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1、水泥混凝土路面耐久性思考,问题的提出,水泥砼的变形特性,路基沉降与砼路面材料特性,水泥砼路面的耐久性设计思考,水泥混凝土路面耐久性思考,问题的提出,主要包括：,结构耐久性问题（如抗磨性、抗冲击韧性、抗冻性、抗渗水性、耐钢筋锈蚀性、耐腐蚀性、耐碱集料反应等耐久性问题） 水泥砼路面问题,结构耐久性问题,（1）在世界范围内，不少砼工程仅在服役了约三、四十年左右便进入老化期，为此而进行的大修或更换不但造成巨大经济损失而且引发了严重社会问题。 （2）许多发达国家每年花在建筑维修的费用早就超过了新建费用，如英国1978年的砼建筑维修费上升到1965年的3.76倍，1980年的维修费占总费用的2/3。美国联
2、邦公路署1989年提交给美国国会的一份报告国家公路和桥梁现状指出，积压着有待维修的桥梁需花费1550亿美元。美国每年用于砼工程的维修费则高达300亿美元，由除冰盐引起钢筋锈蚀而限载通车的公路桥梁已占全部桥梁的1/4。,（3）我国进行大规模土建工程建设的时期还非常短，但工程耐久性问题已暴露得非常突出。如我国第一座城市立交桥北京西直门立交桥只使用了19年就到了非拆不可的地步，天津中环路上的桥梁仅仅使用了约1516年后，已有一些需要大修或更换的。山东潍坊辛沙公路上的白浪河大桥地处盐碱地区，建成使用不到十年，现已发生主筋保护层大片剥落、主筋截面锈蚀缺损，必须报废重建。虎门大桥的部分引桥桥墩，由于施工质
3、量问题，钢筋笼偏置，造成一侧的砼保护层不足，建成仅5年就因钢筋锈蚀引起表层砼胀裂。80年代建造的贵州遵义红军纪念塔大型砼雕塑群，在酸雨作用下，已出现砼表面坑蚀、骨料外露和砼沿钢筋纵向开裂、保护层剥落等现象。即使像北京人民大会堂或北京展览馆这样显赫的建筑物，也不能逃脱钢筋严重锈蚀后翻修加固的厄运。,水泥混凝土路面在我国应用已有多年历史。它的较大规模应用可追朔到58年我国大跃进年代，但水泥混凝土路面的现代化建设则是近十几年开展起来的。 水泥混凝土路面作为一种主要路面结构形式，以其使用年限长，不易损坏，养护简便等优点，自90年代以来，在我国取得了飞速发展，水泥混凝土路面修建技术不断提高。但是，水泥混
4、凝土路面产生的开裂、断板、错台、沉陷等病害，使混凝土路面的使用寿命大大下降，路面完好率受到严重影响，如京沪高速公路济泰段，由于病害影响，现已全面白改黑。,水泥砼路面问题,水泥混凝土路面的破坏并不是都因强度不足引起的，路面板损坏90以上是从边角开始，其主要是因为水分从接缝处下渗，把面板下各结构层泡软、冲散，使面板处于不连续支持状态；或石子从接缝处进去，形成支点，把面板顶翘坏；或者由于面板日夜上下反复翘曲变形等原因。这些问题并不是仅通过提高砼强度能得到解决的，而是必须通过加强抗磨性、抗冲击韧性、抗冻性、抗渗水性、耐钢筋锈蚀性、耐腐蚀性、耐碱集料反应等耐久性设计来改善 在此，主要结合水泥砼材料特性对
5、水泥砼路面早期开裂病害进行原因分析并针对影响水泥砼路面耐久性的因素对耐久性设计问题进行讨论,水泥砼路面问题,水泥砼路面早期破坏问题,经铺筑装备和技术的大规模引进、消化和吸收，我国水泥混凝土路面的施工质量与技术已日趋接近国外先进水平。然而，我国建成的水泥混凝土路面早期断板开裂的现象仍然严重。在建成后的一年质保期内就发生严重开裂的现象，在全国各地并不少见。我国水泥混凝土路面病害的主要特征为先开裂后断板。 以下是京珠高速公路某施工标段路面早期开裂典型实例。该路段的路面施工完成后约半年，沿纵向接缝的两旁发生大量纵向连续裂缝，局部有横向裂缝。经现场观察，裂缝累积长度约占施工标段总长的70%。在浇灌环氧胶
6、进行修补后一个月，裂缝宽度仍在继续扩展。现场情况详见照片,京珠高 速某施 工标段,水泥砼路面早期开裂,水泥砼路面早期开裂,水泥砼路面早期开裂,水泥砼路面早期开裂,施工方技术负责人介绍，本单位为创优质工程的业绩，在该路段的路面施工中采用了高于施工标书要求的质量控制目标，内定的混凝土弯拉强度目标为6MPa以上，实际都在6. 5MPa左右。没有想到，唯独在他们的施工标段内发生了这样大面积的开裂质量事故，令他们无论如何想不通！,从当时过往的车流量看，车辆往来稀疏（京珠高速尚未全线贯通）；相邻施工标段也未见类似现象。在现行水泥混凝土路面设计规范中，弯拉强度是水泥混凝土质量的控制性指标。混凝土弯拉强度标准
7、值随交通等级提高而增加，特重交通等级要求为5. 0MPa。在该思想指导下，似乎混凝土的弯拉强度应该越高越好！ 而裂断病害的频发现象已给出提示，弯拉强度作为水泥混凝土的设计控制性指标并不完善，仅有填料的最小强度及压实度作为路基施工的控制性指标存有重大缺陷。,水泥砼的变形特性,主要包括：,普通水泥混凝土典型受拉变形曲线水泥混凝土的受力变形规律水泥混凝土硬化早期的变形规律,普通水泥混凝土典型受拉变形曲线,图中：曲线中的C点为强度极，曲线中的E点为初始裂缝出现位置,水泥混凝土的受力变形规律,（1）强度标号的影响混凝土的强度标号越高，其初裂点E对应的应变越大；但强度标号超过C50/C55后，初裂点对应的
8、应变反而逐渐变小。即强度标号的影响存在一拐点：过高的强度标号，反而会使混凝土的初裂应变减小；用弯拉应力描述，就是混凝土发生初始裂缝前的可弯曲挠度较小（脆性较高） （2）集料粒度的影响粗集料的平均粒径减小，其初裂点E对应的应变越大。即减小集料的粒径，混凝土发生初始裂缝前的可弯曲挠度较大（脆性较低）,水泥混凝土的受力变形规律,（3）聚合物外加剂的影响：在水泥混凝土中掺入5%以上的聚合物，其初裂点E对应的应变明显增大。即混凝土发生初始裂缝前的可弯曲挠度增大（脆性较低） （4）矿物掺和料的影响：相同标号的混凝土，矿物掺和料较大时，其初裂点E对应的应变较大，即混凝土发生初始裂缝前的可弯曲挠度较大（脆性较
9、低）总之， 采用粒径较小的的集料、掺入适当聚合物或较多矿物掺和料，配制强度不过高的水泥混凝土，其发生初始裂缝前的可弯曲挠度较大（脆性较低）,水泥混凝土的受力变形规律,（3）聚合物外加剂的影响在水泥混凝土中掺入5%以上的聚合物，其初裂点E对应的应变明显增大。即混凝土发生初始裂缝前的可弯曲挠度增大（脆性较低） （4）矿物掺和料的影响相同标号的混凝土，矿物掺和料较大时，其初裂点E对应的应变较大，即混凝土发生初始裂缝前的可弯曲挠度较大（脆性较低）总之， 采用粒径较小的的集料、掺入适当聚合物或较多矿物掺和料，配制强度不过高的水泥混凝土，其发生初始裂缝前的可弯曲挠度较大（脆性较低）,水泥混凝土硬化早期的变
10、形规律,（1）化学收缩（水泥水化反应，引起混凝土体积收缩 ）：化学收缩在混凝土硬化龄期40多天时达峰值速率，2年左右完成约80%。水泥的掺量越大、早期强度越高时，混凝土的化学收缩速率越快、收缩终值越大 （2）干燥收缩 （混凝土内多余水分的迁移蒸发，引起其体积收缩） ：长龄期混凝土的干缩湿胀主要为可逆变形，也会留下少量不可逆收缩。 （3）温度收缩 ：水泥水化热通常在混凝土4天龄期左右达峰值，并留下一定净收缩值。对于厚度不大的路面结构，其影响较小。环境温度变化引起的混凝土热胀冷缩，虽是可逆的；但其值不小，对混凝土路面的影响不可小视。,在水泥混凝土的硬化早期，其总的变形为不可逆的净收缩。既有设计规范
11、规定，混凝土路面所设的横向缩缝为假缝：即在路面板上表面切有几厘米深的缝隙，其下部为连续浇筑的整体。现有的大型摊铺机常可单幅连续浇筑78公里，中间没有设置完全断开的伸缩缝。当混凝土硬化收缩时，并不一定沿横向缩缝整齐断开，而更可能在假缝附近产生不规则的裂纹。,路基沉降与砼路面材料特性,既有路基设计与施工均以填料最小强度及分层铺筑压实后的压实度作为控制性指标。在路基建成后交付路面施工前，对路基建成后自然沉降并无定量控制性指标（除软土地基外），仅对高路堤的路堤顶沉降量提出观测的一般性要求（无控制性指标）。 在路面设计中，对路基建成后的自然沉降也无定量要求。因此，路基沉降的影响就成为两个施工阶段的盲区，
12、具有相当的随意性：路基建成后的自然沉降量应控制多大才可以进行路面施工？路面建成后，路基的自然沉降量应控制多大才不致影响路面？这些都交给了施工现场人员依靠经验判断作出决定。同时由于上述原因，水泥砼板在运营过程中经常出现脱空状态，这对水泥砼板是特别不利的，也是产生断板的一个重要原因,路堤顶面的实际形状是在不断变化中，道路工程的路基由挖、填方路基构成，其填方路基下的地基起伏基本为自然地貌，因而路堤的高度沿纵向的变化基本也是随机的。显然，路基建成后的自然累积沉降量与路堤的高度成正比，而与填料的最小强度和压实度关系并不大（当它们都满足规范要求时，即可看成为常数）。,当填方路基的地基为稳定斜坡且地面横坡缓
13、于1：5时，可直接填筑路堤，其纵剖面如下图,（1）地基纵坡较平缓时，路面施工后的变形,（2）地基纵坡不平缓时，路面施工后的变形,地基纵坡平缓与否 对施工后路面变形挠度的影响,当路基建成后，路堤的自然沉降尚未基本完成就铺筑路面，在路面板自重和轮载的共同作用下，路面板将随路堤顶面标高的改变而发生挠曲变形。其纵剖面如右图所示。当地基纵坡较陡，多波起伏时，其路面的变形挠度较大。,普通水泥混凝土材料是拉压强度比很小的脆性材料。当挠度接近其变形极限时，将出现初始裂纹；超过其变形极限时，将发生裂断。在一般建筑结构中，弯拉构件的承载力主要由钢筋承担，而完全不考虑混凝土材料本身的弯拉强度贡献。由于混凝土材料的脆
14、断特性，梁式构件的受荷弯曲挠度被明确限定在控制性指标以下（常为1/3001/350）。而且，所提的弯曲挠度控制性指标还是在允许裂缝宽度不大于某些控制值的条件下确定的。这意味着，当裂缝宽度小并为非贯穿性时，钢筋混凝土构件的使用是安全的；但对无配筋水泥混凝土路面板而言，出现的裂缝不管缝宽大小都可能是致命的裂缝一旦出现即很快扩展，地表水侵入导致路基脱空更加速开裂。,因此，路用水泥混凝土材料的断裂韧性是一个重要问题，而且它通常随弯拉强度的增加而降低。上述开裂典型实例就反映了弯拉强度越高而断裂韧性越低（脆性大）的工程现象。,水泥砼路面的耐久性设计思考,水泥混凝土路面设计的目的是使所设计的结构在预定的使用
15、期限内，能满足设计所预期的各种功能要求。一般说来，工程结构必须满足安全性、适用性、耐久性3项功能的要求。 所谓耐久性，是指结构在化学的、生物的或其他不利因素的作用下，在预定时期内其材料性能的恶化不致导致结构出现不可接受的失效概率。从工程概念上说，足够的耐久性能就是指在正常维护条件下结构能够使用到预期的耐久年限。,引言,主要内容,水泥砼路面耐久性主要影响因素水泥砼路面耐久性设计,水泥砼路面耐久性主要影响因素,定义：水泥混凝土路面的耐久性是指路面结构在设计使用年限内，不需要花费大量维修费用保持其行车安全、使用性能和外观要求的能力。 影响因素：混凝土路面的材料组成：主要指路面混凝土的配合比及其强度；
16、水泥品种，水泥标号与用量；外加剂品种与用量；抗渗性；骨料的品种及级配混凝土路面的冻融破坏：主要与混凝土毛细孔隙内的饱水程度有关，冻融循环使饱水程度不断增加，到临界饱和度后很快破坏 混凝土的碱集料反应车轮的磨耗：在车辆荷载的重复作用下，混凝土路面机械磨损,水泥砼路面耐久性设计,定义：耐久性设计基于耐久性方法论的基础上使用荷载抗力系数法（Load Resistance Factor Design）进行设计，然后根据具体的量化模型以可靠度理论为基础预测设计结构的目标使用寿命 耐久性设计基础：（1）极限状态和设计使用寿命（2）劣化模型（3）可靠度理论 欧洲砼路面耐久性规范提出的几种劣化模型，用定量描述的方法进行耐久性设计：（1）基于疲劳的耐久性设计（2）基于氯离子腐蚀的耐久性设计（3）基于炭化的耐久性设计（4）基于开裂和剥落的耐久性设计,耐久性设计方程,通过极限状态方程来进行设计。设计方程：这里的 分别是荷载变量的设计值、抗力变量设计值、几何量、模型不确定性的变量设计值及使用寿命。,疲劳耐久性设计,设计方程： 为容许的对应损伤；式中： 在荷载幅度的荷载级位 以内的导致失效的轴载数量；在重复荷载 之后累积的相对应的损伤；,
