混凝土路面低温破坏机理探讨

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摘要:文章首先总结了低温环境下水泥混凝土路面常见的破坏形式，并进一步对低温环境下水泥路面破坏的原因和机理进行了分析和研究。对水泥混凝土路面的抗渗性、抗冻性、抗变形能力及路基下水文地质条件和修建路面后对路基下温度场、变形场的影响等多种因素进行分析研究，提出了相应的措施，防止和减小水泥路面在冻土环境下的破坏，提高水泥混凝土路面的适应性。

关键词:水泥混凝土;抗冻性;破坏形式;温度场;变形

近年来我国水泥路面得到了较快的发展，在北方冬季低温环境下使用的混凝土除了要满足主要的技术性能外，还要求具有较高的抗裂、抗渗、抗冻等耐久性能，以延长其使用寿命，减少维修量。

1水泥混凝土路面低温环境下常见的破坏类型及成因

水泥混凝土路面尽管具有稳定性好、强度高等优点，但水泥混凝土却具有脆性大等缺点，这就使得水泥路面在低温环境下很容易由于变形能力差而发生破坏。通过对水泥路面试验段的实地考察，发现水泥混凝土路面常见病害主要有以下几种形式:路基的横向裂缝、纵向裂缝、网状裂缝、接缝碎裂、错台、断板、局部沉降等。路基病害原因主要与混凝土的抗冻性、抗变形能力和路基下的地温场、变形场、重车载循环作用等因素有关，但主要原因是混凝土的抗冻性和抗变形能力不足以及对路基下温度场保护不当而使路基变形加大。在冻土修建水泥路面后，路基下的地温逐年升高，地下冰融化，多年冻土上限逐年下降，致使路基路面产生不均匀沉降，再加上重车载循环作用和冻融循环作用，导致混凝土路面在这种情况下很容易遭受破坏。

2冻土环境下混凝土路面的破坏机理

2.1混凝土的抗渗性

抗渗性直接影响着混凝土的抗冻性和抗侵蚀性。混凝土的抗渗性差，易使水等液体由路面渗透到路基内部，从而加剧路基路面的破坏。其中水灰比对混凝土的抗渗性起决定性作用，水灰比越大，抗渗性越差;水灰比相同时，混凝土骨料的最大粒径越大，其抗渗性也就越差;水泥的品种、性质也影响着混凝土的抗渗性，水泥细度越大，水泥硬化体孔隙越小，强度越高，其抗渗性就越好［2］。

2.2混凝土的抗冻性

目前，混凝土冻融破坏机理还没完全弄清楚，公认程度较高的是T.C.Power等提出的混凝土内部孔隙中的水在负温下结冰造成体积膨胀的静水压力理论和因冰水蒸气压的差别推动未冻水向冻结区的迁移所造成的渗透压力理论。认为混凝土的冻融破坏主要是受膨胀压力和渗透压力，当这两种压力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会产生裂缝，多次冻融使裂缝不断扩展直至破坏。

2.3混凝土的变形

水泥混凝土的变形要包括几个部分:化学收缩、干湿变形、温度变形、荷载变形。现给出G214线K374+975水泥路面变形各监测点布置图(图1)及路面各监测点部分实测变形资料(图2)，由图2可以明显地看出同一监测面不同位置的变形随着时间的变化很不均匀，这也是导致冻土水泥路面破坏的一个主要原因。

2.4混凝土路面下路基地温场的变化

通过对多年冻土区(年平均气温为－3.5℃)水泥路面下地温场的数值计算模拟和实测资料的分析发现，水泥混凝土路面的修建，对多年冻土上限的影响是不可忽视的，由图1可以看出，路面下温度场的多年冻土上限变化随着路堤高度的增加而增加，并近似成线性关系。这说明水泥路面对路基下地温场有一定的影响。通过图1还可以看出，在修建路堤时不是路堤高度越高越好，只有在合适的路基高度(即临界高度)下，路面对多年冻土上限的影响才较小。由图2可以看出，路面下冻土上限变化率比天然地面下大。多年冻土上限的下降，冻土的融化势必引起路基路面的沉降，路面的不均匀沉降随着时间的增加越来越大，当沉降变形超过水泥混凝土的变形能力时，就会导致路面破坏，产生裂缝、断板等。

2.5混凝土路面下土体的不均匀变形

冻土路基随季节融化过程产生融化下沉变形，随季节回冻冻结产生冻胀变形，但冻胀和融沉都不是完全可逆的变形，经过若干次这样的变形后，路基永久变形将越来越大，当变形超过水泥路面的变形范围时，水泥路面就会产生裂缝，裂缝随着时间的变化逐渐扩展直至破坏。不均匀变形已成为水泥混凝土路面破坏的主要原因之一。一般路基的变形是以季节融化层、填土路堤压密变形为主，多年冻土参与变形。季节融化层变形除了与其本身岩性成分及物理性质有关外，工程热扰动作用对路基下地温场和变形场的影响也是非常巨大的。路面的修建产生的热扰动将使季节融化层逐年加深，加大了路面的变形。

3提高混凝土路面在冻土环境下适应性的措施

3.1提高水泥混凝土的抗冻性

3.1.1优化混凝土配合比设计

混凝土的配合比设计，就是确定水泥、水、砂与石子四项基本组成材料用量之间的单个比例关系，即水灰比、砂率、单位用水量［2］。水灰比、砂率、单位用水量是混凝土配合比的三个重要参数。它们与混凝土的各项性能指标有着密切的关系。因此，正确合理地确定这三个参数，有利于提高混凝土的抗冻耐久性。如采用适当的水灰比，可以提高混凝土的抗冻融耐久性(图3)。

3.1.2添加适量的外加剂掺加适量的引气剂

可以提高混凝土的抗冻耐久性(图3)。引气剂的掺入在混凝土中主要起气泡卸压这一物理作用，但除此之外，气泡本身的物理作用和引气剂表面的化学作用同样是提高混凝土抗冻性不可忽视的原因［3］。实践和实验表明:对有抗冻要求的混凝土最适宜的含气量为3%～6%［4］。减水剂能够在不改变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动性，减少混凝土的拌和用水量，降低水灰比，因而可减少由于水冻结而产生的结构缺陷的概率，并可强化混凝土的硬化过程。试验证明，掺入水泥量的0.5%～1.5%的高效减水剂，可以减少用水量的15%～25%，使混凝土强度提高20%～25%，抗冻性也相应得到提高［5］。纤维包括钢纤维和有机纤维等，纤维的掺加有效地克服了混凝土抗拉强度低、易开裂、抗疲劳性能差等固有缺陷，大量分散的纤维具有显著的阻裂效应，增加了混凝土冻融损伤过程中的能量损耗，从而可以有效地抑制混凝土的冻胀开裂［6］，增强了混凝土的抗变形能力，从而提高了混凝土的抗冻性。

3.2采取措施减小对路基下温度场的影响

减小对路基下温度场影响的措施目前有很多种，碎石护坡、硅藻土护坡、遮阳板、采取保温材料、使用通风路基等，这些措施改变了路基与外界能量交换的边界条件，减少了外界气候条件和太阳直射辐射通过坡面对路基下温度场的影响。

3.3采取措施减小路基的变形路基的变形

主要包括填土路堤、天然季节融化层和多年冻土融化层三个方面的变形，减小填土路基的变形主要采取提高施工质量的施工技术，采用压密变形小的路基填料，增加路基土体的压密程度等;减小季节融化层土体的变形和多年冻土融化变形的措施，主要就是保护路基下温度场，减少季节融化层受外界人为作用的干扰而加深。计算出路基的临界高度，采用略高于临界高度的值作为路基的设计高度。这些都有利于保护路基下季节融化层和多年冻土的稳定。

3.4减小混凝土路面自身的变形破坏

减小混凝土自身的变形破坏，首先尽量设法降低混凝土的发热量，减小混凝土内部的温度应力。如采用低热水泥，减少水泥用量，在混凝土中设置温度钢筋、采用人工降温等措施［4］。其次采取适当的措施或掺加某种外加剂等，增加水泥混凝土的抗变形能力。

3.5提高施工质量和加强对混凝土施工后的早期养护

严格控制混凝土的施工质量是控制水泥混凝土路面质量最重要的影响因素。混凝土的施工质量情况直接关系到它的抗冻性能。振捣时间、接缝以及浇筑缝的处理等都会影响混凝土抗冻性。良好的施工质量无疑是对混凝土质量的有效保证;但对混凝土施工后早期的养护工作也不无重要。混凝土的早期强度低，在混凝土强度早期快速增长期间更容易冻坏，所以应特别防止混凝土的早期受冻。因此加强混凝土强度快速增长期间的防冻养护也很重要。

4结语

在冻土环境下，水泥混凝土路面破坏的原因十分复杂，文章研究分析可以得出以下结论:(1)水泥混凝土路面在冻土环境下的破坏与混凝土的抗冻性有很大的关系。提高混凝土的抗冻性，对混凝土的冻融破坏机理进行进一步的研究，以便采取更好的措施(如采用适当的配合比、外加剂及掺合料等)来改善混凝土的抗冻性。(2)水泥混凝土路面在冻土环境下的破坏与路基下温度场有关。应采取必要措施减小外界条件对路基下温度场的影响，从而在一定程度上保护了路基温度场的稳定。(3)水泥混凝土路面在冻土环境下的破坏与混凝土自身的抗变形能力有关。提高混凝土的抗变形能力，将大大提高了水泥混凝土路面在冻土环境下的适应能力。(4)水泥混凝土路面在冻土环境下的破坏与路基的变形有关。在选择路基填料时应尽量选择压密变形小的填料;此外，施工技术和施工质量的提高对减小路基及路基下土体的变形也相当重要。随着公路建设向着高速、重载、大流量方向的发展，水泥路面的优越性会越来越明显，水泥混凝土路面的建造量也将会越来越大。随着混凝土科研水平的提高，水泥混凝土路面在冻土环境下的适应性问题也将会得到进一步的解决。届时水泥混凝土路面将会成为冻土环境下最常用的路面类型。

作者：王晓东 单位：山东省调水工程运行维护中心