水泥路面表面构造破坏相关问题探析

　　摘要：本文在考虑路面混凝土表面构造特性的基础上，从磨损和冻融两方面分析了其破坏机理。其中，混凝土路面的磨损主要有粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损。另外，混凝土路面在冻融和盐冻作用下的破坏是影响其表面构造乃至整体耐久性的重要原因之一，掺引气剂和矿物掺合料可以提高混凝土抗氯盐化学剥蚀能力。
　　关键词：混凝土路面构造，路面破坏机理，路面磨损，路面冻融
　　1引言
　　水泥混凝土路面长期暴露在空气当中，除了承受行车荷载的冲击和碾压作用外，还会受到外界环境(如冰雪、盐溶液等)的侵蚀、冻融等各种作用，因此，混凝土路面表面构造的破损形式较多[1]。分析破坏机理，研究改善措施，可为避免混凝土路面表面构造过多破坏导致的抗滑性能严重下降，提供必要的技术支持。
　　2路面混凝土表面构造特点
　　混凝土路面表面纹理构造与表层混凝土的性能的耐久性息息相关。表面的混凝土和内部核心混凝土相比，在孔结构特征及物理力学性能上有较大差别。混凝土表面构造的耐久性受到很多因素的影响，但大致可分为外界环境因素和混凝土自身因素。
　　(1)气温影响。水泥混凝土是体积敏感性材料。混凝土路面直接受大气温度变化的影响而发生温度的日变化和年变化，大气变化的影响随距离路表的深度而逐渐减弱。温度状况随时间和深度的变化，在混凝土中产生温度应力梯度，使得面层混凝土表面构造出现相对于较深处混凝土结构的胀缩变形。这些表面构造的相对变形受到下面混凝土板的整体约束作用，混凝土表面会产生膨胀压应力、收缩拉应力和翘曲应力。（2）自然环境影响，主要包括以下几个方面：冻融循环，自然界中雨雪、冰冻融解循环作用在混凝土中产生内应力，促使裂缝产生、发展，结构疏松直至产生麻面或整体冻酥脱落；环境水的作用：包括淡水的浸溶作用、含盐水和酸性水的侵蚀作用等，其中含有硫酸盐、氯盐、镁盐和酸性溶液在一定条件下可对混凝土表面产生剧烈腐蚀作用，导致混凝土表面构造的迅速破坏；风化作用：包括外界于湿条件的循环作用。在这种变化幅度大、变化快的地区以及兼有其他破坏因素(例如盐、碱、海水、冻融等)作用时时，常能加速混凝土的风化破坏过程，导致表面构造损失殆尽；碳化作用：空气中的某些酸性气体，如C12、H2S和CO2在适当温、湿度条件下使混凝土中液相的碱度降低，引起某些组分的分解，并使体积发生变化。(3)行车作用影响。行车对表面构造的破坏作用包括荷载和轮胎两方面的影响。行车荷载是直接作用在路面结构上的主要外界因素，也是促使路面结构产生损坏的主要肇因。荷载经由轮胎传给路面，轮胎与路面的接触压应力以及轮胎的变形情况对路面表面纹理构造的受力及变形有直接影响。（4）表面工艺影响。为保证混凝土路面满足抗滑性能的要求，表面一般都做抗滑构造，如拉毛、刻槽、拉槽、露石等形式，不同的表面纹理构造在轮胎荷载下有不同的受力形式，耐久性程度也不同。施工成型工艺(如真空脱水、静压抹面)关系到表层混凝土的水灰比，从而影响其强度。（5）养护影响。养护工艺对表面构造的影响主要在于养护期间保证强度增长，覆盖洒水养生保证混凝土早期强度形成，以使得混凝土路面在通车后能够有足够的强度承受荷载和抵抗磨耗。
　　3混凝土路面磨损机理
　　水泥混凝土的磨损是个复杂的物理力学过程，除了本身材料性能的影响外，它还与磨损方式及条件关系密切。工程中常见的磨损有黏附磨损、磨粒磨损、侵蚀磨损、气蚀磨损、腐蚀磨损及疲劳磨损等，而路面混凝土往往受到多种磨损方式的综合作用，按不同的机理和条件，路面混凝土磨损可分为粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损[2]。
　　3.1粘着磨损
　　由于路面表面是粗糙构造，在轮胎与路面相互接触时，并非完全接触而是在一些凸出点上首先接触，在法向载荷作用下，接触点的压力很大，接触点的变形将导致凸出的部分被破坏，于是轮胎与路面直接接触，在接触点上的颗粒被粘附到轮胎上。滑动时，粘着点发生剪切和材料的转移，同时，在临近区域新的粘着点又可能形成。所以，粘着磨损的过程可描述为：混凝土路面表面产生相对滑动时发生粘着，粘着点被剪切和转移，然后再粘着、再剪切、转移，最后使得摩擦表面破坏并形成磨屑。因此，粘着磨损的大小与粘着点的剪切位置有关。由此可见，粘着磨损的产生和发展主要取决于接触点的塑性变形、两摩擦表面材料的相互作用性质以及粘结处的变形强化。没有接触点的塑性变形，表面构造不会破坏，就不会发生材料的直接粘着。
　　3.2磨粒磨损
　　磨粒磨损是路面最常见的磨损形式，由路面坚硬颗粒楔入相对较软的混凝土表面引起。有些磨粒本身是磨损物的一方，如轮胎在混凝土表面上带着坚硬颗粒相对运动，这些坚硬颗粒被压入混凝土表面产生剪切和犁削作用；而有些磨粒则夹在轮胎与路面之间滚动。前者属二相磨损，后者为三相磨损。一般而言，磨粒磨损程度由接触材料(轮胎)的相对硬度、磨粒(橡胶颗粒、砂浆等)几何形态、路面荷载及磨损距离等决定。
　　3.3疲劳磨损
　　混凝土承受的最大法向正应力虽然就在表面上，但最大剪应力却发生在表面以下的次表面层，在受力点前后分别形成压力区和拉力区。由于接触应力的移动和反复作用，混凝土表面不断承受着压应力和拉应力的交替循环，形成周期性扰动。同时混凝土在硬化过程中，由于干燥收缩、温度应力及界面不均匀等原因，将产生许多微裂纹等原生缺陷，而这些原生缺陷成为磨损时循环扰动力的疲劳裂缝引发源，可导致表面裂缝的扩展，最终引起路面表层的局部断裂。当疲劳裂缝扩展后，粗骨料因嵌埋较深不易脱落而砂浆极易脱落。这就是疲劳磨损在混凝土路面中的具体过程。从路面结构和外界条件分析，可分两方面：内因方面，混凝土表面层内存在着原生缺陷；外因在于荷载的反复作用下，在有缺陷处产生应力集中，裂纹就在这些地方产生。
　　3.4腐蚀磨损
　　在公路上高速行驶的汽车如遇到路面凹凸不平时会产生负压，在反复负压作用下，混凝土路面会出现类似水工混凝土结构物遭遇含砂水流那样的空蚀效果，形成空洞。
　　事实上，水泥混凝土路面的磨损是以疲劳磨蚀和磨粒磨蚀为主以及几种磨损形式综合作用的结果。如疲劳磨蚀在路面形成许多自表面脱落的粉末和颗粒，进一步导致产生磨粒磨蚀。磨粒磨蚀是路面上移动的车轮带着坚硬的颗粒相对运动且压入混凝土表面，产生剪切、犁削作用或磨粒在车轮与混凝土表面之间滚动，使路表面应力不断变化，反复变形，这又加剧了疲劳磨蚀。
　　4混凝土路面冻融破坏机理
　　寒冷地区的混凝土路面经常受到冻融循环的侵袭，表面构造首先遭到破坏；另外，由于冬季积雪在路面覆盖，影响道路交通正常运行，交通管理部门通常撒布除冰盐降低冰点，从而达到融冰雪效果。由于除冰盐最常用的组分为NaCl和CaCl2，这些化学成分除冰盐会对路面混凝土产生严重的侵蚀破坏。
　　4.1冻融破坏
　　在寒冷地区，尤其是昼夜温差较大的地区，混凝土在正温负温的交替循环作用下容易发生表层剥落、开裂、强度降低、结构疏松乃至破坏的现象，这些现象为混凝土的冻融破坏。，混凝土材料遭受冻融时，其内部的机理非常复杂，各国学者提出了众多学说，例如美国T．C．Powers提出的静水压理论，PowerS和Helmuth提出的渗透压理论，Fageriund提出的临界饱水程度理论，等。其中较为普遍的是静水压理论和渗透压理论。
　　4.2盐冻破坏
　　除冰盐对混凝土的破坏主要是由于物理作用和化学作用。物理破坏的主要表现是剥蚀。当混凝土中的水结冰之后，孑L溶液盐浓度增大，与环境形成盐浓度差而产生一个渗透压。水由环境向混凝土的渗透使混凝土内产生的渗透压增大，饱水度提高，结冰压力增加，加剧了混凝土的受冻破坏，这是盐冻物理破坏的主要机理。同时，因盐的作用而产生的过冷水最终在毛细孔中结冰而产生的内应力，以及混凝土表面和内部之间的盐浓度梯度使混凝土受冻时因分层结冰而产生应力差等，都使破坏力增加，导致混凝土的层层剥落。
　　根据对混凝土冻融破坏机理的研究发现，混凝土只有在饱水时才会受冻破坏，因此，从路面结构设计上，合理安排排水设施是延长混凝土路面寿命的有效途径；掺引气剂和降低水灰比可提高混凝土抗盐冻性能，掺加矿物掺合料可以提高混凝土抗氯盐化学剥蚀能力脚l；此外，科学选择除冰盐也可减轻混凝土路面的盐冻剥蚀破坏程度。
　　
　　参考文献：
　　[1]刘猛,胡灿,王齐荣,等.浅谈沥青混凝土路面的早期破坏与预防措施[J].四川建材,2009,05.
　　[2]操川.水泥混凝土路面板破坏的原因及其防治[J].城市道桥与防洪,2009,08.