水泥路面表面構(gòu)造破壞相關(guān)問題探析
摘要：本文在考慮路面混凝土表面構(gòu)造特性的基礎(chǔ)上，從磨損和凍融兩方面分析了其破壞機(jī)理。其中，混凝土路面的磨損主要有粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損。另外，混凝土路面在凍融和鹽凍作用下的破壞是影響其表面構(gòu)造乃至整體耐久性的重要原因之一，摻引氣劑和礦物摻合料可以提高混凝土抗氯鹽化學(xué)剝蝕能力。
關(guān)鍵詞：混凝土路面構(gòu)造，路面破壞機(jī)理，路面磨損，路面凍融
1引言
水泥混凝土路面長期暴露在空氣當(dāng)中，除了承受行車荷載的沖擊和碾壓作用外，還會受到外界環(huán)境(如冰雪、鹽溶液等)的侵蝕、凍融等各種作用，因此，混凝土路面表面構(gòu)造的破損形式較多[1]。分析破壞機(jī)理，研究改善措施，可為避免混凝土路面表面構(gòu)造過多破壞導(dǎo)致的抗滑性能嚴(yán)重下降，提供必要的技術(shù)支持。
2路面混凝土表面構(gòu)造特點
混凝土路面表面紋理構(gòu)造與表層混凝土的性能的耐久性息息相關(guān)。表面的混凝土和內(nèi)部核心混凝土相比，在孔結(jié)構(gòu)特征及物理力學(xué)性能上有較大差別�；炷帘砻鏄�(gòu)造的耐久性受到很多因素的影響，但大致可分為外界環(huán)境因素和混凝土自身因素。
(1)氣溫影響。水泥混凝土是體積敏感性材料�；炷谅访嬷苯邮艽髿鉁囟茸兓挠绊懚l(fā)生溫度的日變化和年變化，大氣變化的影響隨距離路表的深度而逐漸減弱。溫度狀況隨時間和深度的變化，在混凝土中產(chǎn)生溫度應(yīng)力梯度，使得面層混凝土表面構(gòu)造出現(xiàn)相對于較深處混凝土結(jié)構(gòu)的脹縮變形。這些表面構(gòu)造的相對變形受到下面混凝土板的整體約束作用，混凝土表面會產(chǎn)生膨脹壓應(yīng)力、收縮拉應(yīng)力和翹曲應(yīng)力。（2）自然環(huán)境影響，主要包括以下幾個方面：凍融循環(huán)，自然界中雨雪、冰凍融解循環(huán)作用在混凝土中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，促使裂縫產(chǎn)生、發(fā)展，結(jié)構(gòu)疏松直至產(chǎn)生麻面或整體凍酥脫落；環(huán)境水的作用：包括淡水的浸溶作用、含鹽水和酸性水的侵蝕作用等，其中含有硫酸鹽、氯鹽、鎂鹽和酸性溶液在一定條件下可對混凝土表面產(chǎn)生劇烈腐蝕作用，導(dǎo)致混凝土表面構(gòu)造的迅速破壞；風(fēng)化作用：包括外界于濕條件的循環(huán)作用。在這種變化幅度大、變化快的地區(qū)以及兼有其他破壞因素(例如鹽、堿、海水、凍融等)作用時時，常能加速混凝土的風(fēng)化破壞過程，導(dǎo)致表面構(gòu)造損失殆盡；碳化作用：空氣中的某些酸性氣體，如C12、H2S和CO2在適當(dāng)溫、濕度條件下使混凝土中液相的堿度降低，引起某些組分的分解，并使體積發(fā)生變化。(3)行車作用影響。行車對表面構(gòu)造的破壞作用包括荷載和輪胎兩方面的影響。行車荷載是直接作用在路面結(jié)構(gòu)上的主要外界因素，也是促使路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損壞的主要肇因。荷載經(jīng)由輪胎傳給路面，輪胎與路面的接觸壓應(yīng)力以及輪胎的變形情況對路面表面紋理構(gòu)造的受力及變形有直接影響。（4）表面工藝影響。為保證混凝土路面滿足抗滑性能的要求，表面一般都做抗滑構(gòu)造，如拉毛、刻槽、拉槽、露石等形式，不同的表面紋理構(gòu)造在輪胎荷載下有不同的受力形式，耐久性程度也不同。施工成型工藝(如真空脫水、靜壓抹面)關(guān)系到表層混凝土的水灰比，從而影響其強(qiáng)度。（5）養(yǎng)護(hù)影響。養(yǎng)護(hù)工藝對表面構(gòu)造的影響主要在于養(yǎng)護(hù)期間保證強(qiáng)度增長，覆蓋灑水養(yǎng)生保證混凝土早期強(qiáng)度形成，以使得混凝土路面在通車后能夠有足夠的強(qiáng)度承受荷載和抵抗磨耗。
3混凝土路面磨損機(jī)理
水泥混凝土的磨損是個復(fù)雜的物理力學(xué)過程，除了本身材料性能的影響外，它還與磨損方式及條件關(guān)系密切。工程中常見的磨損有黏附磨損、磨粒磨損、侵蝕磨損、氣蝕磨損、腐蝕磨損及疲勞磨損等，而路面混凝土往往受到多種磨損方式的綜合作用，按不同的機(jī)理和條件，路面混凝土磨損可分為粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損[2]。
3.1粘著磨損
由于路面表面是粗糙構(gòu)造，在輪胎與路面相互接觸時，并非完全接觸而是在一些凸出點上首先接觸，在法向載荷作用下，接觸點的壓力很大，接觸點的變形將導(dǎo)致凸出的部分被破壞，于是輪胎與路面直接接觸，在接觸點上的顆粒被粘附到輪胎上�；瑒訒r，粘著點發(fā)生剪切和材料的轉(zhuǎn)移，同時，在臨近區(qū)域新的粘著點又可能形成。所以，粘著磨損的過程可描述為：混凝土路面表面產(chǎn)生相對滑動時發(fā)生粘著，粘著點被剪切和轉(zhuǎn)移，然后再粘著、再剪切、轉(zhuǎn)移，最后使得摩擦表面破壞并形成磨屑。因此，粘著磨損的大小與粘著點的剪切位置有關(guān)。由此可見，粘著磨損的產(chǎn)生和發(fā)展主要取決于接觸點的塑性變形、兩摩擦表面材料的相互作用性質(zhì)以及粘結(jié)處的變形強(qiáng)化。沒有接觸點的塑性變形，表面構(gòu)造不會破壞，就不會發(fā)生材料的直接粘著。
3.2磨粒磨損
磨粒磨損是路面最常見的磨損形式，由路面堅硬顆粒楔入相對較軟的混凝土表面引起。有些磨粒本身是磨損物的一方，如輪胎在混凝土表面上帶著堅硬顆粒相對運動，這些堅硬顆粒被壓入混凝土表面產(chǎn)生剪切和犁削作用；而有些磨粒則夾在輪胎與路面之間滾動。前者屬二相磨損，后者為三相磨損。一般而言，磨粒磨損程度由接觸材料(輪胎)的相對硬度、磨粒(橡膠顆粒、砂漿等)幾何形態(tài)、路面荷載及磨損距離等決定。
3.3疲勞磨損
混凝土承受的最大法向正應(yīng)力雖然就在表面上，但最大剪應(yīng)力卻發(fā)生在表面以下的次表面層，在受力點前后分別形成壓力區(qū)和拉力區(qū)。由于接觸應(yīng)力的移動和反復(fù)作用，混凝土表面不斷承受著壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的交替循環(huán)，形成周期性擾動。同時混凝土在硬化過程中，由于干燥收縮、溫度應(yīng)力及界面不均勻等原因，將產(chǎn)生許多微裂紋等原生缺陷，而這些原生缺陷成為磨損時循環(huán)擾動力的疲勞裂縫引發(fā)源，可導(dǎo)致表面裂縫的擴(kuò)展，最終引起路面表層的局部斷裂。當(dāng)疲勞裂縫擴(kuò)展后，粗骨料因嵌埋較深不易脫落而砂漿極易脫落。這就是疲勞磨損在混凝土路面中的具體過程。從路面結(jié)構(gòu)和外界條件分析，可分兩方面：內(nèi)因方面，混凝土表面層內(nèi)存在著原生缺陷；外因在于荷載的反復(fù)作用下，在有缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋就在這些地方產(chǎn)生。
3.4腐蝕磨損
在公路上高速行駛的汽車如遇到路面凹凸不平時會產(chǎn)生負(fù)壓，在反復(fù)負(fù)壓作用下，混凝土路面會出現(xiàn)類似水工混凝土結(jié)構(gòu)物遭遇含砂水流那樣的空蝕效果，形成空洞。
事實上，水泥混凝土路面的磨損是以疲勞磨蝕和磨粒磨蝕為主以及幾種磨損形式綜合作用的結(jié)果。如疲勞磨蝕在路面形成許多自表面脫落的粉末和顆粒，進(jìn)一步導(dǎo)致產(chǎn)生磨粒磨蝕。磨粒磨蝕是路面上移動的車輪帶著堅硬的顆粒相對運動且壓入混凝土表面，產(chǎn)生剪切、犁削作用或磨粒在車輪與混凝土表面之間滾動，使路表面應(yīng)力不斷變化，反復(fù)變形，這又加劇了疲勞磨蝕。
4混凝土路面凍融破壞機(jī)理
寒冷地區(qū)的混凝土路面經(jīng)常受到凍融循環(huán)的侵襲，表面構(gòu)造首先遭到破壞；另外，由于冬季積雪在路面覆蓋，影響道路交通正常運行，交通管理部門通常撒布除冰鹽降低冰點，從而達(dá)到融冰雪效果。由于除冰鹽最常用的組分為NaCl和CaCl2，這些化學(xué)成分除冰鹽會對路面混凝土產(chǎn)生嚴(yán)重的侵蝕破壞。
4.1凍融破壞
在寒冷地區(qū)，尤其是晝夜溫差較大的地區(qū)，混凝土在正溫負(fù)溫的交替循環(huán)作用下容易發(fā)生表層剝落、開裂、強(qiáng)度降低、結(jié)構(gòu)疏松乃至破壞的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象為混凝土的凍融破壞。，混凝土材料遭受凍融時，其內(nèi)部的機(jī)理非常復(fù)雜，各國學(xué)者提出了眾多學(xué)說，例如美國T．C．Powers提出的靜水壓理論，PowerS和Helmuth提出的滲透壓理論，F(xiàn)ageriund提出的臨界飽水程度理論，等。其中較為普遍的是靜水壓理論和滲透壓理論。
4.2鹽凍破壞
除冰鹽對混凝土的破壞主要是由于物理作用和化學(xué)作用。物理破壞的主要表現(xiàn)是剝蝕。當(dāng)混凝土中的水結(jié)冰之后，孑L溶液鹽濃度增大，與環(huán)境形成鹽濃度差而產(chǎn)生一個滲透壓。水由環(huán)境向混凝土的滲透使混凝土內(nèi)產(chǎn)生的滲透壓增大，飽水度提高，結(jié)冰壓力增加，加劇了混凝土的受凍破壞，這是鹽凍物理破壞的主要機(jī)理。同時，因鹽的作用而產(chǎn)生的過冷水最終在毛細(xì)孔中結(jié)冰而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，以及混凝土表面和內(nèi)部之間的鹽濃度梯度使混凝土受凍時因分層結(jié)冰而產(chǎn)生應(yīng)力差等，都使破壞力增加，導(dǎo)致混凝土的層層剝落。
根據(jù)對混凝土凍融破壞機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，混凝土只有在飽水時才會受凍破壞，因此，從路面結(jié)構(gòu)設(shè)計上，合理安排排水設(shè)施是延長混凝土路面壽命的有效途徑；摻引氣劑和降低水灰比可提高混凝土抗鹽凍性能，摻加礦物摻合料可以提高混凝土抗氯鹽化學(xué)剝蝕能力腳l；此外，科學(xué)選擇除冰鹽也可減輕混凝土路面的鹽凍剝蝕破壞程度�！ �
參考文獻(xiàn)：
[1]劉猛,胡燦,王齊榮,等.淺談瀝青混凝土路面的早期破壞與預(yù)防措施[J].四川建材,2009,05.
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