公路水泥混凝土路面裂縫分析

吳長飛

公路水泥混凝土路面裂縫分析

吳長飛

(巢湖市路橋公司,安徽巢湖 238000)

裂縫是公路水泥混凝土路面的常見病害,直接影響到公路的使用性能,已經引起廣大公路工程技術人員和科研人員的關注。應從實際觀測出發,對裂縫進行出現原因作細致科學的分析,并應積極進行防范。

公路;水泥混凝土路面;裂縫

巢湖市南郊水泥砼路面分為四個區段施工。各區段的路面結構相同:厚度20厘米,寬度7米,分兩幅澆筑,版塊長5米,每25米設一道壓縫,其他為切縫;砼設計抗壓強度30MPa,抗折強度4.5 MPa,路面外側設有邊緣鋼筋?；鶎訛槭曳€定土,總厚25厘米,分兩層鋪裝,底基層石灰劑量10%,厚13厘米,基層石灰劑量12%,厚12厘米。

1 裂縫觀測

1.1 裂縫出現的時間和位置

路面澆筑后24小時內出現的裂縫稱為早期裂縫,把以后出現的裂縫統稱為晚期裂縫。為了避免無規則裂縫的出現,在施工中每25米設置一道壓入縫(又稱誘導縫),把早期干縮裂縫誘導在該斷面,次日即有開裂,這種裂縫對路面質量并無影響,故不在討論范圍之列。在其他位置也出現部分無規則的裂縫,以第四區段為例,這種早期裂縫計10條,占總數的40%。出現的位置大多數在距壓入縫(4～6)米和(9～10)米處。次日切縫后開始濕沙養生,10天后養生結束,此間又出現五條裂縫。齡期30天時觀察,新出現4條,60天時觀察新出現6條,合計晚期裂縫共15條,占總數60%。這種晚期裂縫大多數出現在距切縫一米之內。出現裂縫(包括早期和晚期)的版塊數占總版塊數的0.8%。它們分布于左右兩幅之內且互不銜接。

1.2 裂縫的形成和發展

無論誘導縫還是任意縫都有其形成和發展的過程。開始時是在某一處出現一條深度較淺、長度較短且非常細微的裂縫,如不仔細觀察是難于發現的。雖然細微,一旦出現之后,惡劣的環境很快使這段微裂縫向路面版的內部縱深發展,逐漸加深、加長、增寬,最后變成貫通整塊路面版寬度和深度的裂縫。據第四區段工地觀察,貫通整塊路面版寬度的計16條,半通裂縫9條(位于路面版左側、中間、右側的均有,且長短不等)。這些半道裂縫絕大多數是晚期裂縫,它從某處開始,直到與切縫或壓縫相連通為止。只有個別半通裂縫并未與切縫或壓縫相連通,而是發展到一定程度而停止。

1.3 路面溫度觀測

水泥砼拌合料從加水拌合開始到壓紋結束約經兩個小時,從此開始觀測路面版的表面溫度和底面溫度,連續三個晝夜,每隔一小時記錄一次。通過兩次觀測,情況大體相同。表面溫度晝夜變化和氣溫相同,底面變化規律也與氣溫變化大體相同。但因砼是熱的不良導體,底面溫度落后于氣溫兩小時,另一方面,表面溫度變化幅度較大,而底面溫度變化較為緩和,對短時間的氣溫變化反應遲鈍。一般來說,一天之內氣溫高峰在14時,表面溫度比底面高出(8～9)℃;氣溫最低時在早晨6點,底面溫度比表面高出(7～8)℃。如果天氣晴朗,這種溫差超過12℃。這一觀測結果是符合常規的。特別是從拌合開始,在8～11小時以內,雖表面溫度和底面溫度都處于下降階段,但底面溫度在降到一定程度后卻不再下降,并稍有回升,這是由于水泥顆粒二次水化而放出大量水化熱所致。

1.4 鉆芯觀察

在齡期30天以后進行了鉆芯檢查。鉆頭對準裂縫取芯,共計四塊,容重在2.28g/cm3～2.364g/cm3之間,平均2.332g/cm3;在完好部位取芯共16塊,容重2.303g/cm3～2.485g/cm3之間,平均2.396g/cm3,由此看出裂縫處取的鉆芯容重一般比較小。從外觀觀察:裂縫處取的鉆芯有兩塊的砂漿本身不均勻,有一塊砂石料分布不均勻,一塊則比較正常。而完好部位取的鉆芯一般比較良好。自上而下裂縫的走向也不盡相同,在四塊鉆芯中有兩塊裂縫是豎直的,有兩塊是傾斜的,其傾斜方向與施工前進方向相同。

2 水泥砼路面版內力分析[1]

水泥砼混合料加水之后,水泥進行水化,其時間并不長且水化進程減慢,幾小時之后才出現第二次水化高峰。水化作用是一個復雜的物理化學變化過程,與此同時外部形態也發生變化:可塑狀態——凝結——固化——強度增長。伴隨發生的還有化學收縮、失水干縮、由水化熱造成的內外溫差而使表面先行收縮。這些現象的綜合作用使砼內部產生應力。但這些不意味著水泥砼路面版必然要發生裂縫,是否發生裂縫要看路面版內部各種力量的對比情況。水泥砼路面做為一個薄板構造又有不同于其他塊件的性質。

水泥砼的抗拉強度隨齡期而增長,通常情況下抗拉強度的增長在高度方向是均勻的。路面版直接鋪筑在基層上,當路面版收縮時,基層對路面版底面的位移起著約束作用,間接地增大了路面版的抗拉強度。但這種影響隨著與底面距離的增大而減小,作為不太厚的路面版來說,這種影響可能涉及到頂面,其數值大小和基層狀況有關。水泥砼在化學收縮、失水干縮、降溫收縮等綜合作用下使路面版內部在某一斷面處產生拉應力,其大小和諸多因素有關,一般來說,其數值由頂面向底面逐漸減小。路面版是否出現裂縫不僅在于拉應力的大小,而且還與其抗拉強度有關。如果實際拉應力小于抗拉強度,裂縫不會出現。

3 裂縫原因分析

3.1 施工操作粗糙

從鉆芯可以看出:①混合料拌合不均勻會造成路面版內強度薄弱區,裂縫的產生即從此開始。第三區段拌合比較均勻,出現的裂縫就較少。②振搗不密實,蜂窩比較多。從裂縫處鉆芯容重較低可以證實。③對兩車料相接處振搗時沒有給以特別注意,因而形成一個強度薄弱的橫斷面。從裂縫的傾斜方向及裂縫擺動幅度與攤鋪情況相一致可以說明。④路面厚度不均勻,致使路面版強度不均勻。如路面薄厚不一的區段裂縫較多。⑤裂縫的多少與勞力配備,工人素質及其責任心也有很大關系。

3.2 路基和基層的影響

受路基基層的影響可以從幾個方面來說。①反射作用。某些特殊的土質對溫、濕度反應非常敏感,極易使路基產生裂縫,在摩阻力的作用下,帶動路面基層和面層也開裂,是路面版產生裂縫的原因之一,底面首先開裂,延伸到頂面,裂縫則上下同寬。②路面基層強度的不均勻性會使路面版形成裂縫。如四區段有一涵洞動工較晚,影響了灰土基層的工期,灰土基層完成第三天即澆注路面,結果在兩段灰土基層接茬處澆注后的第二天,路面版即出現一條裂縫。而在澆注第二幅時已時隔多日亦未出現裂縫。另外在基層施工時如采用分段人工翻拌,在兩段交界處往往造成一個基層強度薄弱的橫斷面,從而產生貫通兩幅三幅甚至整個路面寬度的裂縫。這種裂縫一般都出現在早期。③關于路面基層和路面版底面之間摩阻力的問題。如上所述,這種摩阻力的存在增加了路面版內的抗拉強度,對阻止裂縫的產生起著一定的積極作用,另一方面,路面投入使用之后,溫差的實際存在要求每塊路面版能夠自由伸縮,而摩阻力卻防礙了路面版自由伸縮,因此在強度薄弱處就會把路面版拉裂。這又是晚期裂縫出現的原因之一。

3.3 溫度和濕度的影響

溫度觀測表明,正常天氣白天路面版的頂面溫度高于底面,晚間相反。這種溫差的存在使路面版內部產生很大應力。這種應力引起路面版白天中心部位向上拱起,夜間則周邊向上翹曲。可是由于路面版的自重和四周的嵌制作用約束了這種趨勢,這就使路面版頂面晚間受到拉力,底面白天受到拉力。溫差越大,產生的這種拉力亦越大,當拉應力大于抗拉強度時即產生裂縫。對于初具抗拉強度的路面版更是一個嚴峻的考驗,特別是水泥顆粒二次水化放出大量水化熱的期間,正處于頂面降溫底面升溫的時刻,更加大了頂面和底面的溫差。有些國家如英國和日本,為了在此期間防止日光直射和迅速失水,都采取在路面版上搭設移動式帳蓬的措施。英國提出高溫時刻施工時在拌合水中加入碎冰以降低施工時混合料溫度。法國規定在氣溫大于30℃,濕度小于40%時不得施工。西德為防止夜晚冷空氣的襲擊使頂面變冷,則要求有覆蓋物保溫。這一切措施都是為了避免早期裂縫的發生。

3.4 養護方法不適當

水泥是一種水硬性無機結合料,只有在高濕情況下強度才能正常增長,很好的養生特別是整型完畢至硬化期間的早期養生甚為重要。目前有兩種方法:①用HD10養護劑即薄膜養生方法,②古老的濕沙養生方法。從目前來看,用薄膜養生并不一定很好,用此法養生強度一般要下降(10～15)%,要保證要求的強度,勢必要加大水泥用量。另一方面,在施工中很難保證薄膜不受破壞,一旦受損,就會迅速失水,直接影響強度的增長和最終強度,并招致早期裂縫的發生。從實踐看,四個施工區段中,一、二區段均采用薄膜養生,出現的裂縫就多。而三、四區段在水泥終凝后立即暫用塑料布覆蓋保持一定濕度,待次日切縫后變為濕沙養生。濕沙養生不僅能保持濕度,而且對于減小晝夜溫差也有一定作用。

3.5 其他原因

路面溫度觀測表明,水泥大量放出水化熱的時間是在加水拌合后8小時開始,持續時間為2.5～3個小時。這個時間正是氣溫下降的時間,路面版頂面變冷使內部產生很大溫度應力,所以應選擇低水化熱、早強型水泥。

4 防止和減少裂縫的幾點建議

(1)按照施工規范[2]要求選用合格的原材料[3];

(2)拌合要均勻,做到不合乎要求不出料。振搗要密實,特別注意兩車料的銜接部位;

(3)避免夏季高溫時間施工。對基層注意灑水濕潤,但不能有積水和泥濘;

(4)基層要平整,強度要均勻,特別是在兩個施工段相接部位。灰土基層要養護到一定時間后才澆筑路面;

(5)在不影響路面質量前提下盡量提早切縫;

(6)加強養生工作:養生期間不準任何車輛行駛。盡可能采用濕沙養生方法,在無法采取其他措施時,終凝至切縫期間,宜用塑料布覆蓋以保持應有的濕度;

(7)加強政治思想工作,使全體施工人員牢固樹立質量觀念。

[1] 尚小江,邱峰,趙海峰,等.Ansys結構有限元高級分析方法與范例應用[M].北京:中國水利水電出版社,2000.

[2] 中華人民共和國行業標準.J TG F30-2003公路水泥混凝土路面施工技術規范[S].北京:人民交通出版社,2003.

[3] 郝文化.Ansys土木工程應用實例[M].北京:中國水利水電出版社,2005.

責任編輯:文 月

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吳長飛(19742),男,安徽巢湖人,安徽省巢湖市路橋公司工程師。研究方向:路橋工程技術。