基層對水泥砼路面早期性能的影響研究

徐行軍

(福建交通職業技術學院,福建福州350007)

水泥混凝土路面板的早期齡期裂縫,是指水泥混凝土路面從澆筑到開放交通、承受車輛荷載之前所出現的裂縫[1]。導致水泥混凝土路面板早期齡期開裂的原因是復雜多樣的,主要可以歸結為在溫度、濕度的變化使混凝土路面板產生脹縮和翹曲變形,當這些變形受到約束(地基支撐、層間約束、臨板鉗制等)時,便會使路面板產生張拉應力,若張拉應力超過路面板的抗拉強度,則導致路面板產生早期開裂。在凝結過程中混凝土溫度梯度的改變、高溫天氣鋪筑、周圍氣溫的大幅度變化、過量的路面蒸發也會產生開裂[2]。路面板早期收縮變形受到的約束包括基層對路面的支承力、層間接觸界面的粘結力和摩阻力以及臨板的鉗制力,是導致路面板早期齡期開裂的變量因素。

1 早期齡期開裂的影響因素

1.1 觸發因素

三種環境觸發因素—周圍氣溫的大幅度下降、高溫天氣鋪筑、過量路面蒸發,是引發水泥混凝土路面結構早期齡期開裂的前提,而前兩個因素占了早期破壞的大多數。

高溫天氣鋪筑。高溫鋪筑水泥混凝土路面常見于夏季的白天。眾所周知,水泥水化反應是一個放熱的過程,混凝土凝結初期,水泥水化反應劇烈,其劇烈程度取決于周圍環境溫度和濕度。若周圍環境溫度高,將導致水化反應階段混凝土溫度急劇上升,致使混凝土在一個較高的溫度場發生凝結,當周圍溫度回落、水泥水化反應趨于結束,混凝土路面板溫度大幅度下降,從而導致路面板產生收縮。

周圍氣溫的大幅度下降。水泥混凝土路面鋪筑完成之后將暴露于周圍環境之中,路面板的溫度也將隨著周圍環境溫度的變化而發生周期性的變化。當周圍氣溫發生大幅度的下降時,路面板的溫度也隨之大幅度下降,從而導致路面板產生收縮變形。

周圍氣溫的大幅度下降使得板頂溫度迅速降低,由于混凝土材料熱傳導性能較差,板底溫度的降低滯后于板頂,從而給路面結構增加一個負溫度梯度(面板頂部溫度比底部低)。如果面板剛度足夠大,受到的約束足夠強,將會引起面板頂部產生拉應力,使之有可能產生自上而下的裂縫。

高路面蒸發率。過高的路面蒸發率是導致水泥混凝土路面產生塑性收縮的主要因素,新拌混凝土在劇烈的水化過程中,出現泌水或因受外界溫度、濕度的作用(太陽輻射、風吹),水分從混凝土內部向外遷移,并在表面迅速蒸發,當水分蒸發量超過供應量時,變化發生失水凝縮,從而引起早期裂縫。路面蒸發率取決于周圍環境溫度、混凝土溫度、風速以及相對濕度。

1.2 變量因素

設計變形因素。設計變量因素包括基層厚度、層間接觸界面特性、路面板尺寸以及接縫類型。

路面板的變形約束主要來源于基層和臨板,基層不僅給路面板提供了一個垂直支承約束,還提供了一個層間水平約束,水平約束包括三個方面:(1)面層收縮變形時層間的摩阻作用。(2)面層部分材料滲入面層的孔隙內產生的咬合作用。(3)上下層材料的黏附作用。路面板尺寸越大,在相同的溫度和濕度梯度下產生的應力就越大,接縫間距越大,面板邊緣相對于面板中的固定點(通常為面板中心)的移動程度越高,出現的約束應力就越大。

材料變量因素。材料變量因素包括基層的剛度、路面板材料的收縮特性。

基層強度／剛度對路面板早期開裂的影響與基層厚度類似,即易約束路面板的翹曲變形。路面板材料的收縮特性指在一定的溫度改變下路面板收縮變形的程度,路面板材料的收縮特性越差,在相同的溫度變化下產生的變形就越大,產生開裂的可能性就越大。影響路面板材料收縮特性的因素包括:水泥用量、水灰比、水泥和集料的收縮系數、集料級配以及外加劑。

施工變量因素。施工變量因素則包括鋪筑路面板前的基層表面條件、鋸縫的深度以及養護條件等。

水泥處置基層和貧混凝土基層易使基層表面形成粗糙的表面,而透水基層孔隙的存在易使水泥漿滲入基層內部,這些都易使路面板與基層形成過強的約束面。對于瀝青處治基層和瀝青處治透水基層,由于基層具有很強的吸熱能力,在熱天鋪筑時,這些基層表面的溫度可達60°C,不僅影響了新澆混凝土的強度增長也影響了混凝土的收縮率。混凝土路面板鋪筑完成后,應及時的鋸縫并進行養護,鋸縫深度不夠或養護條件不足都將導致路面板發生早期開裂。

2 溫度翹曲變形和溫度梯度取值

水泥混凝土路面板早期齡期變形包括因混凝土內、外濕度條件改變引起的干燥收縮、自收縮、塑性收縮、碳化收縮變形(以前簡稱收縮變形)和因溫度場改變引起的脹縮和溫度翹曲變形(本文將溫度脹縮變形和溫度翹曲變形結合在一起考慮,以下簡稱翹曲變形)。

水泥水化反應是一個放熱的過程,路面板的溫度場隨著水化凝結的進行發生改變,同時它還受到外界氣溫以及太陽輻射的影響。由于路面板只是表面暴露于大氣中,越接近于頂面,受氣溫影響越大,加之混凝土自身熱傳導性能差,因此,路面板溫度沿板厚將出現不均勻變化,從而形成一個溫度梯度。在溫度梯度作用下,路面板將產生翹曲變形。通常,白天板頂升溫速度大于板底,路面板向上翹曲,稱為正溫度梯度翹曲;夜晚板頂降溫速度大于板底,路面板向下翹曲,稱為負溫度梯度翹曲。當翹曲變形受到基層豎向和水平約束時,便會產生溫度翹曲應力,翹曲應力的大小取決于溫度梯度的大小、路面板變形受約束的程度以及混凝土的模量。

為了深入了解溫度翹曲應力對水泥混凝土路面板早期開裂的影響,本文以福州省福州地區2009年7月夏季連續高溫階段施工的水泥混凝土路面為對象,對傍晚(19:00)和早晨(7:00)施工鋪筑的水泥混凝土路面早期72h階段的溫度場和變形進行了連續監測,監測結果如圖1、圖2所示。

從圖中可以看出,水泥混凝土路面鋪筑后在頭24h由于水化熱和氣溫的共同影響,溫幅比較大;24h后,主要受氣溫等環境因素影響,溫幅減小。對比晚上施工和白天施工面板的影響,得到夜晚施工的面板,在混凝土凝結初期,升溫速度較慢,升溫幅度較低;相反,白天施工的路面板,在氣溫的影響下,加速了水泥水化反應的進行,因而升溫速度快,升溫幅度大,這對混凝土早期齡期的影響是非常大的。

路面板凝固時的溫度梯度,可參照圖1、圖2的監測結果進行取值,混凝土的凝固時間一般為6～12h,夏季氣溫高,一般為6～8h[3],考慮白天氣溫又比晚上氣溫高,因此取傍晚施工的路面板混凝土凝固時間為8h,早晨施工的路面板混凝土凝固時間為6h。從圖1、圖2的監測結果來看,沿板厚方向,溫度的變化幅度也是不相同的,路表下0cm～9cm區域受氣溫影響顯著,溫度梯度值也最大,而底面受氣溫影響較小,溫度梯度值較小,因此在計算時溫度梯度應考慮為非線性。

3 早期齡期階段開裂分析

3.1 計算模型和參數

為防止剛鋪筑的路面板發生無序裂縫,通常在混凝土路面板凝結過后,按一定的間距進行鋸縫,以釋放脹、縮應力。鋸縫后的混凝土面板通過鋸縫處的斷裂釋放應力,在正常情況下不會在其他地方發生開裂。但在夏季高溫下施工的混凝土面板,在施工結束后的早期階段,混凝土強度尚很低,若此時降溫幅度過大,或層間約束過大,仍有可能因為溫度應力過大,引起路面板的開裂。

為探討基層設計參數對鋸縫過后路面板早期開裂的影響,以試驗路面溫度場監測數據和典型路面結構為例,取路面板尺寸為5m×4.5m,板厚取24cm,彎拉模量取30 000MPa;基層采用水泥穩定碎石基層,厚度為20cm,彎拉模量取5 000MPa;地基反應模量取0.03MPa／mm,采用三維有限元計算程序EverFE2.24進行分析,并做如下假定:

(1)夜晚19點施工的路面板鋪筑后12h進行鋸縫,早晨7點施工的路面板鋪筑后8h鋸縫。

(2)混凝土早期彈性模量根據Mosley[4]等提出Ec與齡期t的關系式(1)可推算出如表1所示的混凝土彈性模量(混凝土28d齡期取30 000MPa)。

表1 混凝土早期齡期彈性模量Tab.1 Elastic modulus of concrete at early age

(3)水泥混凝土路面板早期齡期的強度增長狀況,由于對混凝土各個齡期的強度值進行量測過于復雜。因此,參考余宗明[5-6]提出的利用三次冪函數曲線來推斷混凝土早期強度,如下式所示

以下利用本研究試驗路實測的混凝土3d、7d、14d抗拉強度值,得到了425號普通硅酸鹽混凝土分別在40°C和30°C養生條件下的強度增長曲線,如式子(3)、(4)所示,以分別模擬早晨和傍晚施工時混凝土齡期強度的增長過程,并繪制了強度隨齡期的增長曲線,如圖3所示。

3.2 早期齡期階段開裂的影響

基層的剛度、厚度以及層間接觸界面特性是約束水泥混凝土路面板早期齡期變形的主要變量因素。因此,在分析上述各個參數的影響時,固定其中兩個參數而變化另一個參數,以探討基層對路面板早期齡期開裂的影響。

圖4顯示了固定基層模量為5 000MPa、基層厚度為20cm,三種典型層間接觸界面類型(直接加鋪路面、基層表面噴灑乳化瀝青封層、基層表面加鋪聚氯乙稀薄膜),路面板最大拉應力與路面板抗拉強度的對比關系。從圖中可以看出層間接觸界面特性對路面的早期齡期開裂影響顯著,層間結合越強,路面板產生的應力越大,層間接觸界面從完全光滑過渡到接近于完全粘結時,將顯著增大路面板發生早期開裂的概率,尤其對于早晨鋪筑的路面板。

圖5顯示了固定基層厚度為20cm,層間接觸界面為水泥穩定碎石類型,三種不同基層模量,路面板最大拉應力與路面板抗拉強度的對比關系。從圖中可以看出,路面板最大拉應力隨基層模量增大而增大,但增幅較小。

相比層間接觸界面特性和基層模量,基層厚度對路面板開裂影響很小,隨著基層厚度的增加,路面板最大拉應力變化很小,如圖6所示。

對比傍晚施工和早晨施工的路面板發現,傍晚施工路面板最易發生早期開裂的齡期為澆筑后的12～16h,此時,混凝土板受太陽輻射影響仍處于升溫階段,并在板內形成一個最大正溫度梯度;早晨施工路面板最易發生早期開裂的齡期為澆筑后的10～14h,此時,板內溫度達到最高后開始降溫,并在板內形成一個最大負溫度梯度。由于白天施工路面板凝結時的溫度要顯著大于傍晚施工的路面板,導致白天施工路面板內最大負溫度梯度值要顯著大于傍晚施工路面板內最大正溫度梯度值,因此,白天施工路面板的應力顯著大于傍晚施工路面板的應力。對比圖4結果可以看出,白天施工且層間結合較強的路面板,其最大拉應力已超過了混凝土的抗拉強度,導致路面板發生早期開裂,而夜晚施工的路面則沒有發生早期開裂。因此,應該嚴格控制白天施工的氣溫并采取有效的防治措施,并及時的進行養護。

4 防治早期開裂的措施

觸發因素和變量因素的共同作用易導致路面板發生早期齡期開裂,因此,應從兩個因素方面予以分別考慮。

4.1 避免高溫鋪筑

高溫鋪筑不僅會使路面板產生溫降收縮,還會使路面板產生翹曲變形,是導致路面早期齡期開裂的最主要觸發因素。避免高溫鋪筑的關鍵是,控制鋪筑路面板時的環境溫度。對于夏天鋪筑路面板來說,還應盡量避免上午施工,以防止混凝土水化熱與環境溫度發生“共振”,傍晚施工的路面板,其環境溫度也宜控制在35°C以內。

4.2 對基層表面進行減摩處理

引起水泥混凝土路面板早期齡期開裂的主導因素除干縮和溫縮外,約束條件是關鍵因素之一。也就是說,無約束或弱約束條件下,即使有較大的收縮量也不會引起開裂,這是減摩防裂的關鍵理論基礎。鑒于此,可采取對基層表面進行減摩處理或加鋪粘結阻隔層,以減弱或消除路面板與基層的粘結,常用的方法有:(1)在基層表面噴灑乳化瀝青。(2)在基層表面鋪設一層或兩層聚氯乙烯薄膜。(3)加鋪2～3cm瀝青混凝土粘結阻隔層,簡稱AC層。

4.3 施工措施

采用合理的施工措施也可以有效避免路面板發生早期開裂[7]。首先,應盡量保證基層表面的平整光滑,在鋪筑路面板之前進行灑水濕潤,在降低基層表面溫度的同時,減少基層對路面板底面水分的吸收,避免路面板底面發生失水收縮;其次,應及時的養護。從上述分析可知,路面板在凝結時會形成一個固有溫度,固有溫度的大小以及沿路面板的分布情況,決定了凝結過后溫度梯度值的大小。由于環境溫度對板頂的影響程度要顯著大于板底,因此,應及時在路表面鋪覆蓋物,并定時的灑水養護,避免路面板凝結是板內溫度過高,溫差過大。最后,應及時的鋸縫,且保證足夠的鋸縫深度,使得路面盡早在鋸縫處發生斷裂。

5 結論

1)導致路面板發生早期齡期開裂的影響因素可分為觸發因素和變量因素,而觸發因素和變量因素的組合,是導致路面板發生早期裂縫的主導原因。

2)白天鋪筑的路面板,其溫度梯度值要顯著大于夜晚鋪筑的路面板,路面板極易發生早期開裂,而夜晚鋪筑的路面板則不易開裂。

3)對比基層模量、厚度以及層間接觸界面特性對路面板早期開裂的影響發現:層間接觸界面狀態的影響最為顯著,直接加鋪的路面板發生早期開裂的概率明顯大于基層表面進行減摩處理的路面板;相比之下,基層的模量和厚度對其影響要小的多,但總的來看,增加基層的模量和厚度,增大了基層對路面板的支承約束,在一定程度上增大了路面板的溫度收縮應力和翹曲應力。

[1]劉偉.貧混凝土基層混凝土路面結構設計研究[D].西安:長安大學,2003.

[2]張洪波.水泥混凝土面層與貧混凝土基層界面特性研究[J].長沙交通學院學報,2005,21(4):27-31.

[3]朱夢良.水泥混凝土路面早期病害防止技術研究[J].長沙交通學院學報,1998,14(2):48-53.

[4]吳國雄.水泥混凝土路面開裂機理及破壞過程研究[D].成都:西南交通大學,2003.

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[6]余宗明.混凝土早期強度推算法及實用分析[J].低溫建筑技術,1996(2):6-9.

[7]胡昌斌.福建省重載交通水泥混凝土路面結構研究[R].福州:福州大學,2007.