泥混凝土的受力變形規(guī)律水泥混凝土硬化早期的變形規(guī)律共四十八頁普通水泥混凝土典型(dinxng)受拉變形曲線圖中：曲線中的C點為強度極，曲線中的E點為初始裂縫(li fng)出現(xiàn)位置共四十八頁水泥(shun)混凝土的受力變形規(guī)律（1）強度(qingd)標號的影響 混凝土的強度標號越高，其初裂點E對應的應變越大；但強度標號超過C50/C55后，初裂點對應的應變反而逐漸變小

9、。即強度標號的影響存在一拐點：過高的強度標號，反而會使混凝土的初裂應變減小；用彎拉應力描述，就是混凝土發(fā)生初始裂縫前的可彎曲撓度較?。ù嘈暂^高）（2）集料粒度的影響 粗集料的平均粒徑減小，其初裂點E對應的應變越大。即減小集料的粒徑，混凝土發(fā)生初始裂縫前的可彎曲撓度較大（脆性較低）共四十八頁水泥(shun)混凝土的受力變形規(guī)律（3）聚合物外加劑的影響：在水泥混凝土中摻入5%以上的聚合物，其初裂點E對應的應變(yngbin)明顯增大。即混凝土發(fā)生初始裂縫前的可彎曲撓度增大（脆性較低） （4）礦物摻和料的影響：相同標號的混凝土，礦物摻和料較大時，其初裂點E對應的應變較大，即混凝土發(fā)生初始裂縫前的可彎

10、曲撓度較大（脆性較低） 總之， 采用粒徑較小的的集料、摻入適當聚合物或較多礦物摻和料，配制強度不過高的水泥混凝土，其發(fā)生初始裂縫前的可彎曲撓度較大（脆性較低）共四十八頁水泥混凝土的受力變形(bin xng)規(guī)律（3）聚合物外加劑的影響 在水泥混凝土中摻入5%以上(yshng)的聚合物，其初裂點E對應的應變明顯增大。即混凝土發(fā)生初始裂縫前的可彎曲撓度增大（脆性較低） （4）礦物摻和料的影響 相同標號的混凝土，礦物摻和料較大時，其初裂點E對應的應變較大，即混凝土發(fā)生初始裂縫前的可彎曲撓度較大（脆性較低） 總之， 采用粒徑較小的的集料、摻入適當聚合物或較多礦物摻和料，配制強度不過高的水泥混凝土，其發(fā)

11、生初始裂縫前的可彎曲撓度較大（脆性較低）共四十八頁水泥混凝土硬化早期的變形(bin xng)規(guī)律（1）化學收縮（水泥水化反應，引起混凝土體積收縮 ）：化學收縮在混凝土硬化齡期40多天時達峰值速率，2年左右(zuyu)完成約80%。水泥的摻量越大、早期強度越高時，混凝土的化學收縮速率越快、收縮終值越大 （2）干燥收縮 （混凝土內(nèi)多余水分的遷移蒸發(fā)，引起其體積收縮） ：長齡期混凝土的干縮濕脹主要為可逆變形，也會留下少量不可逆收縮。 （3）溫度收縮 ：水泥水化熱通常在混凝土4天齡期左右達峰值，并留下一定凈收縮值。對于厚度不大的路面結(jié)構(gòu)，其影響較小。環(huán)境溫度變化引起的混凝土熱脹冷縮，雖是可逆的；但其值

12、不小，對混凝土路面的影響不可小視。共四十八頁 在水泥混凝土的硬化早期，其總的變形為不可逆的凈收縮。既有設計規(guī)范規(guī)定，混凝土路面所設的橫向縮縫為假縫：即在路面板上表面切有幾厘米深的縫隙，其下部為連續(xù)澆筑的整體?，F(xiàn)有的大型(dxng)攤鋪機?？蓡畏B續(xù)澆筑78公里，中間沒有設置完全斷開的伸縮縫。當混凝土硬化收縮時，并不一定沿橫向縮縫整齊斷開，而更可能在假縫附近產(chǎn)生不規(guī)則的裂紋。共四十八頁路基沉降與砼路面材料(cilio)特性共四十八頁既有路基設計與施工均以填料最小強度及分層鋪筑壓實后的壓實度作為控制性指標。在路基建成后交付路面施工前，對路基建成后自然沉降并無定量控制性指標（除軟土地基外），僅對高路

13、堤的路堤頂沉降量提出觀測的一般性要求（無控制性指標）。在路面設計中，對路基建成后的自然沉降也無定量要求。 因此，路基沉降的影響就成為兩個施工階段的盲區(qū)，具有相當?shù)碾S意性：路基建成后的自然沉降量應控制多大才可以進行路面施工？路面建成后，路基的自然沉降量應控制多大才不致影響路面？這些都交給了施工現(xiàn)場人員依靠經(jīng)驗判斷作出決定。 同時由于上述原因(yunyn)，水泥砼板在運營過程中經(jīng)常出現(xiàn)脫空狀態(tài)，這對水泥砼板是特別不利的，也是產(chǎn)生斷板的一個重要原因(yunyn)共四十八頁路堤(ld)頂面的實際形狀是在不斷變化中，道路工程的路基由挖、填方路基構(gòu)成，其填方路基下的地基起伏基本為自然地貌，因而路堤(ld)

14、的高度沿縱向的變化基本也是隨機的。顯然，路基建成后的自然累積沉降量與路堤(ld)的高度成正比，而與填料的最小強度和壓實度關系并不大（當它們都滿足規(guī)范要求時，即可看成為常數(shù)）。 共四十八頁當填方路基的地基為穩(wěn)定斜坡且地面橫坡緩于1：5時，可直接填筑路堤(ld)，其縱剖面如下圖共四十八頁（1）地基(dj)縱坡較平緩時，路面施工后的變形共四十八頁（2）地基(dj)縱坡不平緩時，路面施工后的變形共四十八頁地基縱坡平緩與否對施工后路面變形(bin xng)撓度的影響當路基建成后，路堤的自然沉降(chnjing)尚未基本完成就鋪筑路面，在路面板自重和輪載的共同作用下，路面板將隨路堤頂面標高的改變而發(fā)生撓曲

15、變形。其縱剖面如右圖所示。當?shù)鼗v坡較陡，多波起伏時，其路面的變形撓度較大。共四十八頁 普通水泥混凝土材料是拉壓強度比很小的脆性材料。當撓度接近其變形極限時，將出現(xiàn)初始裂紋；超過(chogu)其變形極限時，將發(fā)生裂斷。 在一般建筑結(jié)構(gòu)中，彎拉構(gòu)件的承載力主要由鋼筋承擔，而完全不考慮混凝土材料本身的彎拉強度貢獻。由于混凝土材料的脆斷特性，梁式構(gòu)件的受荷彎曲撓度被明確限定在控制性指標以下（常為1/3001/350）。而且，所提的彎曲撓度控制性指標還是在允許裂縫寬度不大于某些控制值的條件下確定的。這意味著，當裂縫寬度小并為非貫穿性時，鋼筋混凝土構(gòu)件的使用是安全的；但對無配筋水泥混凝土路面板而言，出現(xiàn)

16、的裂縫不管縫寬大小都可能是致命的裂縫一旦出現(xiàn)即很快擴展，地表水侵入導致路基脫空更加速開裂。共四十八頁 因此，路用水泥混凝土材料的斷裂韌性是一個重要(zhngyo)問題，而且它通常隨彎拉強度的增加而降低。上述開裂典型實例就反映了彎拉強度越高而斷裂韌性越低（脆性大）的工程現(xiàn)象。 共四十八頁水泥砼路面(lmin)的耐久性設計思考共四十八頁水泥混凝土路面設計的目的是使所設計的結(jié)構(gòu)在預定的使用期限內(nèi)，能滿足設計所預期的各種功能要求。一般說來，工程結(jié)構(gòu)必須滿足安全性、適用性、耐久性3項功能的要求。所謂耐久性，是指結(jié)構(gòu)在化學的、生物的或其他不利因素的作用下，在預定時期內(nèi)其材料性能的惡化( hu)不致導致結(jié)構(gòu)

17、出現(xiàn)不可接受的失效概率。從工程概念上說，足夠的耐久性能就是指在正常維護條件下結(jié)構(gòu)能夠使用到預期的耐久年限。引言(ynyn)共四十八頁主要(zhyo)內(nèi)容水泥砼路面耐久性主要(zhyo)影響因素水泥砼路面耐久性設計共四十八頁水泥(shun)砼路面耐久性主要影響因素定義：水泥混凝土路面的耐久性是指路面結(jié)構(gòu)在設計使用年限內(nèi)，不需要(xyo)花費大量維修費用保持其行車安全、使用性能和外觀要求的能力。影響因素： 混凝土路面的材料組成：主要指路面混凝土的配合比及其強度；水泥品種，水泥標號與用量；外加劑品種與用量；抗?jié)B性；骨料的品種及級配 混凝土路面的凍融破壞：主要與混凝土毛細孔隙內(nèi)的飽水程度有關，凍融循環(huán)

18、使飽水程度不斷增加，到臨界飽和度后很快破壞 混凝土的堿集料反應 車輪的磨耗：在車輛荷載的重復作用下，混凝土路面機械磨損共四十八頁水泥砼路面(lmin)耐久性設計定義：耐久性設計基于(jy)耐久性方法論的基礎上使用荷載抗力系數(shù)法（Load Resistance Factor Design）進行設計，然后根據(jù)具體的量化模型以可靠度理論為基礎預測設計結(jié)構(gòu)的目標使用壽命耐久性設計基礎：（1）極限狀態(tài)和設計使用壽命（2）劣化模型（3）可靠度理論歐洲砼路面耐久性規(guī)范提出的幾種劣化模型，用定量描述的方法進行耐久性設計：（1）基于疲勞的耐久性設計（2）基于氯離子腐蝕的耐久性設計（3）基于炭化的耐久性設計（4）

19、基于開裂和剝落的耐久性設計共四十八頁耐久性設計(shj)方程 通過極限狀態(tài)方程來進行設計。 設計方程： 這里的 分別(fnbi)是荷載變量的設計值、抗力變量設計值、幾何量、模型不確定性的變量設計值及使用壽命。共四十八頁疲勞(plo)耐久性設計設計方程： 為容許的對應損傷； 式中： 在荷載幅度(fd)的荷載級位 以內(nèi)的導致失效的軸載數(shù)量； 在重復荷載 之后累積的相對應的損傷；共四十八頁氯離子腐蝕(fsh)耐久性設計設計方程式：式中： 氯離子濃度臨界值; 氯離子表面濃度； x 鋼筋(gngjn)保護層厚度； D 氯擴散系數(shù)； erf 估計函數(shù)；共四十八頁炭化(tnhu)的耐久性設計設計方程式：式中

20、： 鋼筋保護層厚度； 碳化穿透深度； 表面濃度； 壽命(shumng)； 碳化有效擴散系數(shù)共四十八頁開裂(ki li)和剝落的耐久性設計設計方程式: 為裂縫臨界值； 實際的裂縫寬度wd通過回歸分析估算( sun)出來： 最初可見裂縫寬度； 取決于鋼筋桿位置的一個常量參數(shù)； 在微觀上腐蝕的沖擊穿透力； 產(chǎn)生裂紋腐蝕的沖擊穿透力。 共四十八頁堿骨料( lio)反應耐久性設計堿硅集料反應是復雜的在混凝土當中發(fā)生的物理化學反應。水泥中的堿與混凝土骨料中的活性二氧化硅發(fā)生化學反應，生成堿性的硅酸鹽凝膠產(chǎn)生膨脹的一種破壞作用。凝膠吸水膨脹或凝膠誘發(fā)滲透壓力，使混凝土脹裂，堿硅集料反應在這種過程中循環(huán)反復，還經(jīng)常伴隨(bn su)其他劣化過程一起發(fā)生（如鋼筋銹蝕、凍融、剝蝕等） 。在此暫時沒給出具體的計算模型共四十八頁現(xiàn)行公路水泥混凝土路面設計規(guī)范的水泥混凝土路面設計只考慮荷載和疲勞效應，而歐洲在進行耐久性設計過程中考慮了疲勞、混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕，氯離子引起的混凝土腐蝕，腐蝕的影響引起混凝土的開裂、剝落的劣化過程，并以可靠度理論為基礎提供(tgng)了有效的量化預測計算模型。對于凍融作用和堿硅反應暫時沒有準確的結(jié)構(gòu)劣化預