冻融对水泥混凝土路面开裂影响预估分析.doc
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冻融循环对水泥混凝土路面开裂影响预估分析
李靖苏加强
（云南省公路科学技术研究院，云南昆明650051）
摘要：
冻融破坏应作为寒区水泥混凝土路面设计的重要考虑因素。
本文结合室内外环境下水泥混凝土冻融试验进行路面开裂分析。
试验发现，弯拉强度随冻融循环次数的增加变化敏感，不同冻融环境下水泥混凝土200次冻融循环后弯拉强度损失均高于20%。
不同冻结温度试验结果显示，较低冻融次数下混凝土的弯拉强度已损失较大。
通车路面开裂分析表明，冻融循环对水泥混凝土路面使用寿命影响较大，该路面6到9年便出现破坏现象。
关键词：
道路工程；弯拉强度损失率；冻融破坏；开裂；水泥混凝土路面
中图分类号：
U414.18
Estimatinganalysisoncementconcretepavementcrackingunderfreeze-thawcycleenvironment
LiJingSuJiaQiang
（Yunnanscience&technologyresearchinstituteofhighway,YunnanKunming650051）
Abstract:
Freeze-thawcycledamageshouldbeconsideredwellinconcretepavementdesignofroadincoldarea.Pavementcrackingofthehighwayisanalyzedbasedoncementconcretefreeze-thawtestsareconductedunderindoorandoutdoorenvironment.Resultsofthetestshowthatthetestresultsshowthatflexural-tensilestrengthissensitivetotheincreaseoffreeze-thawcycle.Theflexural-tensilestrengthlossesarehigherthan20%after200timesfreeze-thawcycleunderdifferentfreeze-thawconditions.Anddifferentfreezingtemperaturetestresultsshowedthattheflexural-tensilestrengthlossesarelargeeventhoughwithlowfreeze-thawcycle.Accordingtotheanalysisofthehighwaypavementcracking,itisshownthatfreeze-thawcyclehasimportantimpactonpavementservicelife,andthepavementdamagewillappearinonly6to9years.
Keywords:
roadengineering;flexural-tensilestrengthlosses;freeze-thawcycledamage;cracking;cementconcretepavement.
0问题的提出
我国较多的国土面积属季冻地区，冻融破坏一直是该类地区水泥混凝土路面破坏的重要影响因素，我省滇东北和滇西北寒区情况也是如此。
国内外学者在路用水泥混凝土路面冻融机理[1,2]、影响因素方面进行了大量的研究，但水泥路面冻融破坏现象依然严重存在，改善水泥混凝土路面冻融破坏的问题还未根本解决。
水泥混凝土受冻后会出现微小裂纹，在外部荷载作用下裂纹继续发展，进而出现开裂、断板等路面破坏现象。
由于冻融的发生，路面板强度下降，当强度下降到一定程度，路面所需的疲劳应力不能得到满足便出现破坏现象。
现行水泥混凝土路面设计并未对由冻融引起的强度损失做充分考虑。
因此，探寻冻融循环对水泥混凝土的影响尤为重要，冻融破坏对路面使用寿命的影响应作为寒区水泥混凝土路面抗冻耐久性研究的重要方面。
1公路概况
公路自然区划Ⅱ区二级粒料基层水泥混凝土路面公路[3]，路面宽7m，路基为低液限粘土，路床顶距地下水位平均1.2m，粗集料为当地花岗岩。
设计轴载PS=100KN，最重轴载Pm=150KN，设计车道使用初期设计轴载的日作用次数为100次，交通量年平均增长率为5%。
2实验方案
2.1配合比设计
水泥采用P.O42.5；碎石采用石灰岩碎石，大中小料比例为6:
2:
2；砂子细度模数2.9；减水剂是AN1000型高效减水剂；引气剂是SJ系列引气剂。
配合比见表1。
表1冻融试验用混凝土配合比
编号
水泥
kg/m3
水
kg/m3
砂
kg/m3
石
kg/m3
减水剂
%
引气剂1/万
含气量
%
水灰比
1
350
140
724
1183
1.1
0
1.6
0.40
2
350
168
715.2
1167
0.5
0
1.6
0.48
3
350
154
720
1176
0.67
0
1.6
0.44
4
350
154
720
1176
0.67
1.2
3.0
0.44
5
350
154
720
1176
0.68
2.6
5.0
0.44
6
350
154
720
1176
0.69
6.0
7.5
0.44
2.2试验机的改进
为进行不同冻结温度混凝土冻融试验，对冻融试验机进行了改造，以实现5个不同冻结温度的控制，试验参数见表2。
表2冻融试验参数
编号
冻结温度℃
融化温度（℃）
降温速率（℃/h）
升温速率（℃/h）
1
-5
5
10.1
18.8
2
-9
5
3
-13
5
4（标准）
-18
5
5
-24
5
3不同因素混凝土冻融试验
3.1水灰比
为比较不同水灰比对混凝土性能的影响，分别对3组（每组3个试块）非引气混凝土（含气量为1.6%）试件进行标准冻融环境下（-18℃～5℃）200次冻融试验，混凝土抗弯拉强度试验结果见图1。
图1不同水灰比200次冻融循环试验强度损失结果
3.2含气量
选择水灰比为0.44，制作试件4组（每组3个试块），在标准冻融环境下（-18℃～5℃）测定不同含气量对水泥混凝土抗冻性能的影响，混凝土试件抗弯拉强度试验结果见图2。
图2不同含气量200次冻融循环试验强度损失结果
3.3冻结温度
对含气量为5%，水灰比为0.44的5组（每组3个试块）混凝土试件进行不同冻结温度下200次冻融试验，混凝土试件抗弯拉强度试验结果见图3。
图3不同冻结温度200次冻融循环试验强度损失结果
试验结果显示，对于非引气混凝土，经过200次冻融循环后，抗弯拉强度损失高达35%～45%，这表明非引气混凝土冻融循环后路用性能不佳，因此，目前水泥混凝土路面施工通常通过掺加一定量的引气剂来提高混凝土性能。
最佳水灰比的4种含气量混凝土弯拉强度损失率也较大，7.5含气量的混凝土试件弯拉强度损失最小，但也高于20%。
对比四种含气量的试件，含气量较高的两组试件表现出相对高的性能。
不同冻结温度试验结果显示，-9℃和-24℃冻结温度下混凝土弯拉强度损失率较高，-5℃冻结温度下混凝土强度损失率较低，-9℃和-24℃环境对混凝土最不利，-5℃环境相对较好。
弯拉强度作为水泥混凝土路面设计的控制指标，强度的下降对混凝土路面影响严重，而由冻融引起的混凝土强度损失较大，因此，寒区水泥混泥土路面设计应充分考虑冻融的影响。
4冻融循环下混凝土弯拉强度衰变
水泥混凝土冻融试验表明，低水灰比和高含气量的混凝土抗冻性能较好，因此，采用水灰比为0.44，含气量为5%制备混凝土冻融试件45组，以探寻冻融循环下水泥混凝土弯拉强度衰变规律。
试验采用5种冻结温度，不等次冻融循环后的弯拉强度及损失率见图4、图5。
图4不同冻结温度下混凝土弯拉强度变化曲线
图5不同冻结温度下混凝土弯拉强度损失曲线
5个冻结温度下混凝土弯拉强度随冻融循环次数增加迅速下降，冻融循环次数与弯拉强度损失率近似线性关系。
-18℃和-24℃环境弯拉强度损失率最大，-24℃环境条件下，100次及200次循环后弯拉强度损失达15%及30%。
-5℃环境弯拉强度损失最小，100次及200次后弯拉强度损失依然达到10%及18%。
标准冻融条件-18℃下，弯拉强度损失率居中，25次、50次、100次、200次冻融循环后弯拉强度分别为6.36MPa、6.08MPa、5.82MPa、5.03MPa，与冻融前弯拉强度6.65MPa相比，强度损失4.36%、8.57%、12.48%、24.36%。
冻融试验表明，冻融循环后混凝土弯拉强度快速衰减将为寒区水泥路面的开裂提供条件，成为寒区混凝土路面开裂破坏的重要因素。
对不同冻结温度下试件弯拉强度的极限损失率进行拟合，得到不同温度下弯拉强度损失极限范围，如图所示。
图6不同冻结温度下弯拉强度损失极限范围
5拟建道路路面开裂分析
根据现行《水泥混凝土路面设计方法》，可计算出路面使用寿命随弯拉强度损失的变化趋势[4]，如图所示。
图7弯拉强度损失与使用寿命关系曲线
由图可见，路面使用寿命随抗折强度衰减的损失较为严重，抗折强度损失1%，使用寿命损失已经达到11.46%，当抗折强度损失9%时，使用寿命损失已经高达79.82%。
由试验结果可知，由冻融循环引起的混凝土弯拉强度损失均较高，一定冻融循环次数后弯拉强度损失基本都超过10%。
也就是说，根据理论计算，寒区水泥混凝土路面实际使用寿命只有设计使用年限的1/2左右。
虽然理论计算和实际使用存在差异，但由此也说明冻融对寒区水泥混凝土路面损坏的重要影响。
此外，由图还可以看出，抗折强度损失小于6%时，使用寿命损失随抗折强度损失的增加变化显著，说明冻融破坏初期，路面性能损失速率较大，后期逐渐变缓。
依据路面设计规范[3]，二级水泥混凝土强度设计值为4.5MPa，根据不同冻融温度试验结果，拟合极限弯拉强度衰变直线，如图8。
拟建道路按一年经受100次冻融循环计算，以1：
14的室内、外冻融次数对应关系[5]可得该道路路面板疲劳应力发展曲线。
该曲线表示对应循环次数下所需弯拉强度，当路面弯拉强度小于对应循环次数弯拉强度时，路面即发生破坏。
图中左侧纵坐标表示路面混凝土弯拉强度，右侧坐标表示路面板内疲劳应力。
图8拟建公路破坏分析图
由图可见，冻融循环次数达到40次时，出现第一个交点，该交点后路面疲劳应力曲线高于混凝土弯拉强度，该状态下路面将发生破坏。
换算成室外冻融循环次数为560次，即最不利条件下该路面使用约6年便出现破坏现象，只达到设计使用年限的40%。
第二个交点出现在冻融次数65次时，相当于野外冻融910次，即最有利条件下该路面使用9年出现破坏现象，为设计使用年限的60%。
也就是说，该状态下的水泥混凝土使用6到9年将发生破坏，远远短于设计使用年限。
综上所述，冻融对水泥混凝土道路的影响十分显著，根据冻融破坏的原理，由于冻融循环的存在，使水泥混凝土道路路面过早的发生开裂现象，冻融破坏应作为寒区水泥混凝土设计的重要考虑因素。
结论
（1）不同条件水泥混凝土试验结果显示，弯拉强度对冻融循环较为敏感，200次冻融弯拉强度损失均超过了20%，冻融对水泥混凝土路面影响严重。
（2）水泥混凝土弯拉强度衰变规律试验表明，较低冻融次数下混凝土试件便表现出了较高的强度损失率，说明较短使用时间水泥混凝土
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