水泥混凝土路面斷裂的形成和預(yù)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(yè)的不斷發(fā)展,公路網(wǎng)的不斷擴(kuò)大農(nóng)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(xiàn),這就要求我們要及早做出預(yù)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(gè)過程大致可以分三個(gè)階段:第一個(gè)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(kuò)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(zhì)、氣孔、孔隙和微裂縫等缺陷,對(duì)這些缺陷的數(shù)量、形態(tài)和分布狀態(tài)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(duì)混凝土中雜質(zhì)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(jī)物、輕物質(zhì)等有害物質(zhì)的含量,和水的酸堿度及水中有害物質(zhì)的含量。澆筑時(shí)的震搗質(zhì)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(dòng)的作用,處于流塑狀態(tài)的混凝土混合料中會(huì)形成一系列的縫隙,這些縫隙構(gòu)成了排除空氣的通道。影響孔隙形成的因素有五個(gè):一是骨料的級(jí)配。二是水泥用量。三是攪拌質(zhì)量。四是用水量。五是震搗質(zhì)量。而影響混凝土內(nèi)外濕度梯度的因素,主要是混凝土凝結(jié)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(yīng)力大于強(qiáng)度的情況下產(chǎn)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(yīng)力的大小,所以混凝土的早期強(qiáng)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(chǎn)生的應(yīng)力大于水泥混凝土的強(qiáng)度所造成的,因此混凝土的收縮率和早期強(qiáng)度、路面板的長(zhǎng)度、基層的阻力等對(duì)初始裂縫具有重要的影響。在凝結(jié)過程中路面混凝土的收縮變形主要是干縮變形?；炷恋脑缙趶?qiáng)度既與材料構(gòu)成有關(guān),也與施工工藝有關(guān)。如果添加早強(qiáng)劑,或者采用真空吸水的施工工藝,混凝土的早期強(qiáng)度就會(huì)比較高。路面板的長(zhǎng)度對(duì)板底的拉應(yīng)力和板塊位移的影響是明顯的。

影響裂縫擴(kuò)展的因素:裂縫擴(kuò)展的條件,是荷載產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于裂縫尖端區(qū)域的穩(wěn)定開裂韌度。所以,影響裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)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(kuò)展的因素。

1 防止水泥混凝土路面斷裂的預(yù)防措施

水泥混凝土的抗裂措施,至少在必須下列 5個(gè)方面之一發(fā)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(yīng)力。

實(shí)際上,很多的工程措施并不是純粹在某一方面發(fā)生作用,而是同時(shí)在幾個(gè)方面發(fā)揮作用。有些措施在一些方面發(fā)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(duì)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(zhì)、氣孔、微孔隙和微裂縫,降低路面板的初始損傷度。按照規(guī)范的規(guī)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(qiáng)震搗是排除空氣的途徑。要減少孔隙,就要使骨料的級(jí)配更加密實(shí),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(zhì)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(yǎng)護(hù)水泥混凝土表面。減少溫度收縮裂縫的關(guān)鍵在于減少混凝土的內(nèi)外溫差,具體的辦法有三個(gè):一是盡量避免在不利的溫度環(huán)境下施工,二是選用低水化熱的水泥,三是及時(shí)保溫。所以,加強(qiáng)水泥混凝土凝結(jié)期間的養(yǎng)護(hù),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(qiáng)度,對(duì)減少裂縫非常有利。通常的做法是添加早強(qiáng)劑,另外采用真空吸水的施工工藝也有利于早期強(qiáng)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(yīng)模式。鋼筋混凝土是常用的復(fù)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(wú)機(jī)纖維或有機(jī)纖維增強(qiáng)材料組成的一種復(fù)合材料。目前用于混凝土的纖維有鋼纖維、有機(jī)纖維、無(wú)機(jī)纖維和合成纖維,而應(yīng)用比較多的是鋼纖維和合成纖維。路面工程中應(yīng)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(qiáng)度提高了 5%～20%,彎拉強(qiáng)度提高了 20%～50%,抗拉強(qiáng)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(lái)逐漸被采用的纖維材料,合成纖維對(duì)改善混凝土的性能有很大的作用。

4 減小路面板的收縮應(yīng)力路面板產(chǎn)生收縮應(yīng)力的條件

一是板塊收縮變形,二是變形受到限制。對(duì)于板塊干縮變形的控制,就是對(duì)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(duì)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(shè)塑料薄膜等。減少路面板的收縮應(yīng)力另一個(gè)重要措施,就是及時(shí)將已經(jīng)產(chǎn)生的釋放。所以,把握好水泥混凝土路面的切縫時(shí)間非常重要。有資料表明水泥混凝土20年收縮量的 14%～34%發(fā)生在水泥混凝土的 14d齡期內(nèi),40%～80%發(fā)生在 3個(gè)月齡期內(nèi)。因此,在路面板強(qiáng)度形成之初就要切縫以釋放收縮應(yīng)力。切縫時(shí)間與水泥混凝土施工溫度、濕度等因素有關(guān),一般規(guī)律為:當(dāng)氣溫 20～30℃時(shí),切縫時(shí)間在水泥混凝土澆筑后 3～10h為宜:當(dāng)氣溫在 10～20℃時(shí),切縫時(shí)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(yīng)力

路面板荷載拉應(yīng)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(duì)路面的靜止壓力有關(guān),而且車-路的禍合程度有關(guān)。要減小輪胎對(duì)路面的靜止壓力,就要對(duì)車輛實(shí)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(duì)于汽車方面要采取限速措施,降低車輛荷載的震動(dòng)頻率;對(duì)于路方面,要提高路面的平整度,降低車輛的震動(dòng)幅度。溫度荷載的大小既與路面板的溫度梯度有關(guān),也與基層和路面板之物和水泥和水在一起攪拌時(shí),聚合物和水泥水化物間就要產(chǎn)生離子鍵型的化學(xué)結(jié)合。除此之外,聚合物和無(wú)機(jī)化合物間還可以通過氫鍵和范得華鍵相互作用。聚合物發(fā)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(fā)揮類似于減水劑的作用,是因?yàn)榫酆衔镱w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(dòng)性。因?yàn)榫酆衔飳?duì)水化物的聯(lián)結(jié)和粘結(jié)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(guān)。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(chǎn)生了應(yīng)力劇烈集中的性質(zhì)。當(dāng)裂縫的尖端到達(dá)聚合物顆粒時(shí),由于聚合物具有良好的柔韌性,能夠產(chǎn)生較大的變形,致使裂縫的尖端處材料的屈服范圍擴(kuò)大,應(yīng)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(chǔ)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(yīng)力、減少路面板的荷載應(yīng)力的功能,并且闡述了目前工程中應(yīng)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(gè)階段。首先是在澆筑和凝結(jié)過程中產(chǎn)生的初期損傷和開裂。由于水泥混凝土的材料和工藝特點(diǎn),以及在凝結(jié)過程中的物理和化學(xué)反應(yīng),使路面板在凝結(jié)過程中形成大量的微小缺陷,構(gòu)成初始的損傷場(chǎng)。并且由于路面板在凝結(jié)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(kuò)展,在荷載作用下,路面板發(fā)生了不均勻的損傷,板底裂縫尖端附近區(qū)域成為損傷最嚴(yán)重的部位,該區(qū)域的開裂韌度下降最快。隨著荷載次數(shù)的增加,裂縫尖端附近區(qū)域的損傷度不斷增大,韌度逐漸降低。當(dāng)荷載在裂縫尖端造成的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于裂縫尖端附近區(qū)域的開裂韌度時(shí),裂縫就擴(kuò)展。裂縫的尖端向前移動(dòng)到達(dá)新的位置后,新的附近區(qū)域以較高的韌度阻止裂縫繼續(xù)擴(kuò)展,于是開始新一輪的損傷累積。最后是斷裂破壞階段,此時(shí)荷載在裂縫尖端造成的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于混凝土的失穩(wěn)開裂韌度,裂縫的擴(kuò)展不受限制,迅速貫穿整個(gè)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(jī)理完成它的整個(gè)破壞過程的。

因此,我們?cè)谛藿ㄋ嗷炷谅访鏁r(shí)一定要遵循科學(xué)的施工工藝,方能保證公路的質(zhì)量,為社會(huì)經(jīng)濟(jì)創(chuàng)造更大的價(jià)值。