公路水泥混凝土路面裂缝分析

吴长飞

公路水泥混凝土路面裂缝分析

吴长飞

(巢湖市路桥公司,安徽巢湖 238000)

裂缝是公路水泥混凝土路面的常见病害,直接影响到公路的使用性能,已经引起广大公路工程技术人员和科研人员的关注。应从实际观测出发,对裂缝进行出现原因作细致科学的分析,并应积极进行防范。

公路;水泥混凝土路面;裂缝

巢湖市南郊水泥砼路面分为四个区段施工。各区段的路面结构相同:厚度20厘米,宽度7米,分两幅浇筑,版块长5米,每25米设一道压缝,其他为切缝;砼设计抗压强度30MPa,抗折强度4.5 MPa,路面外侧设有边缘钢筋。基层为石灰稳定土,总厚25厘米,分两层铺装,底基层石灰剂量10%,厚13厘米,基层石灰剂量12%,厚12厘米。

1 裂缝观测

1.1 裂缝出现的时间和位置

路面浇筑后24小时内出现的裂缝称为早期裂缝,把以后出现的裂缝统称为晚期裂缝。为了避免无规则裂缝的出现,在施工中每25米设置一道压入缝(又称诱导缝),把早期干缩裂缝诱导在该断面,次日即有开裂,这种裂缝对路面质量并无影响,故不在讨论范围之列。在其他位置也出现部分无规则的裂缝,以第四区段为例,这种早期裂缝计10条,占总数的40%。出现的位置大多数在距压入缝(4～6)米和(9～10)米处。次日切缝后开始湿沙养生,10天后养生结束,此间又出现五条裂缝。龄期30天时观察,新出现4条,60天时观察新出现6条,合计晚期裂缝共15条,占总数60%。这种晚期裂缝大多数出现在距切缝一米之内。出现裂缝(包括早期和晚期)的版块数占总版块数的0.8%。它们分布于左右两幅之内且互不衔接。

1.2 裂缝的形成和发展

无论诱导缝还是任意缝都有其形成和发展的过程。开始时是在某一处出现一条深度较浅、长度较短且非常细微的裂缝,如不仔细观察是难于发现的。虽然细微,一旦出现之后,恶劣的环境很快使这段微裂缝向路面版的内部纵深发展,逐渐加深、加长、增宽,最后变成贯通整块路面版宽度和深度的裂缝。据第四区段工地观察,贯通整块路面版宽度的计16条,半通裂缝9条(位于路面版左侧、中间、右侧的均有,且长短不等)。这些半道裂缝绝大多数是晚期裂缝,它从某处开始,直到与切缝或压缝相连通为止。只有个别半通裂缝并未与切缝或压缝相连通,而是发展到一定程度而停止。

1.3 路面温度观测

水泥砼拌合料从加水拌合开始到压纹结束约经两个小时,从此开始观测路面版的表面温度和底面温度,连续三个昼夜,每隔一小时记录一次。通过两次观测,情况大体相同。表面温度昼夜变化和气温相同,底面变化规律也与气温变化大体相同。但因砼是热的不良导体,底面温度落后于气温两小时,另一方面,表面温度变化幅度较大,而底面温度变化较为缓和,对短时间的气温变化反应迟钝。一般来说,一天之内气温高峰在14时,表面温度比底面高出(8～9)℃;气温最低时在早晨6点,底面温度比表面高出(7～8)℃。如果天气晴朗,这种温差超过12℃。这一观测结果是符合常规的。特别是从拌合开始,在8～11小时以内,虽表面温度和底面温度都处于下降阶段,但底面温度在降到一定程度后却不再下降,并稍有回升,这是由于水泥颗粒二次水化而放出大量水化热所致。

1.4 钻芯观察

在龄期30天以后进行了钻芯检查。钻头对准裂缝取芯,共计四块,容重在2.28g/cm3～2.364g/cm3之间,平均2.332g/cm3;在完好部位取芯共16块,容重2.303g/cm3～2.485g/cm3之间,平均2.396g/cm3,由此看出裂缝处取的钻芯容重一般比较小。从外观观察:裂缝处取的钻芯有两块的砂浆本身不均匀,有一块砂石料分布不均匀,一块则比较正常。而完好部位取的钻芯一般比较良好。自上而下裂缝的走向也不尽相同,在四块钻芯中有两块裂缝是竖直的,有两块是倾斜的,其倾斜方向与施工前进方向相同。

2 水泥砼路面版内力分析[1]

水泥砼混合料加水之后,水泥进行水化,其时间并不长且水化进程减慢,几小时之后才出现第二次水化高峰。水化作用是一个复杂的物理化学变化过程,与此同时外部形态也发生变化:可塑状态——凝结——固化——强度增长。伴随发生的还有化学收缩、失水干缩、由水化热造成的内外温差而使表面先行收缩。这些现象的综合作用使砼内部产生应力。但这些不意味着水泥砼路面版必然要发生裂缝,是否发生裂缝要看路面版内部各种力量的对比情况。水泥砼路面做为一个薄板构造又有不同于其他块件的性质。

水泥砼的抗拉强度随龄期而增长,通常情况下抗拉强度的增长在高度方向是均匀的。路面版直接铺筑在基层上,当路面版收缩时,基层对路面版底面的位移起着约束作用,间接地增大了路面版的抗拉强度。但这种影响随着与底面距离的增大而减小,作为不太厚的路面版来说,这种影响可能涉及到顶面,其数值大小和基层状况有关。水泥砼在化学收缩、失水干缩、降温收缩等综合作用下使路面版内部在某一断面处产生拉应力,其大小和诸多因素有关,一般来说,其数值由顶面向底面逐渐减小。路面版是否出现裂缝不仅在于拉应力的大小,而且还与其抗拉强度有关。如果实际拉应力小于抗拉强度,裂缝不会出现。

3 裂缝原因分析

3.1 施工操作粗糙

从钻芯可以看出:①混合料拌合不均匀会造成路面版内强度薄弱区,裂缝的产生即从此开始。第三区段拌合比较均匀,出现的裂缝就较少。②振捣不密实,蜂窝比较多。从裂缝处钻芯容重较低可以证实。③对两车料相接处振捣时没有给以特别注意,因而形成一个强度薄弱的横断面。从裂缝的倾斜方向及裂缝摆动幅度与摊铺情况相一致可以说明。④路面厚度不均匀,致使路面版强度不均匀。如路面薄厚不一的区段裂缝较多。⑤裂缝的多少与劳力配备,工人素质及其责任心也有很大关系。

3.2 路基和基层的影响

受路基基层的影响可以从几个方面来说。①反射作用。某些特殊的土质对温、湿度反应非常敏感,极易使路基产生裂缝,在摩阻力的作用下,带动路面基层和面层也开裂,是路面版产生裂缝的原因之一,底面首先开裂,延伸到顶面,裂缝则上下同宽。②路面基层强度的不均匀性会使路面版形成裂缝。如四区段有一涵洞动工较晚,影响了灰土基层的工期,灰土基层完成第三天即浇注路面,结果在两段灰土基层接茬处浇注后的第二天,路面版即出现一条裂缝。而在浇注第二幅时已时隔多日亦未出现裂缝。另外在基层施工时如采用分段人工翻拌,在两段交界处往往造成一个基层强度薄弱的横断面,从而产生贯通两幅三幅甚至整个路面宽度的裂缝。这种裂缝一般都出现在早期。③关于路面基层和路面版底面之间摩阻力的问题。如上所述,这种摩阻力的存在增加了路面版内的抗拉强度,对阻止裂缝的产生起着一定的积极作用,另一方面,路面投入使用之后,温差的实际存在要求每块路面版能够自由伸缩,而摩阻力却防碍了路面版自由伸缩,因此在强度薄弱处就会把路面版拉裂。这又是晚期裂缝出现的原因之一。

3.3 温度和湿度的影响

温度观测表明,正常天气白天路面版的顶面温度高于底面,晚间相反。这种温差的存在使路面版内部产生很大应力。这种应力引起路面版白天中心部位向上拱起,夜间则周边向上翘曲。可是由于路面版的自重和四周的嵌制作用约束了这种趋势,这就使路面版顶面晚间受到拉力,底面白天受到拉力。温差越大,产生的这种拉力亦越大,当拉应力大于抗拉强度时即产生裂缝。对于初具抗拉强度的路面版更是一个严峻的考验,特别是水泥颗粒二次水化放出大量水化热的期间,正处于顶面降温底面升温的时刻,更加大了顶面和底面的温差。有些国家如英国和日本,为了在此期间防止日光直射和迅速失水,都采取在路面版上搭设移动式帐蓬的措施。英国提出高温时刻施工时在拌合水中加入碎冰以降低施工时混合料温度。法国规定在气温大于30℃,湿度小于40%时不得施工。西德为防止夜晚冷空气的袭击使顶面变冷,则要求有覆盖物保温。这一切措施都是为了避免早期裂缝的发生。

3.4 养护方法不适当

水泥是一种水硬性无机结合料,只有在高湿情况下强度才能正常增长,很好的养生特别是整型完毕至硬化期间的早期养生甚为重要。目前有两种方法:①用HD10养护剂即薄膜养生方法,②古老的湿沙养生方法。从目前来看,用薄膜养生并不一定很好,用此法养生强度一般要下降(10～15)%,要保证要求的强度,势必要加大水泥用量。另一方面,在施工中很难保证薄膜不受破坏,一旦受损,就会迅速失水,直接影响强度的增长和最终强度,并招致早期裂缝的发生。从实践看,四个施工区段中,一、二区段均采用薄膜养生,出现的裂缝就多。而三、四区段在水泥终凝后立即暂用塑料布覆盖保持一定湿度,待次日切缝后变为湿沙养生。湿沙养生不仅能保持湿度,而且对于减小昼夜温差也有一定作用。

3.5 其他原因

路面温度观测表明,水泥大量放出水化热的时间是在加水拌合后8小时开始,持续时间为2.5～3个小时。这个时间正是气温下降的时间,路面版顶面变冷使内部产生很大温度应力,所以应选择低水化热、早强型水泥。

4 防止和减少裂缝的几点建议

(1)按照施工规范[2]要求选用合格的原材料[3];

(2)拌合要均匀,做到不合乎要求不出料。振捣要密实,特别注意两车料的衔接部位;

(3)避免夏季高温时间施工。对基层注意洒水湿润,但不能有积水和泥泞;

(4)基层要平整,强度要均匀,特别是在两个施工段相接部位。灰土基层要养护到一定时间后才浇筑路面;

(5)在不影响路面质量前提下尽量提早切缝;

(6)加强养生工作:养生期间不准任何车辆行驶。尽可能采用湿沙养生方法,在无法采取其他措施时,终凝至切缝期间,宜用塑料布覆盖以保持应有的湿度;

(7)加强政治思想工作,使全体施工人员牢固树立质量观念。

[1] 尚小江,邱峰,赵海峰,等.Ansys结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京:中国水利水电出版社,2000.

[2] 中华人民共和国行业标准.J TG F30-2003公路水泥混凝土路面施工技术规范[S].北京:人民交通出版社,2003.

[3] 郝文化.Ansys土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

责任编辑:文 月

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2010203216

吴长飞(19742),男,安徽巢湖人,安徽省巢湖市路桥公司工程师。研究方向:路桥工程技术。