吳長(zhǎng)飛

公路水泥混凝土路面裂縫分析

吳長(zhǎng)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(jiàn)病害,直接影響到公路的使用性能,已經(jīng)引起廣大公路工程技術(shù)人員和科研人員的關(guān)注。應(yīng)從實(shí)際觀測(cè)出發(fā),對(duì)裂縫進(jìn)行出現(xiàn)原因作細(xì)致科學(xué)的分析,并應(yīng)積極進(jìn)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(gè)區(qū)段施工。各區(qū)段的路面結(jié)構(gòu)相同:厚度20厘米,寬度7米,分兩幅澆筑,版塊長(zhǎng)5米,每25米設(shè)一道壓縫,其他為切縫;砼設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度30MPa,抗折強(qiáng)度4.5 MPa,路面外側(cè)設(shè)有邊緣鋼筋?；鶎訛槭曳€(wěn)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(cè)

1.1 裂縫出現(xiàn)的時(shí)間和位置

路面澆筑后24小時(shí)內(nèi)出現(xiàn)的裂縫稱為早期裂縫,把以后出現(xiàn)的裂縫統(tǒng)稱為晚期裂縫。為了避免無(wú)規(guī)則裂縫的出現(xiàn),在施工中每25米設(shè)置一道壓入縫(又稱誘導(dǎo)縫),把早期干縮裂縫誘導(dǎo)在該斷面,次日即有開(kāi)裂,這種裂縫對(duì)路面質(zhì)量并無(wú)影響,故不在討論范圍之列。在其他位置也出現(xiàn)部分無(wú)規(guī)則的裂縫,以第四區(qū)段為例,這種早期裂縫計(jì)10條,占總數(shù)的40%。出現(xiàn)的位置大多數(shù)在距壓入縫(4～6)米和(9～10)米處。次日切縫后開(kāi)始濕沙養(yǎng)生,10天后養(yǎng)生結(jié)束,此間又出現(xiàn)五條裂縫。齡期30天時(shí)觀察,新出現(xiàn)4條,60天時(shí)觀察新出現(xiàn)6條,合計(jì)晚期裂縫共15條,占總數(shù)60%。這種晚期裂縫大多數(shù)出現(xiàn)在距切縫一米之內(nèi)。出現(xiàn)裂縫(包括早期和晚期)的版塊數(shù)占總版塊數(shù)的0.8%。它們分布于左右兩幅之內(nèi)且互不銜接。

1.2 裂縫的形成和發(fā)展

無(wú)論誘導(dǎo)縫還是任意縫都有其形成和發(fā)展的過(guò)程。開(kāi)始時(shí)是在某一處出現(xiàn)一條深度較淺、長(zhǎng)度較短且非常細(xì)微的裂縫,如不仔細(xì)觀察是難于發(fā)現(xiàn)的。雖然細(xì)微,一旦出現(xiàn)之后,惡劣的環(huán)境很快使這段微裂縫向路面版的內(nèi)部縱深發(fā)展,逐漸加深、加長(zhǎng)、增寬,最后變成貫通整塊路面版寬度和深度的裂縫。據(jù)第四區(qū)段工地觀察,貫通整塊路面版寬度的計(jì)16條,半通裂縫9條(位于路面版左側(cè)、中間、右側(cè)的均有,且長(zhǎng)短不等)。這些半道裂縫絕大多數(shù)是晚期裂縫,它從某處開(kāi)始,直到與切縫或壓縫相連通為止。只有個(gè)別半通裂縫并未與切縫或壓縫相連通,而是發(fā)展到一定程度而停止。

1.3 路面溫度觀測(cè)

水泥砼拌合料從加水拌合開(kāi)始到壓紋結(jié)束約經(jīng)兩個(gè)小時(shí),從此開(kāi)始觀測(cè)路面版的表面溫度和底面溫度,連續(xù)三個(gè)晝夜,每隔一小時(shí)記錄一次。通過(guò)兩次觀測(cè),情況大體相同。表面溫度晝夜變化和氣溫相同,底面變化規(guī)律也與氣溫變化大體相同。但因砼是熱的不良導(dǎo)體,底面溫度落后于氣溫兩小時(shí),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(duì)短時(shí)間的氣溫變化反應(yīng)遲鈍。一般來(lái)說(shuō),一天之內(nèi)氣溫高峰在14時(shí),表面溫度比底面高出(8～9)℃;氣溫最低時(shí)在早晨6點(diǎn),底面溫度比表面高出(7～8)℃。如果天氣晴朗,這種溫差超過(guò)12℃。這一觀測(cè)結(jié)果是符合常規(guī)的。特別是從拌合開(kāi)始,在8～11小時(shí)以內(nèi),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(jìn)行了鉆芯檢查。鉆頭對(duì)準(zhǔn)裂縫取芯,共計(jì)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(jìn)方向相同。

2 水泥砼路面版內(nèi)力分析[1]

水泥砼混合料加水之后,水泥進(jìn)行水化,其時(shí)間并不長(zhǎng)且水化進(jìn)程減慢,幾小時(shí)之后才出現(xiàn)第二次水化高峰。水化作用是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)變化過(guò)程,與此同時(shí)外部形態(tài)也發(fā)生變化:可塑狀態(tài)——凝結(jié)——固化——強(qiáng)度增長(zhǎng)。伴隨發(fā)生的還有化學(xué)收縮、失水干縮、由水化熱造成的內(nèi)外溫差而使表面先行收縮。這些現(xiàn)象的綜合作用使砼內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。但這些不意味著水泥砼路面版必然要發(fā)生裂縫,是否發(fā)生裂縫要看路面版內(nèi)部各種力量的對(duì)比情況。水泥砼路面做為一個(gè)薄板構(gòu)造又有不同于其他塊件的性質(zhì)。

水泥砼的抗拉強(qiáng)度隨齡期而增長(zhǎng),通常情況下抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)在高度方向是均勻的。路面版直接鋪筑在基層上,當(dāng)路面版收縮時(shí),基層對(duì)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(qiáng)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(lái)說(shuō),這種影響可能涉及到頂面,其數(shù)值大小和基層狀況有關(guān)。水泥砼在化學(xué)收縮、失水干縮、降溫收縮等綜合作用下使路面版內(nèi)部在某一斷面處產(chǎn)生拉應(yīng)力,其大小和諸多因素有關(guān),一般來(lái)說(shuō),其數(shù)值由頂面向底面逐漸減小。路面版是否出現(xiàn)裂縫不僅在于拉應(yīng)力的大小,而且還與其抗拉強(qiáng)度有關(guān)。如果實(shí)際拉應(yīng)力小于抗拉強(qiáng)度,裂縫不會(huì)出現(xiàn)。

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(huì)造成路面版內(nèi)強(qiáng)度薄弱區(qū),裂縫的產(chǎn)生即從此開(kāi)始。第三區(qū)段拌合比較均勻,出現(xiàn)的裂縫就較少。②振搗不密實(shí),蜂窩比較多。從裂縫處鉆芯容重較低可以證實(shí)。③對(duì)兩車(chē)料相接處振搗時(shí)沒(méi)有給以特別注意,因而形成一個(gè)強(qiáng)度薄弱的橫斷面。從裂縫的傾斜方向及裂縫擺動(dòng)幅度與攤鋪情況相一致可以說(shuō)明。④路面厚度不均勻,致使路面版強(qiáng)度不均勻。如路面薄厚不一的區(qū)段裂縫較多。⑤裂縫的多少與勞力配備,工人素質(zhì)及其責(zé)任心也有很大關(guān)系。

3.2 路基和基層的影響

受路基基層的影響可以從幾個(gè)方面來(lái)說(shuō)。①反射作用。某些特殊的土質(zhì)對(duì)溫、濕度反應(yīng)非常敏感,極易使路基產(chǎn)生裂縫,在摩阻力的作用下,帶動(dòng)路面基層和面層也開(kāi)裂,是路面版產(chǎn)生裂縫的原因之一,底面首先開(kāi)裂,延伸到頂面,裂縫則上下同寬。②路面基層強(qiáng)度的不均勻性會(huì)使路面版形成裂縫。如四區(qū)段有一涵洞動(dòng)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(jié)果在兩段灰土基層接茬處澆注后的第二天,路面版即出現(xiàn)一條裂縫。而在澆注第二幅時(shí)已時(shí)隔多日亦未出現(xiàn)裂縫。另外在基層施工時(shí)如采用分段人工翻拌,在兩段交界處往往造成一個(gè)基層強(qiáng)度薄弱的橫斷面,從而產(chǎn)生貫通兩幅三幅甚至整個(gè)路面寬度的裂縫。這種裂縫一般都出現(xiàn)在早期。③關(guān)于路面基層和路面版底面之間摩阻力的問(wèn)題。如上所述,這種摩阻力的存在增加了路面版內(nèi)的抗拉強(qiáng)度,對(duì)阻止裂縫的產(chǎn)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(shí)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(qiáng)度薄弱處就會(huì)把路面版拉裂。這又是晚期裂縫出現(xiàn)的原因之一。

3.3 溫度和濕度的影響

溫度觀測(cè)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(nèi)部產(chǎn)生很大應(yīng)力。這種應(yīng)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?？墒怯捎诼访姘娴淖灾睾退闹艿那吨谱饔眉s束了這種趨勢(shì),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(chǎn)生的這種拉力亦越大,當(dāng)拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)生裂縫。對(duì)于初具抗拉強(qiáng)度的路面版更是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn),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(shí)刻,更加大了頂面和底面的溫差。有些國(guó)家如英國(guó)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(shè)移動(dòng)式帳蓬的措施。英國(guó)提出高溫時(shí)刻施工時(shí)在拌合水中加入碎冰以降低施工時(shí)混合料溫度。法國(guó)規(guī)定在氣溫大于30℃,濕度小于40%時(shí)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(fā)生。

3.4 養(yǎng)護(hù)方法不適當(dāng)

水泥是一種水硬性無(wú)機(jī)結(jié)合料,只有在高濕情況下強(qiáng)度才能正常增長(zhǎng),很好的養(yǎng)生特別是整型完畢至硬化期間的早期養(yǎng)生甚為重要。目前有兩種方法:①用HD10養(yǎng)護(hù)劑即薄膜養(yǎng)生方法,②古老的濕沙養(yǎng)生方法。從目前來(lái)看,用薄膜養(yǎng)生并不一定很好,用此法養(yǎng)生強(qiáng)度一般要下降(10～15)%,要保證要求的強(qiáng)度,勢(shì)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(huì)迅速失水,直接影響強(qiáng)度的增長(zhǎng)和最終強(qiáng)度,并招致早期裂縫的發(fā)生。從實(shí)踐看,四個(gè)施工區(qū)段中,一、二區(qū)段均采用薄膜養(yǎng)生,出現(xiàn)的裂縫就多。而三、四區(qū)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?yōu)闈裆仇B(yǎng)生。濕沙養(yǎng)生不僅能保持濕度,而且對(duì)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(cè)表明,水泥大量放出水化熱的時(shí)間是在加水拌合后8小時(shí)開(kāi)始,持續(xù)時(shí)間為2.5～3個(gè)小時(shí)。這個(gè)時(shí)間正是氣溫下降的時(shí)間,路面版頂面變冷使內(nèi)部產(chǎn)生很大溫度應(yīng)力,所以應(yīng)選擇低水化熱、早強(qiáng)型水泥。

4 防止和減少裂縫的幾點(diǎn)建議

(1)按照施工規(guī)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(shí),特別注意兩車(chē)料的銜接部位;

(3)避免夏季高溫時(shí)間施工。對(duì)基層注意灑水濕潤(rùn),但不能有積水和泥濘;

(4)基層要平整,強(qiáng)度要均勻,特別是在兩個(gè)施工段相接部位?；彝粱鶎右B(yǎng)護(hù)到一定時(shí)間后才澆筑路面;

(5)在不影響路面質(zhì)量前提下盡量提早切縫;

(6)加強(qiáng)養(yǎng)生工作:養(yǎng)生期間不準(zhǔn)任何車(chē)輛行駛。盡可能采用濕沙養(yǎng)生方法,在無(wú)法采取其他措施時(shí),終凝至切縫期間,宜用塑料布覆蓋以保持應(yīng)有的濕度;

(7)加強(qiáng)政治思想工作,使全體施工人員牢固樹(shù)立質(zhì)量觀念。

[1] 尚小江,邱峰,趙海峰,等.Ansys結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2000.

[2] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).J TG F30-2003公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2003.

[3] 郝文化.Ansys土木工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2005.

責(zé)任編輯:文 月

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2010203216

吳長(zhǎng)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(shù)。