水泥混凝土路面斷裂的形成和預防

張文海

(杜爾伯特蒙古族自治縣公路管理站)

近幾年隨著公路事業的不斷發展,公路網的不斷擴大農村公路不斷延伸水泥混凝土路面已成為主要形式,隨著水泥混凝土路面的不斷普及路面病害也不斷出現,這就要求我們要及早做出預防和措施。水泥混凝土路面破壞的過程是微小缺陷形成,逐漸形成裂縫貫通,即最后形成貫穿路面板的裂縫。這個過程大致可以分三個階段:第一個階段是初始損傷和初始裂縫的形成階段。第二階段是損傷的不均衡累積和裂縫有限度擴展的階段。第三階段是斷裂階段。

水泥混凝土路面破壞過程的影響因素:水泥混凝土的初損傷包括雜質、氣孔、孔隙和微裂縫等缺陷,對這些缺陷的數量、形態和分布狀態有影響的因素,都是水泥混凝土路面板初始損傷的影響因素。對混凝土中雜質及其有害生成物的形成和分布有影響的因素,包括骨料中的泥土、有機物、輕物質等有害物質的含量,和水的酸堿度及水中有害物質的含量。澆筑時的震搗質量,是影響混凝土排除空氣的重要因素。在震搗過程中,由于震動的作用,處于流塑狀態的混凝土混合料中會形成一系列的縫隙,這些縫隙構成了排除空氣的通道。影響孔隙形成的因素有五個:一是骨料的級配。二是水泥用量。三是攪拌質量。四是用水量。五是震搗質量。而影響混凝土內外濕度梯度的因素,主要是混凝土凝結過程中表面的濕度。不管是干縮裂縫還是冷縮裂縫,都是在應力大于強度的情況下產生的,而混凝土的徐變量與收縮量的之差和彈性模量決定應力的大小,所以混凝土的早期強度、彈性模量和徐變都是各種裂縫形成過程中的重要影響因素。

造成初始裂縫形成的因素:水泥混凝土路面板初始裂縫是在路面板的收縮受到基層制約后產生的應力大于水泥混凝土的強度所造成的,因此混凝土的收縮率和早期強度、路面板的長度、基層的阻力等對初始裂縫具有重要的影響。在凝結過程中路面混凝土的收縮變形主要是干縮變形。混凝土的早期強度既與材料構成有關,也與施工工藝有關。如果添加早強劑,或者采用真空吸水的施工工藝,混凝土的早期強度就會比較高。路面板的長度對板底的拉應力和板塊位移的影響是明顯的。

影響裂縫擴展的因素:裂縫擴展的條件,是荷載產生的應力強度因子大于裂縫尖端區域的穩定開裂韌度。所以,影響裂縫尖端應力強度因子大小和混凝土開裂韌度大小的因素,都是影響裂縫擴展的因素。

1 防止水泥混凝土路面斷裂的預防措施

水泥混凝土的抗裂措施,至少在必須下列 5個方面之一發揮積極作用:(1)減少混凝土的缺陷;(2)提高混凝土的韌度;(3)減少路面板收縮應力。

實際上,很多的工程措施并不是純粹在某一方面發生作用,而是同時在幾個方面發揮作用。有些措施在一些方面發揮了積極的作用,而在另一些卻有不利的影響,有些措施則在諸多方面都對混凝土路面抗裂有利。

2 減少混凝土的缺陷

減少缺陷,就是要減少混凝土中的雜質、氣孔、微孔隙和微裂縫,降低路面板的初始損傷度。按照規范的規定:選用材料是控制混凝土材料缺陷的根本措施。要減少氣孔,加強震搗是排除空氣的途徑。要減少孔隙,就要使骨料的級配更加密實,要保證不少于最低的水泥用量。采用添加減水劑等外加劑的辦法減少用水量,提高攪拌和震搗質量。為了減少混凝土中的水分,要盡可能采用真空吸水的施工工藝,減少干縮裂縫,保濕養護水泥混凝土表面。減少溫度收縮裂縫的關鍵在于減少混凝土的內外溫差,具體的辦法有三個:一是盡量避免在不利的溫度環境下施工,二是選用低水化熱的水泥,三是及時保溫。所以,加強水泥混凝土凝結期間的養護,是減少混凝土中微裂縫的重要措施。提高混凝土的早期抗拉強度,對減少裂縫非常有利。通常的做法是添加早強劑,另外采用真空吸水的施工工藝也有利于早期強度的形成。

3 提高混凝土的韌度降低初始度

增加有效的受力面積,是提高混凝土韌度的有效措施。除此之外,還可以利用鋼筋、纖維或聚合物等材料,改變混凝土的受力反應模式。鋼筋混凝土是常用的復合型建筑材料,纖維混凝土是以水泥漿、砂漿或混凝土為基體,以金屬材料、無機纖維或有機纖維增強材料組成的一種復合材料。目前用于混凝土的纖維有鋼纖維、有機纖維、無機纖維和合成纖維,而應用比較多的是鋼纖維和合成纖維。路面工程中應用最多的是鋼纖維混凝土。從宏觀角度考察,與普通混凝土相比,鋼纖維混凝土的抗壓強度提高了 5%～20%,彎拉強度提高了 20%～50%,抗拉強度提高了 20%～40%,收縮裂縫的總量減少了 50%左右,在沖擊荷載作用下的抗裂性能提高了 2～3倍。合成纖維是近年來逐漸被采用的纖維材料,合成纖維對改善混凝土的性能有很大的作用。

4 減小路面板的收縮應力路面板產生收縮應力的條件

一是板塊收縮變形,二是變形受到限制。對于板塊干縮變形的控制,就是對混凝土干縮的控制。板塊的冷縮變形取決于氣溫變化和混凝土的熱膨脹性能,工程措施對此影響很小。減少路面板變形的限制,一是要提高基層的平整度,減少路面板與基層之間的摩擦,二是要阻止過渡層的生成,如在基層上鋪設塑料薄膜等。減少路面板的收縮應力另一個重要措施,就是及時將已經產生的釋放。所以,把握好水泥混凝土路面的切縫時間非常重要。有資料表明水泥混凝土20年收縮量的 14%～34%發生在水泥混凝土的 14d齡期內,40%～80%發生在 3個月齡期內。因此,在路面板強度形成之初就要切縫以釋放收縮應力。切縫時間與水泥混凝土施工溫度、濕度等因素有關,一般規律為:當氣溫 20～30℃時,切縫時間在水泥混凝土澆筑后 3～10h為宜:當氣溫在 10～20℃時,切縫時間在水泥混凝土澆筑后 10～12h為宜。

5 減小路面板的荷載拉應力

路面板荷載拉應力的大小,取決于荷載的大小。汽車荷載是沖擊荷載,其大小不但與車輛輪胎對路面的靜止壓力有關,而且車-路的禍合程度有關。要減小輪胎對路面的靜止壓力,就要對車輛實行限載管理,禁止超載的車輛上路。要削弱車—路的禍合作用,分別從車和路兩方面采取措施。對于汽車方面要采取限速措施,降低車輛荷載的震動頻率;對于路方面,要提高路面的平整度,降低車輛的震動幅度。溫度荷載的大小既與路面板的溫度梯度有關,也與基層和路面板之物和水泥和水在一起攪拌時,聚合物和水泥水化物間就要產生離子鍵型的化學結合。除此之外,聚合物和無機化合物間還可以通過氫鍵和范得華鍵相互作用。聚合物發揮了減水的作用,聚合物能夠改善水泥混凝土的工作性,減少單位用水量,發揮類似于減水劑的作用,是因為聚合物顆粒在混凝土中減少了固體顆粒間的摩擦,改善了混凝土拌和料的流動性。因為聚合物對水化物的聯結和粘結作用,使混凝土韌度明顯提高。聚合物提高了混凝土的韌度,還可能與混凝土裂縫尖端的奇異性改變有關。所謂裂縫尖端的奇異性,是指在荷載的作用下,裂縫的尖端產生了應力劇烈集中的性質。當裂縫的尖端到達聚合物顆粒時,由于聚合物具有良好的柔韌性,能夠產生較大的變形,致使裂縫的尖端處材料的屈服范圍擴大,應力集中水平下降,提高了材料的斷裂韌度。

水泥混凝土路面抗裂措施的作用,就是消除或者削弱水泥混凝土路面開裂破壞過程中不利因素的影響。在歸納水泥混凝土路面開裂破壞的不利影響因素的基礎上,水泥混凝土路面抗裂措施必須具備減少混凝土的缺陷、提高混凝土的韌度、減少路面板的收縮應力、減少路面板的荷載應力的功能,并且闡述了目前工程中應用的抗裂措施的主要功能。一般情況下,水泥混凝土路面的破壞是疲勞開裂破壞,其破壞過程分成三個階段。首先是在澆筑和凝結過程中產生的初期損傷和開裂。由于水泥混凝土的材料和工藝特點,以及在凝結過程中的物理和化學反應,使路面板在凝結過程中形成大量的微小缺陷,構成初始的損傷場。并且由于路面板在凝結過程中的收縮受到基層的限制,板底形成了初始的裂縫。然后是使用期間荷載造成的損傷加劇和裂縫擴展,在荷載作用下,路面板發生了不均勻的損傷,板底裂縫尖端附近區域成為損傷最嚴重的部位,該區域的開裂韌度下降最快。隨著荷載次數的增加,裂縫尖端附近區域的損傷度不斷增大,韌度逐漸降低。當荷載在裂縫尖端造成的應力強度因子大于裂縫尖端附近區域的開裂韌度時,裂縫就擴展。裂縫的尖端向前移動到達新的位置后,新的附近區域以較高的韌度阻止裂縫繼續擴展,于是開始新一輪的損傷累積。最后是斷裂破壞階段,此時荷載在裂縫尖端造成的應力強度因子大于混凝土的失穩開裂韌度,裂縫的擴展不受限制,迅速貫穿整個路面板的厚度,使板塊斷裂。水泥混凝土路面就是遵循這樣的機理完成它的整個破壞過程的。

因此,我們在修建水泥混凝土路面時一定要遵循科學的施工工藝,方能保證公路的質量,為社會經濟創造更大的價值。