水泥混凝土路面早期裂縫原因及防治研究

肖冠成 張東長

(1.重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074;2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400074)

1 工程概述

該高速公路在廣東段采用雙向六車道高速公路標準，設計速度為100 km/h。考慮到車流量較大，路面需承受重載交通，主線及樞紐互通匝道采用復合式路面結構:7 cm SBS 改性瀝青混凝土面層，高粘度改性瀝青防水粘結層(同步碎石封層)，乳化瀝青透層，30 cm C40 水泥混凝土基層，一布一膜復合土工膜隔離層，22 cm 水泥穩定級配碎石底基層，20 cm 級配碎石墊層。

1.1 地形地貌

本項目沿線區域位于廣東省西北部的南嶺山脈南緣，沿線地形起伏較小，相對高差在20 m～40 m 之間，海拔高程為50 m～152 m，相對高程不大。在發生開裂斷板的路段中，有部分路段經過水稻種植區，由于路基濕軟，所以施工時采用換填方案。

1.2 氣溫

本項目位于北回歸線的北側，屬亞熱帶季風性濕潤氣候;累年平均溫度20.8 ℃，極端最高氣溫39.9 ℃，極端最低氣溫-6.9 ℃;夏長冬短，累年平均總日照時數1 828.1 h，氣溫適宜。

1.3 降水

該地區年均降水量為1 785.4 mm，多年平均年降雨天數在180 d 以上，且多集中在4 月～9 月，雨季常有山洪爆發，山區氣候多變，有短時陣雨、暴雨，有霜凍、結冰與積雪。

2 混凝土板裂縫產生原因及防治措施

開裂段混凝土板主體于4 月施工，此前路基、墊層、底基層施工情況良好，平整度、壓實度等各項技術指標均達到設計要求［1］。養護期間對路面進行巡查，發現板與板之間沿切縫裂開的程度不均勻，但未發現板體有開裂現象。7 月初對路面進行普查時，發現部分板體出現裂縫甚至斷板。裂縫長寬深淺不一，且以縱向裂縫居多，開裂位置多位于拉桿或傳力桿附近。混凝土板形成裂縫的原因很多，有些裂縫是多種原因共同作用的結果，有些裂縫是單一因素作用的結果。為此，對可能引起混凝土板開裂原因進行分析排查，并有針對性地實施了一系列預防措施。

2.1 路面土基或底基層的原因

為查明開裂、斷板原因，對部分開裂混凝土板進行鉆芯檢測，對部分斷板嚴重的板體進行破板觀察，如圖1，圖2 所示。結果表明:芯樣裂縫貫通整個水泥板厚度，但半剛性底基層表面平整，未見開裂、沉降等不良現象。同時，對無破損的芯樣進行劈裂試驗，折算平均抗彎拉強度為5.99 MPa，符合設計要求。由此可見，底基層及路基施工質量良好，不是導致混凝土板開裂的主要原因。

路基直接影響到路面結構的穩定性，而路面底基層作為次要承重層，均應保證其強度的均勻性、穩定性及表面的平整度。如軟土基未做好加固處理，板下的基礎易產生不均勻沉降，使混凝土板與底基層脫空，混凝土板的裂縫也將隨之產生。本項目有部分土基采用換填方案，換填土基的壓實度、彎沉均符合設計要求;選擇良好的基層填筑材料也是防止裂縫的常用措施之一［2］。本項目中水泥穩定級配碎石底基層剛度大、整體性強、穩定性好，能為混凝土板提供良好的支撐，從而有效地避免了因底基層強度不足而引發的反射裂縫。施工中應嚴格控制半剛性底基層混合料的生產、拌和、攤鋪、碾壓和修整工藝，并及時灑水養生，防止底基層出現早期裂縫;為防止因底基層不平整等原因產生的反射裂縫，規定在底基層上鋪設一布一膜滑動層，以減小層間摩阻力，有利于板體縮脹時自由伸縮。施工時應保證其平整度、搭接長度、固定強度符合設計要求。

圖1 混凝土板開裂處芯樣

圖2 斷板處底基層外觀

2.2 氣候原因

不利氣候是引發許多路面病害的主要因素之一。日夜溫差大、施工養護溫度高、氣溫突變都可能引發混凝土板開裂。混凝土導熱性不佳，日照使板頂升溫幅度大于板底，致使混凝土板中部產生上拱變形。夜晚溫度降低，混凝土表面溫度快速散失，板頂面溫度低于底面溫度，致使板體的邊緣翹起。當變形受到底基層或其周圍混凝土約束而產生過大拉應力時，板體就被拉裂而產生裂縫［3］。其次，當混凝土養護期結束后，如遇夏季暴曬高溫，混凝土板表面因將迅速失水而產生干縮變形，當變形受板體下部混凝土制約時，將產生拉應力拉裂混凝土。此外，當天氣變化導致氣溫突變時，混凝土板因內外溫度變化不一致而形成溫度梯度，如溫度應力過大將拉裂混凝土板［4］。項目開裂標段所在地多為山嶺，白天日照充足，夜晚降溫快，日夜溫差較大。且施工中常見短時陣雨、暴雨，以上原因均可能使混凝土板內外形成溫度梯度，進而產生微裂縫，長此以往將形成較嚴重的裂縫。針對以上情況，結合實際施工條件采取以下措施予以預防:1)配合比設計階段合理選擇水灰比，施工階段嚴格控制水灰比。水灰比過大，混凝土中游離水過多，水分蒸發后會引起較大干縮且影響混凝土強度。同時，適當降低水泥用量，必要時摻加適量減水劑改善施工效果。2)選擇科學合理的養生方式，混凝土板鋪筑完成后應立即開始養生，保持適宜的溫濕條件，并適當延長養生時間。本項目中開裂段混凝土板先噴灑養生劑，然后加蓋塑料薄膜進行保濕養護。夏季施工期間，考慮到塑料薄膜防暴曬隔熱效果較差，改用灑水加鋪土工布再覆蓋塑料薄膜的方法進行養生。在養生期內，應定期檢查，保證混凝土表面土工布和養生膜覆蓋良好，減輕混凝土受高溫、突變溫差、濕度變化等不利條件的影響，從而防止混凝土板因內外縮脹不一而產生裂縫，為水泥水化作用提供良好的環境，形成足夠的抗裂強度。3)澆筑前應保持底基層頂面充分濕潤，防止底基層吸水過多而產生干縮裂縫［5］。4)施工中要經常注意天氣變化，盡量減小氣候突變帶來的不利影響。如忽然遭遇暴雨或氣溫驟變等情況需中斷施工時，應盡快切縫以釋放收縮應力，并進行土工布、塑料薄膜覆蓋養生。5)如在夏季施工，為避免溫縮或干縮裂縫，需特別注意控制施工溫度和防止混凝土失水過快。首先，施工應盡可能避開高溫、暴曬、大風等不利條件，攤鋪溫度不宜超過35 ℃，早晨、傍晚和夜間溫度較低，是夏季施工的最佳時段。其次，需控制混凝土的拌合溫度，對砂石料堆進行遮陽覆蓋，防止太陽暴曬升溫。本項目中為防止石料、水泥拌合溫度過高影響混凝土質量，采用循環制冷系統對拌合水進行制冷，降低混凝土拌合溫度。最后，運輸混凝土的料車應用篷布嚴實遮擋，避免陽光直射引起混合料水分損失過大。

2.3 施工工藝原因

2.3.1 切縫不及時或深度不足

切縫的主要作用是釋放混凝土板收縮應力，從而避免混凝土板在其他地方產生不規則裂縫。切縫不及時、切縫深度不足、切縫間距過長都可能造成混凝土內應力集中，在混凝土板薄弱處形成不規則裂縫。對開裂段混凝土板切縫進行調查，發現切縫深度普遍為4 cm～6 cm，未達到設計標準，嚴重地影響了收縮應力的釋放。因此采取以下措施，對切縫“時間、深度、間距”三要素嚴格把關。

1)施工中應把握好混凝土在實時溫度、濕度、風力環境下的強度增長規律，結合現場情況準確判斷出最佳切縫時間。施工中常以“溫度、小時”控制切縫時間，即以水泥混凝土澆筑后的時間與溫度的乘積作為控制參數，切割時間一般控制在200 ℃·h 左右［6］。切縫太早易造成切縫缺邊掉角，太遲則易引起開裂、斷板。夏季施工溫度高，應密切關注混凝土板凝結程度，應在不啃邊的前提下盡早切縫，防止應力集中而產生開裂、斷板。

2)按規范要求，設傳力桿的切縫深度應控制在1/3～1/4 板厚，且最淺不小于7 cm［7］。如切縫深度太淺，切縫處水泥混凝土殘留強度過大，切縫處將無法正常開裂，收縮應力無法在切縫處得到釋放，混凝土板體將被拉裂。《廣東省水泥混凝土路面施工技術指南》要求切縫深度為板厚的1/3～2/5。本項目混凝土板厚為30 cm，所以切縫深度應達到10 cm～12 cm，而實際測量平均值為4 cm～6 cm，嚴重不達標。因此，此次路面開裂防治措施，應以此為整治重點之一，加強施工管理，保證足夠的切縫深度。

3)適當的切縫間距和合理的切縫方式能保證混凝土板收縮應力在切縫處得到充分釋放，避免應力集中引發板體開裂。除轉彎、加寬等特殊路段，一般直線段混凝土板應為規則的矩形板，縱縫、橫縫應分別與道路中線平行和垂直，且不同行車道之間橫縫應一致對齊。普通混凝土板縱縫寬一般與行車道和硬路肩寬相對應，規范規定為3 m～4.5 m。普通混凝土板橫縫寬一般為4.5 m～6 m，且規定板面積不超過25 m2，板寬和板長的比例應控制在1∶1.35 以內，板最小邊長應不小于1.5 m［8］。

2.3.2 混凝土板強度均勻性差

施工中保證混凝土強度的均勻性對預防混凝土板開裂等災害至關重要。巡查過程中發現混凝土料稠度不均勻，可能致使混凝土板強度形成不均勻，板體各部位的收縮差異大，易在強度薄弱處或細料集中處產生收縮裂縫。施工中的各環節是緊密聯系在一起的，應加強各部門的質量意識，保證各工序的施工質量。

拌和站拌制混凝土時，各材料摻量控制不嚴，生產配合比產生過大偏差，將導致稠度不達標或不均，為裂縫的產生創造了有利條件。用水過少或砂率過大將導致混凝土料稠度偏大，混凝土和易性差，不易拌合、搗實，混凝土板強度不均勻，容易在強度較弱處產生裂縫;用水量過多將使混凝土料稠度偏小，輕則在集料周圍形成過厚的水膜，影響混凝土強度的形成，重則引發嚴重的離析、泌水現象，而混凝土板將因強度低不足以抵抗收縮應力或混合料離析致使表面收縮應力過大而開裂;此外，不同稠度混凝土結合處強度形成不均勻，可能會因收縮不一致而產生裂縫。因此，為預防裂縫產生，應做好以下3 點確保混凝土稠度保持在正常范圍內:1)施工中應準確計量粗細骨料，嚴格控制好砂率、集漿比和水灰比，施工方不得隨意調整用水量，而應根據集料中的含水量確定最佳用水量。2)攤鋪過程中應嚴格監控混凝土料稠度，在拌合樓和施工現場定時測試坍落度，如坍落度不符合要求，應予以及時調整。3)及時跟進攤鋪機施工進度，如發現滑膜攤鋪機攤鋪過程中經常出現大范圍塌邊或者較多浮漿時，應及時找出原因并予以解決。

2.3.3 拉桿安插不當

本項目中混凝土板采用滑膜攤鋪機和三滾軸攤鋪機鋪筑，拉桿采用人工安插，插入深度和水平度很難精確控制。混凝土攤鋪時發現部分拉桿插入水平參差不齊，拉桿間距、水平度不滿足規范要求。對路面裂縫進行巡查時發現大多裂縫位于切縫周圍，桿件的施工質量不佳很可能引起混凝土板受力不均，成為引發板體開裂的潛在因素之一。因此，需對拉桿的安裝質量予以嚴格控制，要求操作人員嚴格按照規定操作，拉桿應設在板厚中央，并保證拉桿插入長度、間距和水平度滿足規范要求。如發現拉桿安插精確度不符合規范要求或漏插，應鉆孔補插。

3 結語

重載條件下的復合式路面，應特別重視面層混凝土板開裂問題。首先，應做好原材料檢測以及路基、基層、混凝土板的施工和養護工作，以積極預防為主。其次，當混凝土板發生開裂、斷板時，應及時、準確地查明開裂原因，為后期施工提供指導性建議。調查開裂原因時，應結合當地水文、氣候、地質條件，對開裂板塊進行詳細勘察，對可能引起混凝土板開裂的原因逐一分析排查，并針對性地提出有效的預防措施。充分保證混凝土板的施工質量，是延緩反射裂縫的有效措施之一，從而提高復合式路面的使用品質。

［1］JTG F80/1-2004，公路工程質量評定標準［S］.

［2］劉理生.水泥混凝土路面裂縫原因分析及預防措施分析［J］.中國科技博覽，2012(25) :61.

［3］楊 軍.水泥混凝土路面裂縫產生的原因及預防措施［J］.價值工程，2012(33) :67-68.

［4］葉 龍.公路橋梁混凝土開裂的成因分析［J］.中國新技術新產品，2012(5) :52-53.

［5］鄭樹庭，楊月萍.水泥混凝土路面裂縫產生原因及防治措施［J］.內蒙古公路與運輸，2012(5) :13-15.

［6］馬 強.水泥混凝土路面裂縫產生原因及處治技術［J］.公路交通科技(應用技術版)，2012(8) :115-117.

［7］JTG F30-2003，公路水泥混凝土路面施工技術規范［S］.

［8］JTG D40-2011，公路水泥混凝土路面設計規范［S］.