摘要：本文應用斷裂力學、損傷力學和路面破壞的基本原理，重點對水泥混凝土路面的開裂過程進行分析，提出了混凝土路面開裂破壞的3個階段及其之間的關係，並闡述各個階段裂紋形成和板破壞的原因及機理。
關鍵詞：水泥混凝土路面損傷斷裂疲勞破壞
現在我國公路建設正進行得熱火朝天，路面結構形式多樣，有泥結碎石路面、塊石路面、瀝青路面、水泥混凝土路面等。在高等級公路建設中水泥混凝土路面以其強度高、穩定性好、耐久性好、養護維修費用低、經濟效益高、有利於夜間行車的特點越來越受到人們的青睞。水泥混凝土路面損壞後修復困難也是限制水泥混凝土路面進一步推廣應用的主要障礙。關於混凝土路面的損傷斷裂，國內外學者作了大量而深入的研究，從混凝土材料組成、力學機理及外界因素等各方面分析了水泥混凝土路面的斷裂破壞，並取得了大量的研究成果，對混凝土路面斷裂處治提供了科學依據。
本文應用斷裂力學、損傷力學和路面破壞的原理，對水泥混凝土路面損傷斷裂的產生、擴展直至破壞的全過程進行分析，指出每個階段混凝土路面裂縫形成的根本原因，以便對症下藥，爲混凝土路面抗裂研究和處治提供科學依據。
1．水泥混凝土路面損傷斷裂微裂縫產生的原因分析
1．1板底微裂縫的產生
水泥混凝土路面是將水泥直接澆注在凹凸不平的基層上。水泥砂漿將面層、基層形成一個整體，然而面層、基層的彈性模量、泊松比和強度各不相同。面層與基層的接觸面部分的彈模、泊松比和強度不同於面層的彈模、泊松比和強度，又不同於基層的相應指標，實質上是一過渡層，並且相對面層而言，該層即爲強度薄弱層。
隨着時間的推移，由於基層和麪層各自的彈模、泊松比和強度的增長速度各自不同，同時由於面層水泥混凝土逐漸凝結，混凝土將產生收縮變形，由於溫度的週期性變化，面層與基層之間存在不等量變形。由於以上原因，在面板橫縫切割後必然會導致本來融爲一體的過渡層沿路面板薄弱層平面開裂和破壞，將面層與基層彼此分離，破壞面處於一種非常光滑的凹凸不平狀態。凹凸不平的接觸面阻礙了混凝土面板與基層的不均勻脹縮，產生了巨大剪應力。剪應力直接對面板施加撕裂破壞，從而使板底不同部位微裂紋產生成爲必然。
1．2板中微裂縫的生成
材料的結構組織在外載或環境因素作用下將出現如微裂紋形成、擴展、空洞萌生、晶體位錯等微觀不可逆變化，這些微觀變化將造成材料宏觀力學性能的劣化，這就是材料的損傷。就宏觀水平來說，混凝土是集料顆粒加水泥漿基體的兩相複合材料。在製造成形後，混凝土本身就是一種內部含水、微裂縫、微孔隙的損傷體，其損傷度D爲：
D＝1－S／／S
式中：S、S／分別爲連續介質中的一個單元出現損後內外法線爲n的某截面在損傷前後的面積。損傷後混凝土的彈性模量E平：
E平＝E（1－D）
式中：E爲損傷前混凝土的彈性模量；D爲損傷度。
2．在外力作荷載用下裂縫的擴展
2．1外力作用下板底裂縫的發展
由於過渡層的破壞，面板與基層分離，在路面繼續脹縮和產生溫度變形的剪應力作用下，其板底微裂紋必將不斷的發展、不斷的增多，損傷路面強度。車輛動荷載的作用下，路面板會發生振動，板的振動反過來又作用於行駛其上的車輛，這種車－板之間的耦合作用隨荷載多少和車速的大小、路面平整狀況以及基層材料性能的不同而變化，並且會對板的開裂產生較大的影響。研究表明，路面越不平整，車速越高，荷載越大，這種作用會更加明顯，裂紋的生成和拓展速度亦就越快。
2．2板中微裂紋的發展
由於混凝土本身是一種損傷體，內部含有微裂紋、微孔隙，在行車荷載和溫度應力的作用下，原有體內的彌散裂隙將進一步擴展，且新的微裂紋又生成、擴展。微裂紋擴展並集總是和材料的彈性變形同時出現，但卸荷後不能癒合，因此導致能量耗散，使材料的強度、剛度下降，砼面板損傷度會逐漸增大，路面闆闆中裂紋尖端附近的混凝土逐漸損傷，裂紋會逐漸發展和加劇。而不是等外界荷載增大到臨界荷載時原裂紋纔出現擴展損壞。當外力使材料應力達到混凝土拉伸強度ft值時微裂紋迅速擴展，骨料顆粒與水泥漿基體之間脫粘，則會出現更多的微裂紋擴展匯合成宏觀裂紋。
2．3板中裂紋與板底裂紋的貫通
（1）板底及板中出現裂紋後，荷載作用下受拉區會出現損傷，即：
α平拉=α拉/(1-D)
式中：α平拉爲板底出現裂紋後的拉應力；α拉爲路面板完好時的拉應力；D爲板底初始損傷度。
受拉區應力增大，裂紋有向板頂擴展的趨勢。
（2）受拉區受損，承載能力下降，中和軸向板頂移動，導致受壓區增大，該區受壓區損傷進一步加劇，板中裂紋延長。
（3）路面不平整時動載作用將使這種破壞加劇，板中裂紋加速擴展。
板底裂紋的向上擴展和板中裂紋的`進一步延長，必然會導致兩者在某一應力水平下互相連通，從而加劇板的開裂破壞。
2．4混凝土面板裂紋擴展的定量描述
混凝土面板裂紋擴展的三個參數，包括拉伸強度ft，斷裂能Gf，還有拉伸應力—應變軟化曲線形式的參數，其中斷裂能指裂紋擴單位面積釋放出的能量。1983年研究得出的近似公式：
Gf＝（2.72＋0.0214ft）f2tda/Ec
其中da爲最大骨料粒徑,Ec爲混凝土的楊氏模量,ft爲拉伸強度。
3．在荷載的作用，面板裂縫上下貫通，使路面產生斷裂破壞
3．1路面疲勞破壞的過程描述
疲勞強度是水泥混凝土混凝土路面設計的一個關鍵指標，按斷裂力學觀點，水泥混凝土路面的疲勞破壞過程應分爲兩個階段：即路面完好無損至底板表面形成明顯的裂紋階段和裂紋擴展至路面板完全斷裂階段，並且第一階段通常佔材料總壽命的80％左右。然而，在確定混凝土路面的疲勞強度時，人們往往都是基於經典的應力－壽命法，即對萌生裂紋的循環作用次數和使這一裂紋擴展突然破壞的疲勞次數不加區分，在板底裂紋已經產生的情況下，板的疲勞壽命實際上僅相當於第二階段的疲勞作用次數，這正是水泥混凝土路往往未到設計年限而了生斷裂破壞的原因。
4．結束語
水泥混凝土路面的斷裂破壞影響因素非常多，且較複雜，國內外諸多專家對此已作了大量而卓有成效的研究工作，提出一些有效的防治方法。本文僅從理論的角度定性分析水泥混凝土板的破壞過程以及原因，目的是爲板的開裂防治提供一些可行的思路。文中的部分結論是基於國內外相關成果進行分析和整理而得。值得指出的是：出於分析問題的簡單化，本文僅對板本身的破壞過程進行了分析和相關討論，並未涉及到板的基層材料組成及其性能對板開裂破壞的影響。