水泥混凝土路面属于高级路面, 而普通水泥混凝土是水泥混凝土路面中应用最为广泛的一种, 其刚性结构的完整性, 有赖于结构板块本身的完整性及其下层结构的整体刚性效能。无论施工过程中, 还是行车期间, 防止和处置各类断板开裂现象的发生和发展, 是维持和保证水泥混凝土路面使用效果与其耐久性的最基本的要求。但是, 由于水泥混凝土的非均质性, 低韧性及现场环境条件, 施工工艺与水平的可变性, 很难完全避免水泥混凝土路面的断板与开裂现象。所以, 混凝土路面的断板、开裂问题也就成了公路施工质量常见病害之一。
纵向裂缝大多在两个时期形成:
(1) 路面混凝土板强度未达到设计即通行载重车辆的强度时, 裂缝一般沿轮迹方向形成多条平行的裂缝。
(2) 因路基内管沟填筑不密实, 使用过程中路基不均匀沉降而形成的沿管沟方向的纵向裂缝, 这类裂缝不仅形式规则, 而且裂缝宽度较早期纵向裂缝大, 长度较大。
(1) 运营前 (早期) 断板:主要发生在混凝土路面浇筑成形初期, 其断裂形式及规律性明显, 裂缝横向间距4~6m不等。
(2) 运营过程中的断板:当路基出现沉降或运行实际荷载超出设计荷载时, 均可能发生断板, 此时断板的规律性不如早期断板明显, 但路面混凝土断裂时多伴有基层开裂。
收缩裂缝的主要表现形式为不规则短小裂纹, 其深度一般未及板底, 但可能在混凝土内部的裂缝长度大于表面可见裂缝的长度, 某些断续裂缝在运营过程中还有进一步发展与贯通的可能。
路基发生较明显的不均匀沉降时, 则混凝土路面断板开裂将无法避免, 而且断板裂缝均不规则, 破坏性大, 甚至造成相邻短板间的显著高差, 裂缝明显。
主要发生在以已浇筑路面板为侧模的板面缩缝、切缝或断裂面已沿至侧面板底的情况下, 当已浇路面板发生上述断裂, 且横向拉杆沿至新浇混凝土中, 接缝处又无分隔层时诱导裂缝极易发生。
当水泥稳定沙砾基层在施工中产生横向断裂时, 在未采取预防与隔离措施的情况下浇筑路面混凝土, 在温度变形的影响下, 因水稳定层断板板块的微量位移, 使得混凝土路面板在基层断裂缝附近产生裂缝或断板。
水泥混凝土路面的多种病害, 大体分为结构性破坏和非结构性破坏。《公路水泥混凝土路面设计规范》 (JTT012) 将其分为裂缝类、接缝类、变形类和松散类4大类。裂缝的分类有以下几大类。
(1) 按裂缝损坏程度分为:轻微、中等、严重3个等级。
(2) 按路面损坏类型可分为:断裂、纵向、横向和斜向裂缝, 破碎板或交叉裂缝3类。
(3) 按裂缝发生的时期可分为:早期裂缝和使用裂缝。
(4) 按裂缝发生的方向分可分为:横向裂缝、纵向裂缝和交叉裂缝。
(5) 按裂缝在厚度方向发生的程度可分为:表面裂缝和贯穿裂缝 (也称断板) 。
(6) 《水泥混凝土路面养护规范》 (JTJ073.1-2001) 中将裂缝 (断板裂缝) 按裂缝出现的方向和断裂的块数进行分类, 亦有4种分类。
引起水泥混凝土路面产生裂缝根本原因有两种原因:第一种原因为温度应力与荷载应力超过混凝土的抗拉强度, 水泥混凝土路面板就会产生裂缝发展为板块断裂:第二种原因为有的研究认为:水泥混凝土路面开裂的主要原因是混凝土的自身收缩 (包括干燥收缩和温度收缩) 及其基层间的强大的摩阻力 (包括静摩擦力和层间粘结剪应力) 。从产生裂缝的根本原因、水泥混凝土路面板的断板、开裂形式规律性分析, 以及裂缝的分类分析产生混凝土路面断板、开裂的原因有以下几项:
就施工工艺而言, 混凝土面形成断板, 开裂的原因有以下四种。
(1) 混凝土拌制不均匀, 造成混凝土拌和物"夹生", 粗、细集料聚积, 混凝土凝结硬化过程中的应力集中现象。
(2) 混凝土振捣不均匀, 尤其是人工浇筑振捣施工工艺, 受人的主观意识的影响, 过振、漏振现象难以避免, 造成混凝土密实性不均, 近面层砂浆厚度相差过大, 极易形成区域性开裂。
(3) 人工及三辊轴施工时, 提浆过厚, 使得路面混凝土表层稀浆厚度过大, 造成表面干缩裂缝。
(4) 混凝土浇筑间断。因停电、机械故障、气候变质、停料等原因使混凝土浇筑中断, 再浇筑时未按施工缝处理, 新旧混凝土由于结合不良和收缩不一致会形成一条不规则的接缝。
(5) 早期养护不及时养护方式不当, 不能及时补充或阻止水分的蒸发, 造成混凝土表面开裂。
施工过程中的工艺衔接控制不当时, 对混凝土路面板的断板、开裂有以下4个方面的影响。
(1) 切缝不及时, 或切缝深度过浅, 是形成早期横向断板的主要原因。
(2) 过早的行车碾压, 开放交通, 将造成路面的纵向开裂。
(3) 相邻板各走通缝对新浇筑路面板产生诱导裂缝, 甚至断板。
(4) 不良地质地段, 路基沉降未稳定前, 过早铺混凝土路面, 将极易产生路面板的断板开裂。
(1) 砂、石含泥量太大。就路面混凝土与结构混凝土受力特性及强度特性来看, 路面混凝土所用砂、石料的含量应比结构混凝土更加严格的控制, 否则将直接影响混凝土的抗折强度及界面粘接强度。同时过量的粘土含量有降低混凝土面层耐热性能, 增大局部混凝土收缩膨胀的趋势。
(2) 集料级配不良。不良的集料级配将可能造成混凝土的离析, 粗、细集料聚集, 形成强度和变形的薄弱区域。
(3) 混凝土配合比例选用不当。路面混凝土的配合比应与结构混凝土有所区别, 尤其是混凝土的砂率选择, 用水量的确定, 单方水泥用量的多少, 都直接影响路面混凝土的性能。根据不同的施工工艺和施工机械, 应综合考虑上述参数的选择, 并以成型后表层砂浆层的厚度, 适当调整配合比的组成, 防止因砂浆层过厚及混凝土拌制不均匀形成的收缩不均。
(4) 水泥碱含量较大。一般情况下, 路面混凝土宜选用碱含量不大于0.6%和水泥。
路面混凝土相对于结构混凝土的蒸发表面积要成倍的增大, 因此, 受气候的影响, 表面温度变形也大得多
(1) 风力和风向。有经验证明, 当裸露的路面混凝土在Ⅳ级以上风力的作用下, 沿风向的垂直方向最有可能出现裂缝。
(2) 高温条件下路面混凝土受到的负面影响主要表现在两个方面:一是高温照射下的混凝土集料, 蕴含的大量的热能, 使得混凝土入模温度过高, 加剧了已浇筑混凝土早期热量的增加, 进而影响混凝土内部应力应变的平衡, 形成裂缝。二是促使混凝土水化热在较短时间内集中产生, 造成混凝土强度裂缝。
(3) 干燥气候的影响。当大气温度较低外界水分不能及时得以补充时, 混凝土表面水分丧失, 将很快造成表面的干缩裂缝。
(4) 温差的影响, 当外界气温变化较大时, 混凝土办部的温差梯度将进一步增加, 温差梯度达到一定值时, 混凝土的温度应力将造成路面板沿较小断面的开裂。
(1) 路基及基层排水不良, 长期受水浸泡, 引起路基失稳或强度不足, 使路面产生不规则断裂。
(2) 裂缝隙水或边沟水等掺入路基, 基层和底基层, 冬季冻胀时使路面产生纵向开裂。
这里所说的混凝土本身的原因, 主要是指路面混凝土在配制及施工过程中方法或工艺的不足, 造成的与路面混凝土板施工特性或受力特性上的矛盾, 主要表现在:
(1) 受当前水泥性能的影响, 混凝土脆性的降低较难实现。据有关资料介绍, 当混凝土的强调路面混凝土抗折、抗压强度的提高而不注意混凝土脆性的降低, 将损害路面混凝土结构承受来自竖向重力、水平冲击力及抵抗膨胀温度产生的应力的能力, 无疑会增大路面板、断板开裂的可能。
(2) 路面混凝土的抗滑性能有赖于宏观抗滑构造与微观抗滑构造的共同作用。就宏观构造的形成而言, 采取横向刻槽, 拉毛等方式, 都不失为一种有效的纵向抗滑措施。但是, 一些施工单位为了强调感观上的良好视觉, 不惜以加大浆量来达到抗滑构造深度及边缘规则, 表面光滑的感观效果, 这种作法不仅严重削弱了路面的侧向抗滑微观构造的作用, 降低了面层混凝土的耐久性能, 而且由于砂浆厚度的增加, 加剧了表面收缩裂缝的趋势, 实为得不偿失。
一些混凝土路面开裂、断板现象的产生, 虽然是在施工过程或工程完工后的运营阶段表面现出来的, 但分析其原因, 仍与设计方法及设计时的考虑不周有关, 以下列举4个方面的问题, 以供商榷。
(1) 胀、缩缝及切缝填料选择不当造成外界水沿缝隙下渗, 加上板下基层排水不畅, 形成唧泥现象, 并导致路面板的断裂。
(2) 路面板跨越刚性结构物质时, 配筋不足, 在结构物两侧路基填土残余沉降影响下, 路基与面层脱空, 造成板面断裂。
(3) 在当前水泥混凝土路面设计理论的影响下, 忽视了运行期间, 路面板块的“活板”形态及其受力特性。
(4) 热层设计优劣直接关系到混凝土路面的安全。如果垫层设计的厚度不足时, 它就解决不了水稳定性不良和防冻的问题, 当垫层选料不当不能起到透水或均质的作用, 使路面被水侵害或出现不均匀沉陷, 使面板的支承不均匀而被折断, 出现断板。
路面混凝土因主要承受竖向荷载的作用, 其受力特性以弯拉强度为主, 而影响混凝土弯抗强度 (抗折强度) 的主要因素有, 混凝土单方水泥用量、水灰比、粗集料粒形及水泥品种、性能、外加剂的品种、掺量等, 在上述材料确定后, 混凝土配合比的优化选择、混凝土的拌制方法、浇筑工艺、养护状态、则是保证混凝土强度形成的关键, 因此, 从路面材料的选择及配合比设计的优化着手, 应注意以下几个方面的问题:
(1) 水泥的选用:除路面混凝土专用水泥道———路水泥外, 宜选用的水泥品种为:硅酸盐水泥、普通硅酸水泥、水泥强度等级宜为设计抗折强度的10倍以上。选用时, 除考虑水泥强度等级品种外, 还应注意水泥的含碱量 (一般情况下, 不大于0.6%) 及水泥中混全材料的种类、掺量等。
(2) 集料的选择:从粗骨料对混凝土强度的粒径效应方面考虑, 用于路面混凝土的粗骨料的最大径, 不宜大于30mm, 且宜采用连续级配的石子, 细集料宜采用粗砂 (混砂应调正其细度模数达到中粗砂)
有资料表明, 在提高混凝土耐疲劳极限方面, 砾石仍优于碎石, 小粒径骨粒优于大粒径骨料。而影响温度变形的主要因素是石料的种类 (可选用碱性石料, 酸性石料, 石英岩较差) 砂浆的总量以及碎石的总表面积。
(3) 混凝土外加剂及混合材料的选择:外加剂品种不同, 能够改变和提高混凝土的某些性能。就增强混凝土温度变形能力而言, 掺入引气剂将在保持混凝土高强度的同时, 可以降低混凝土的温度变形量, 因而有助于混凝土板块的抗裂能力。混凝土中加入混合材 (如粉煤灰、硅灰等) , 能够明显地减少混凝土水化热, 有利于防止混凝土因温度应力产生的破坏。但是, 应当注意任何混合材料的掺入必须通过试验确认其对强度、耐磨性、抗冻性等指标的影响。
(4) 混凝土配合比的优化选择:路面混凝土的配比, 除满足强度耐久性、经济性指标外, 更重要的是应满足路面混凝土不同施工工艺的技术要求, 在对混凝土工作性有重要影响的各项参数中, 控制混凝土拌和物坍落度选择适宜的砂率, 确定合适的混凝土含气量以及较小的坍落度损失, 是保证混凝土施工正常进行的关键。
(1) 施工现场降雨。为了防止软混凝土表面水泥被冲刷, 跨边或平整度损失, 强度降低;
(2) 风力大于Ⅵ级, 风速在10.8m/s以上的强风天。为了防止较强混凝土表面塑性收缩开裂;
(3) 现场气温高于40℃或拌和物摊铺温度高于35℃, 为了防止温缩开裂、断板、塑性收缩开裂和接缝过大;
(4) 摊铺现场气候5昼夜平均温度低于5℃, 夜间最底气温低于-3℃。《施工规范》水泥路面不允许负温施工。
良好的路面质量是通过严格的施工质量控制来实现的。无论是机械施工, 还是人工摊铺, 都必须重视施工工艺与施工过程的选择和控制。
总体而言, 路面混凝土的施工工艺与施工过程控制应注意以下几点:
(1) 保证施工作出过程的连续性, (在合理基础上) 尽可能地缩短工序之间的间隔;
(2) 正确选择路面混凝土的浇筑时间, 降低混凝土的人模温度;
(3) 严格控制振捣方法和振捣时间, 避免漏振及振捣不均匀;
(4) 尽量采用机械化施工, 并注意机械的配套和能力匹配;
(5) 规范胀缝、缩缝制作工艺, 准确定位传力杆及拉杆设置位置;
(6) 要根据不同情况及时作好混凝土板面切缝工艺, 并保证一定的切缝深度, 使切缝部位足以释放混凝土板内部产生改拉应力, 不至于产生断板现象;
(7) 加强早期养护, 防止面层失水过快。
(1) 边界原因控制
(1) 基层养生结束后, 及时浇筑水泥混凝土路面, 以防止基层因暴露时间长产生干缩裂缝。若出现裂缝, 浇筑前应采取封闭裂缝处理, 预防因基层裂缝反射到面板上来。
(2) 有中央分隔带、路缘石等结构物施工时, 应与混凝土面板接触处涂刷沥青, 使双方自由伸缩。
(3) 要尽早将后浇筑的面板切缝。
(4) 严格依治治路, 严格控制超重车通行。
(5) 加强养护工作, 对排水系统中发现的问题及时处理, 避免造成较大的病害。
(6) 桥涵施工过程中, 应结合桥面铺装, 认真处理好路面桥面结合部位, 防止不均匀沉降。
(7) 及时采取措施, 封填微裂缝。
防止路面混凝土的开裂、断板, 除了要求基础稳固外, 采用选进的机械化施工工艺, 良好的施工组织, 合理的施工工期十分必要。认真分析强度、气温、材料、施工方法等造成裂缝的原因在实际施工中要多加注意, 最大限度地避免和预防裂缝。同时, 还应当在指导思想上克服小生产的分散施工模式, 以专业化大生产及流水作业的方式来安排施工的每一个环节, 才能收到良好的效果。
摘要：本文就水泥混凝土路面断板及开裂的形式与规律性、裂缝的分类及防治问题进行了分析。
关键词：水泥混凝土,路面,断板,开裂
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