小議水泥路面開裂過程及防治措施

摘要:水泥混凝土路面具有承載能力大、穩定性好、使用壽命長和日常養護費用低等優點。因此，省、市農村公路建設管理機構要求在農村四級公路中采用水泥混凝土作為面層，這種要求符合農村實際情況和道路所處的環境，普遍受到群眾的歡迎。但是，水泥混凝土路面的優點都是以工程質量達到設計要求為前提的。工程標準低、存在質量隱患，將會減少路面使用壽命，甚至會出現前修后壞的惡果，不僅造成很大的經濟損失，而且會在社會上，尤其是在群眾中帶來不良的社會影響。針對當前農村公路水泥路建設過程中出現的斷板現象，本文通過大量工程實踐和裂斷過程試驗，根據溫度應力不超過混凝土早齡期強度的原理，提出用板溫控制確定鋸縫時機的方法，對水泥路面防裂斷方法進行了有益的探討。

關鍵詞:水泥路面 裂斷 機理 防治

混凝土路面開裂的主因有:收縮開裂，包括冷縮和干縮;動荷載(車輛荷載)作用下的疲勞破壞而開裂。其中疲勞破壞除車輛荷載作用外，也與板體內收縮拉應力有關。因此，要防止開裂，關鍵在于降低混凝土拉應力。

一、水泥混凝土路面斷裂形成過程

水泥混凝土路面破壞的過程是微小缺陷形成、開始而逐漸擴展，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。在路面板混凝土攪拌、澆筑和成型養護過程中形成的微空隙。微裂縫即路面板的初始損傷。這個初始損傷決定了路面板在荷載作用下進一步擴展的臨界條件，即損傷應力的門檻值。路面板在凝結過程中產生了板底的初始裂縫。初始裂縫的產生導致路面板在荷載的作用下出現應力集中，使裂縫尖端附近的區域成為損傷最嚴重的區域。這一階段是水泥混凝土路面板使用壽命前的階段，是破壞過程的初始階段。

第二階段是損傷的不均衡累積和裂縫有限度擴展的階段。由于在投入使用前，路面板底部已經出現裂縫，所以在荷載的作用下，裂縫尖端附近區域產生應力集中的現象，根據混凝土的損傷演變規律，裂縫尖端附近區域是損傷最嚴重的區域，也就是說，在裂縫尖端附近的區域中，微小裂縫萌生、擴展、匯聚最快，承受應力的有效面積減少得最快，因而開裂韌度也下降得最快。經過荷載的反復作用，裂縫尖端附近區域損傷不斷積累，成為開裂韌度最低的部位。當某一荷載在裂縫尖端產生的應力強度因子大于裂縫尖端附近區域的開裂韌度時，裂縫就與嚴重損傷區域中的微小裂縫貫通而擴展，從而穿越了導致嚴重損傷區域，裂縫尖端到達新的位置。由于新的裂縫尖端附近的區域損傷度比較小，開裂韌度大于荷載造成的應力強度因子，所以裂縫停止擴展。新的裂縫尖端附近成為了又一階段損傷最嚴重的區域，在荷載的反復作用下，開始了新一輪的損傷累積和裂縫擴展。上述過程不斷反復進行，裂縫不斷地加深。

第三階段是斷裂階段。當某一荷載的在裂縫尖端產生的應力強度因子大于裂縫尖端附近區域的開裂韌度，裂縫穿越嚴重損傷的區域，尖端到達新的位置，此時，新的裂縫尖端應力強度因子仍然大于新的尖端附近區域的開裂韌度，所以裂縫繼續擴展，無須經過新一輪的損傷累積。由于新的裂縫尖端附近區域的混凝土沒能組織裂縫繼續擴展，所以裂縫就迅速貫穿路面板的整個厚度，使板塊徹底斷裂破壞。這一階段是水泥混凝土破壞過程的最后一刻，是最短暫的階段。根據混凝土斷裂力學的雙K準則，混凝土路面板斷裂時，裂縫尖端的應力強度因子已經大于混凝土的失穩開裂韌度。

二、水泥砼路面收縮開裂機理

在強限制條件下，砼收縮變形會引起內部很大的彈性拉應力，此應力隨著砼彈性模量的增大和收縮量的增加而增大，收縮徐變作用一定程度上可以減少此種應力，但徐變松弛后的拉應力增長超過砼抗拉強度時，砼路面就會開裂。由此可以得出控制砼路面開裂的主要條件為:砼自身冷縮和干縮，水泥砼路面面層與基層間強大的限制條件。

三、水泥砼路面防裂技術

防止水泥砼路面開裂的兩個途徑:降低砼收縮量;減輕層間限制，將強限制轉化為弱限制。這兩種途徑均能大幅降低砼路面板內的收縮拉應力，防止路面開裂。

1、膨脹補償收縮技術該項技術在許多工程項目中被采用，主要用于砼的防裂、自應力、防水、防滲等，在路面工程中運用還很少，但其作用原理是一致的，形象地說就是用“膨脹”來“補償或抵消”砼的“收縮”。這主要靠膨脹水泥和膨脹劑來實現，目前市場上有許多產品可供選用。

2、層間減摩方法消除層間粘結剪應力的方法很多，如涂油、墊砂、鋪油氈等。層間鋪砂的辦法在規范修訂時予以取消了，主要原因在于:麻煩、費時費力;面層砼澆注時漏漿，砂與砼融為一體，靠砂隔離的設想難以實現。鋪油氈可以完全隔離，但油氈厚度太大，影響面層與基層的結合，對荷載傳遞或協同受力不利，且費用高，不宜于大面積推廣。通過對比，我們推薦采用塑料薄膜隔離的方法，施工簡便，既起隔離作用，又不影響層間傳力效果，價格也便宜。此法已在國內多個工程中采用，效果良好。

3路面鋸縫時機的確定

施工階段溫度應力大于砼抗拉強度時就可能發生施工斷板。分析砼凝固過程中的抗拉強度，與溫度應力對比，判斷發生斷板的條件，最后用溫度確定鋸縫時機。

1）砼板凝固階段的溫度特性和一般材料一樣，水泥砼具有熱脹冷縮性能，砼板塊的熱脹冷縮都是在相鄰部分或整體性限制條件下發生的，故熱脹屬于變形壓縮，而冷縮則屬于拉伸變形很容易開裂。水泥的水化過程是一個放熱過程。在砼硬化過程中釋放大量熱能，致使溫度上升，在通常溫度范圍內，砼溫度上升1℃，每m膨脹0.01mm。這種溫度變形對大面積板塊極為不利。在水化熱、氣溫和日光輻射的作用下，板溫隨澆筑時間不同在不同時刻出現峰值和谷值。以砼澆筑時間為0計，對于525水泥來說，0～6小時、12～20小時為升溫過程，6～12小時為降溫過程。這是一個具有規律性的現象。如果暫不考慮翹曲應力和脹縮應力，6～12小時砼板處于降溫收縮狀態，容易發生裂縫。

2）砼板凝固階段的強度特性資料表明，砼早齡期強度以10～12小時增長最為緩慢，抗裂能力的增長也最慢。由早齡期砼抗拉彈性模量的增長規律并對比上下午澆筑的砼抗拉彈性模量，下午澆筑的砼處于降溫區間，模量值比上午低，在第10小時低2倍以上，對降低砼的溫度應力有利，這一點回答了施工單位普遍反映的上午澆筑砼為什么容易發生施工斷板的問題。

3）砼板的合理鋸縫時機綜上所述，可以認為第10小時是容易發生斷板的控制時間。而容易斷板的季節是在板內溫度梯度較大的熱季，因此編制出熱季每天24小時氣溫與平均板溫之間的典型關系，求出氣溫與板溫的平均差值。利用氣溫變化曲線的規律性，根據當日預報的氣溫和澆筑水泥砼的時間，推出第10小時的板溫作為控制鋸縫的溫度，從而求出鋸縫時機。原則是:求出第10小時板溫后，如果板溫有繼續升高的趨勢，則溫差還要增大，需要立即把砼板鋸開;如果板溫在下降，則溫差不會再增大，只要在次日再次升高為第10小時的板溫之前鋸開砼板即可。

4）具體防治方法①由日氣象預報預測施工開始時的氣溫T(t);②預測終凝時的板溫。預測板溫等于預測氣溫加上板溫與氣溫的差。終凝時間一般不超過12小時。③將實測開始澆筑砼的溫度T與第12小時的預測板溫連線，求第10小時的板溫為鋸縫控制溫度，從而求出合理鋸縫時機。④上午澆筑的板當天鋸縫，下午澆筑的板次日清晨鋸縫，這是施工單位的常規做法。本文進行的定量分析從理論上說明了這種做法是合理的。以上提出的方法建立在溫度應力不大于砼強度的理論上，由此方法推出的鋸縫時機控制在砼澆筑后第10小時，這對早齡期強度增長較快的水泥是可以的，對強度增長較慢的水泥，鋸縫時可能因砼強度不夠而打壞縫槽邊緣，需在施工中注意。從保證及時鋸縫的角度，還是使用早期強度增長較快的水泥為好。

施工階段的溫度應力超過路面水泥混凝土強度是發生斷板的根本原因。正確選擇鋸縫時機是防止斷板的根本措施。本文根據溫度應力不超過混凝土早齡期強度的原理，提出的用板溫控制并求出鋸縫時機的方法，簡便易行，便于施工單位掌握。