水泥混凝土路面早期裂缝原因及防治研究

肖冠成 张东长

(1.重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074;2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400074)

1 工程概述

该高速公路在广东段采用双向六车道高速公路标准，设计速度为100 km/h。考虑到车流量较大，路面需承受重载交通，主线及枢纽互通匝道采用复合式路面结构:7 cm SBS 改性沥青混凝土面层，高粘度改性沥青防水粘结层(同步碎石封层)，乳化沥青透层，30 cm C40 水泥混凝土基层，一布一膜复合土工膜隔离层，22 cm 水泥稳定级配碎石底基层，20 cm 级配碎石垫层。

1.1 地形地貌

本项目沿线区域位于广东省西北部的南岭山脉南缘，沿线地形起伏较小，相对高差在20 m～40 m 之间，海拔高程为50 m～152 m，相对高程不大。在发生开裂断板的路段中，有部分路段经过水稻种植区，由于路基湿软，所以施工时采用换填方案。

1.2 气温

本项目位于北回归线的北侧，属亚热带季风性湿润气候;累年平均温度20.8 ℃，极端最高气温39.9 ℃，极端最低气温-6.9 ℃;夏长冬短，累年平均总日照时数1 828.1 h，气温适宜。

1.3 降水

该地区年均降水量为1 785.4 mm，多年平均年降雨天数在180 d 以上，且多集中在4 月～9 月，雨季常有山洪爆发，山区气候多变，有短时阵雨、暴雨，有霜冻、结冰与积雪。

2 混凝土板裂缝产生原因及防治措施

开裂段混凝土板主体于4 月施工，此前路基、垫层、底基层施工情况良好，平整度、压实度等各项技术指标均达到设计要求［1］。养护期间对路面进行巡查，发现板与板之间沿切缝裂开的程度不均匀，但未发现板体有开裂现象。7 月初对路面进行普查时，发现部分板体出现裂缝甚至断板。裂缝长宽深浅不一，且以纵向裂缝居多，开裂位置多位于拉杆或传力杆附近。混凝土板形成裂缝的原因很多，有些裂缝是多种原因共同作用的结果，有些裂缝是单一因素作用的结果。为此，对可能引起混凝土板开裂原因进行分析排查，并有针对性地实施了一系列预防措施。

2.1 路面土基或底基层的原因

为查明开裂、断板原因，对部分开裂混凝土板进行钻芯检测，对部分断板严重的板体进行破板观察，如图1，图2 所示。结果表明:芯样裂缝贯通整个水泥板厚度，但半刚性底基层表面平整，未见开裂、沉降等不良现象。同时，对无破损的芯样进行劈裂试验，折算平均抗弯拉强度为5.99 MPa，符合设计要求。由此可见，底基层及路基施工质量良好，不是导致混凝土板开裂的主要原因。

路基直接影响到路面结构的稳定性，而路面底基层作为次要承重层，均应保证其强度的均匀性、稳定性及表面的平整度。如软土基未做好加固处理，板下的基础易产生不均匀沉降，使混凝土板与底基层脱空，混凝土板的裂缝也将随之产生。本项目有部分土基采用换填方案，换填土基的压实度、弯沉均符合设计要求;选择良好的基层填筑材料也是防止裂缝的常用措施之一［2］。本项目中水泥稳定级配碎石底基层刚度大、整体性强、稳定性好，能为混凝土板提供良好的支撑，从而有效地避免了因底基层强度不足而引发的反射裂缝。施工中应严格控制半刚性底基层混合料的生产、拌和、摊铺、碾压和修整工艺，并及时洒水养生，防止底基层出现早期裂缝;为防止因底基层不平整等原因产生的反射裂缝，规定在底基层上铺设一布一膜滑动层，以减小层间摩阻力，有利于板体缩胀时自由伸缩。施工时应保证其平整度、搭接长度、固定强度符合设计要求。

图1 混凝土板开裂处芯样

图2 断板处底基层外观

2.2 气候原因

不利气候是引发许多路面病害的主要因素之一。日夜温差大、施工养护温度高、气温突变都可能引发混凝土板开裂。混凝土导热性不佳，日照使板顶升温幅度大于板底，致使混凝土板中部产生上拱变形。夜晚温度降低，混凝土表面温度快速散失，板顶面温度低于底面温度，致使板体的边缘翘起。当变形受到底基层或其周围混凝土约束而产生过大拉应力时，板体就被拉裂而产生裂缝［3］。其次，当混凝土养护期结束后，如遇夏季暴晒高温，混凝土板表面因将迅速失水而产生干缩变形，当变形受板体下部混凝土制约时，将产生拉应力拉裂混凝土。此外，当天气变化导致气温突变时，混凝土板因内外温度变化不一致而形成温度梯度，如温度应力过大将拉裂混凝土板［4］。项目开裂标段所在地多为山岭，白天日照充足，夜晚降温快，日夜温差较大。且施工中常见短时阵雨、暴雨，以上原因均可能使混凝土板内外形成温度梯度，进而产生微裂缝，长此以往将形成较严重的裂缝。针对以上情况，结合实际施工条件采取以下措施予以预防:1)配合比设计阶段合理选择水灰比，施工阶段严格控制水灰比。水灰比过大，混凝土中游离水过多，水分蒸发后会引起较大干缩且影响混凝土强度。同时，适当降低水泥用量，必要时掺加适量减水剂改善施工效果。2)选择科学合理的养生方式，混凝土板铺筑完成后应立即开始养生，保持适宜的温湿条件，并适当延长养生时间。本项目中开裂段混凝土板先喷洒养生剂，然后加盖塑料薄膜进行保湿养护。夏季施工期间，考虑到塑料薄膜防暴晒隔热效果较差，改用洒水加铺土工布再覆盖塑料薄膜的方法进行养生。在养生期内，应定期检查，保证混凝土表面土工布和养生膜覆盖良好，减轻混凝土受高温、突变温差、湿度变化等不利条件的影响，从而防止混凝土板因内外缩胀不一而产生裂缝，为水泥水化作用提供良好的环境，形成足够的抗裂强度。3)浇筑前应保持底基层顶面充分湿润，防止底基层吸水过多而产生干缩裂缝［5］。4)施工中要经常注意天气变化，尽量减小气候突变带来的不利影响。如忽然遭遇暴雨或气温骤变等情况需中断施工时，应尽快切缝以释放收缩应力，并进行土工布、塑料薄膜覆盖养生。5)如在夏季施工，为避免温缩或干缩裂缝，需特别注意控制施工温度和防止混凝土失水过快。首先，施工应尽可能避开高温、暴晒、大风等不利条件，摊铺温度不宜超过35 ℃，早晨、傍晚和夜间温度较低，是夏季施工的最佳时段。其次，需控制混凝土的拌合温度，对砂石料堆进行遮阳覆盖，防止太阳暴晒升温。本项目中为防止石料、水泥拌合温度过高影响混凝土质量，采用循环制冷系统对拌合水进行制冷，降低混凝土拌合温度。最后，运输混凝土的料车应用篷布严实遮挡，避免阳光直射引起混合料水分损失过大。

2.3 施工工艺原因

2.3.1 切缝不及时或深度不足

切缝的主要作用是释放混凝土板收缩应力，从而避免混凝土板在其他地方产生不规则裂缝。切缝不及时、切缝深度不足、切缝间距过长都可能造成混凝土内应力集中，在混凝土板薄弱处形成不规则裂缝。对开裂段混凝土板切缝进行调查，发现切缝深度普遍为4 cm～6 cm，未达到设计标准，严重地影响了收缩应力的释放。因此采取以下措施，对切缝“时间、深度、间距”三要素严格把关。

1)施工中应把握好混凝土在实时温度、湿度、风力环境下的强度增长规律，结合现场情况准确判断出最佳切缝时间。施工中常以“温度、小时”控制切缝时间，即以水泥混凝土浇筑后的时间与温度的乘积作为控制参数，切割时间一般控制在200 ℃·h 左右［6］。切缝太早易造成切缝缺边掉角，太迟则易引起开裂、断板。夏季施工温度高，应密切关注混凝土板凝结程度，应在不啃边的前提下尽早切缝，防止应力集中而产生开裂、断板。

2)按规范要求，设传力杆的切缝深度应控制在1/3～1/4 板厚，且最浅不小于7 cm［7］。如切缝深度太浅，切缝处水泥混凝土残留强度过大，切缝处将无法正常开裂，收缩应力无法在切缝处得到释放，混凝土板体将被拉裂。《广东省水泥混凝土路面施工技术指南》要求切缝深度为板厚的1/3～2/5。本项目混凝土板厚为30 cm，所以切缝深度应达到10 cm～12 cm，而实际测量平均值为4 cm～6 cm，严重不达标。因此，此次路面开裂防治措施，应以此为整治重点之一，加强施工管理，保证足够的切缝深度。

3)适当的切缝间距和合理的切缝方式能保证混凝土板收缩应力在切缝处得到充分释放，避免应力集中引发板体开裂。除转弯、加宽等特殊路段，一般直线段混凝土板应为规则的矩形板，纵缝、横缝应分别与道路中线平行和垂直，且不同行车道之间横缝应一致对齐。普通混凝土板纵缝宽一般与行车道和硬路肩宽相对应，规范规定为3 m～4.5 m。普通混凝土板横缝宽一般为4.5 m～6 m，且规定板面积不超过25 m2，板宽和板长的比例应控制在1∶1.35 以内，板最小边长应不小于1.5 m［8］。

2.3.2 混凝土板强度均匀性差

施工中保证混凝土强度的均匀性对预防混凝土板开裂等灾害至关重要。巡查过程中发现混凝土料稠度不均匀，可能致使混凝土板强度形成不均匀，板体各部位的收缩差异大，易在强度薄弱处或细料集中处产生收缩裂缝。施工中的各环节是紧密联系在一起的，应加强各部门的质量意识，保证各工序的施工质量。

拌和站拌制混凝土时，各材料掺量控制不严，生产配合比产生过大偏差，将导致稠度不达标或不均，为裂缝的产生创造了有利条件。用水过少或砂率过大将导致混凝土料稠度偏大，混凝土和易性差，不易拌合、捣实，混凝土板强度不均匀，容易在强度较弱处产生裂缝;用水量过多将使混凝土料稠度偏小，轻则在集料周围形成过厚的水膜，影响混凝土强度的形成，重则引发严重的离析、泌水现象，而混凝土板将因强度低不足以抵抗收缩应力或混合料离析致使表面收缩应力过大而开裂;此外，不同稠度混凝土结合处强度形成不均匀，可能会因收缩不一致而产生裂缝。因此，为预防裂缝产生，应做好以下3 点确保混凝土稠度保持在正常范围内:1)施工中应准确计量粗细骨料，严格控制好砂率、集浆比和水灰比，施工方不得随意调整用水量，而应根据集料中的含水量确定最佳用水量。2)摊铺过程中应严格监控混凝土料稠度，在拌合楼和施工现场定时测试坍落度，如坍落度不符合要求，应予以及时调整。3)及时跟进摊铺机施工进度，如发现滑膜摊铺机摊铺过程中经常出现大范围塌边或者较多浮浆时，应及时找出原因并予以解决。

2.3.3 拉杆安插不当

本项目中混凝土板采用滑膜摊铺机和三滚轴摊铺机铺筑，拉杆采用人工安插，插入深度和水平度很难精确控制。混凝土摊铺时发现部分拉杆插入水平参差不齐，拉杆间距、水平度不满足规范要求。对路面裂缝进行巡查时发现大多裂缝位于切缝周围，杆件的施工质量不佳很可能引起混凝土板受力不均，成为引发板体开裂的潜在因素之一。因此，需对拉杆的安装质量予以严格控制，要求操作人员严格按照规定操作，拉杆应设在板厚中央，并保证拉杆插入长度、间距和水平度满足规范要求。如发现拉杆安插精确度不符合规范要求或漏插，应钻孔补插。

3 结语

重载条件下的复合式路面，应特别重视面层混凝土板开裂问题。首先，应做好原材料检测以及路基、基层、混凝土板的施工和养护工作，以积极预防为主。其次，当混凝土板发生开裂、断板时，应及时、准确地查明开裂原因，为后期施工提供指导性建议。调查开裂原因时，应结合当地水文、气候、地质条件，对开裂板块进行详细勘察，对可能引起混凝土板开裂的原因逐一分析排查，并针对性地提出有效的预防措施。充分保证混凝土板的施工质量，是延缓反射裂缝的有效措施之一，从而提高复合式路面的使用品质。

［1］JTG F80/1-2004，公路工程质量评定标准［S］.

［2］刘理生.水泥混凝土路面裂缝原因分析及预防措施分析［J］.中国科技博览，2012(25) :61.

［3］杨 军.水泥混凝土路面裂缝产生的原因及预防措施［J］.价值工程，2012(33) :67-68.

［4］叶 龙.公路桥梁混凝土开裂的成因分析［J］.中国新技术新产品，2012(5) :52-53.

［5］郑树庭，杨月萍.水泥混凝土路面裂缝产生原因及防治措施［J］.内蒙古公路与运输，2012(5) :13-15.

［6］马 强.水泥混凝土路面裂缝产生原因及处治技术［J］.公路交通科技(应用技术版)，2012(8) :115-117.

［7］JTG F30-2003，公路水泥混凝土路面施工技术规范［S］.

［8］JTG D40-2011，公路水泥混凝土路面设计规范［S］.