水泥混凝土路面裂縫的分析及防治

衣英俊

(佳木斯市樺川縣地方道路管理站)

1 混凝土路面板裂縫的原因

1.1 土基及基層的影響

土基是混凝土路面的基礎(chǔ)，沒(méi)有堅(jiān)固、密實(shí)、均勻、穩(wěn)定的路基，就沒(méi)有穩(wěn)固的路面，理論分析表明，通過(guò)剛性面層和基層傳到土基上的壓應(yīng)力很小，一般不超過(guò)0.05MPa，然而如果土基的穩(wěn)定性不足，在自然因素的影響下，強(qiáng)度降低變化大，造成土基不均勻下沉，導(dǎo)致對(duì)面層的不均勻支承，會(huì)使面層板在荷載的作用下底部產(chǎn)生過(guò)大的彎拉應(yīng)力而破壞?；鶎邮窃谕粱希炷涟逯露拗膶哟?，具有承上啟下的作用，它可以提高基礎(chǔ)的綜合回彈模量。水泥混凝土路面板下設(shè)基層的主要作用不僅體現(xiàn)為混凝土板提供均勻穩(wěn)定的支承，而且還能防止凍脹的不良影響，保證路面整體強(qiáng)度和有較好的平整度，并延長(zhǎng)混凝土板使用壽命，對(duì)保證路面使用品質(zhì)起著重要作用。如果采用非整體性基層，累積變形大而不均勻，就會(huì)導(dǎo)致面層板的彎拉應(yīng)力加大而破壞。

1.2 水泥品種的影響

水泥是混凝土中的主要成分，水泥品種對(duì)混凝土的裂縫影響較大，純熟料水泥漿凈收縮主要取決地C3A、SO3，石膏的含量及水泥的細(xì)度等。一般說(shuō)來(lái)C3A含量大，細(xì)度明顯的水泥，在水化時(shí)，產(chǎn)生的熱量較多，收縮比較大，石膏含量不足的水泥，收縮大，混凝土的干縮隨水泥中SO3含量的增加而減小，所以為了減少混凝土的干縮，應(yīng)盡量選用SO3含量適中的水泥。施工中對(duì)水泥品種的選和，直接影響到工程質(zhì)量及能否正常使用。

1.3 骨料品種及含量的影響

骨料的強(qiáng)度影響混凝土的強(qiáng)度，骨料是影響混凝土裂縫的主要因素之一，這里主要是指骨料的各類、含量及彈性模量。

在普通骨料范圍內(nèi)，砂巖骨料的混凝土收縮最大，最易產(chǎn)生裂縫，石灰?guī)r和石英巖骨料混凝土的收縮比較小。混凝土中發(fā)生收縮的主要成分是水泥石，因此減少水泥石的相對(duì)含量，也就是增加骨料的相對(duì)含量，可以減少混凝土的收縮裂縫?；炷恋氖湛s隨骨料的彈性模量增大而減小，同時(shí)又隨骨料粘土含量的增加而增大。因此，盡量選用干凈的、彈性模量大的骨料，這對(duì)減小混凝土的收縮裂縫是有利的。

1.4 混凝土配合比的影響

混凝土在多種因素的作用下，體積要縮小，即通常我們所說(shuō)的收縮，當(dāng)外界對(duì)混凝土沒(méi)有約束時(shí)，可以自由收縮，不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，但工程中的混凝土都要受到各種約束，不能自由收縮，混凝土內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，在這種應(yīng)力作用下，混凝土產(chǎn)生裂縫，我們稱這種裂縫為混凝土收縮裂縫。在原材料一定的情況下，混凝土配合比對(duì)混凝土收縮有較大影響，混凝土的干縮隨用水量的增加而增加大，混凝土的收縮隨水灰比、水泥用量及砂率的增大明顯增大，但幅度較小。由以上分析得出:用水量少的貧混凝土、碾壓混凝土、砂率低的干硬性混凝土，一般收縮程度比較小。

1.5 溫度變化的影響

混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期經(jīng)受自然界氣溫變化和日輻射等劇烈作用，由于混凝土結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)性差，其周圍環(huán)境氣溫及日輻射等作用，將使表面溫度迅速變化，但在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度仍處于原來(lái)的狀態(tài)，在混凝土結(jié)構(gòu)中形成較大的溫度梯度，混凝土結(jié)構(gòu)的各部處于不同的溫度狀態(tài)。由此產(chǎn)生的溫度變形，當(dāng)被混凝土地內(nèi)、外結(jié)構(gòu)約束阻礙時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的溫差應(yīng)力，據(jù)有關(guān)資料記載，板梁橋的橋面板表面和下邊緣之間，溫差可以達(dá)27～33℃，經(jīng)估算溫度拉應(yīng)力高達(dá)26×105Pa，如此大的應(yīng)力在混凝土澆筑的前期足以使混凝土構(gòu)件開(kāi)裂。

1.6 周圍介質(zhì)的影響

混凝土周圍介質(zhì)對(duì)混凝土收縮的影響也很大，空氣的相對(duì)溫度越低，對(duì)混凝土收縮的影響也越很林，混凝土收縮隨空氣相對(duì)溫度的增加而減小，直至相對(duì)溫度為100%時(shí)表現(xiàn)為濕脹。同時(shí)，從大量的試驗(yàn)得出，混凝土的收縮值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在水中的膨脹值。

混凝土表面使用各種覆蓋物和涂料，可以減小混凝土中的溫度梯度，從而降低收縮應(yīng)力，混凝土收縮也相應(yīng)減小。

1.7 養(yǎng)護(hù)條件的影響

混凝土澆筑初期，一般要在表面灑水覆蓋，定期做這些養(yǎng)護(hù)工作，其目的的是防止混凝圭表面裂縫，但試驗(yàn)結(jié)果表明，延長(zhǎng)初期潮濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間僅能推遲干縮的開(kāi)始，并非能減小短期的干縮。但養(yǎng)護(hù)時(shí)，混凝土的抗拉強(qiáng)度大于干縮的應(yīng)力時(shí)，就不必再進(jìn)行潮濕養(yǎng)護(hù)，混凝土也不會(huì)開(kāi)裂，養(yǎng)護(hù)也就達(dá)到了目的。

低壓蒸氣養(yǎng)護(hù)及高壓蒸氣養(yǎng)護(hù)與常溫相比，混凝土干縮都將減小，低壓蒸氣養(yǎng)護(hù)比常溫養(yǎng)護(hù)的混凝土收縮減小10%～39%，高壓蒸氣養(yǎng)護(hù)比常溫養(yǎng)護(hù)的混凝土收縮減小7280%。

2 防止混凝土路面裂縫的措施

2.1 從土基及基層做起

對(duì)土基的要求首先要保證有足夠的穩(wěn)定性和強(qiáng)度的均勻性，同時(shí)應(yīng)堅(jiān)固而密實(shí)。路基底面土基回彈模量值不宜小于20 MPa，壓實(shí)度應(yīng)滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。其次要加強(qiáng)排水設(shè)計(jì)，對(duì)可能危害路基穩(wěn)定的地面水和地下水，采取必要的防水排水措施，使之遠(yuǎn)離路基，因水文地質(zhì)和氣候等自然因素影響，有的路段土基處于潮濕類型時(shí)，應(yīng)在土基上設(shè)置墊層來(lái)改善土基水溫狀況。

路基填筑材料也是防止路面裂縫的措施之一，采用整體性好，具有較高模量的半剛性材料做基層，可以確?；炷谅访媸褂闷焚|(zhì)，并延長(zhǎng)其壽命。因此，對(duì)基層的基本要求是剛度大、整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，并且具有抗凍性，以避免出現(xiàn)板底脫空和錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。特重交通和交通道路基層采用貧混凝土、水泥穩(wěn)定砂礫、水硬性工業(yè)廢渣穩(wěn)定類或?yàn)r青合料類為宜，中等和較輕交通的公路，可采用水泥穩(wěn)定土、石灰土或粒料類基層，基層厚度以20 cm左右為宜，最小不應(yīng)小于15 cm。

原有路面作基層時(shí)，基層頂面上的當(dāng)量回彈模量應(yīng)滿足規(guī)范要求，如當(dāng)量回彈模量小于規(guī)范規(guī)定時(shí)，就要設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)層，石質(zhì)路基做基層時(shí)根據(jù)需要設(shè)置平整層，厚度一般為6～10 cm。

2.2 增加混凝土路面板的厚度

混凝土板是水泥混凝土路面的最生要的結(jié)構(gòu)層，它具有較高的力學(xué)強(qiáng)度、彈性模量，具有較大的承載能力和擴(kuò)散荷載的能力。因此，水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的大部分承載力是由路面板承擔(dān)，并把承受的車輪荷載分布到板下基礎(chǔ)較大范圍內(nèi)，當(dāng)路面板工作于彈性階段時(shí)，面板在車輪荷載的作用下產(chǎn)生的變形很小，板下基層以及土基所承受的單位荷載壓力和產(chǎn)生的變形也很小。這時(shí)板和基礎(chǔ)都工作于彈性階段，所以，水泥路混凝土面板結(jié)構(gòu)也屬于彈性層狀體系范疇。水泥路土板內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力。由于水泥混凝土抗拉強(qiáng)度比其抗壓強(qiáng)度小得多，在車輪荷載的重復(fù)作用下，混凝土路面板的受彎拉部位最容易產(chǎn)生斷裂裂縫而破壞。因此。彎拉應(yīng)力是面板的主要設(shè)計(jì)依據(jù)，當(dāng)荷載愈大，路面板越薄，板內(nèi)產(chǎn)生的彎拉應(yīng)力就越大，當(dāng)板的彎拉應(yīng)力大于混凝土的極限抗彎拉強(qiáng)度時(shí)，路面板將發(fā)生斷裂破壞。理論研究還表明，在荷載的重復(fù)作用下，雖然荷載應(yīng)力小于混凝土的極限抗彎拉強(qiáng)度，但是路面板仍會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞。因此，為使路面板能夠承受車輪荷載的多次重復(fù)作用而不損壞，混凝土板必須具有足夠的抗彎拉疲勞強(qiáng)度。

2.3 減小溫度收縮的措施

(1)掌握拆出模板時(shí)的氣溫。為加快模板的周轉(zhuǎn)，提高工作效率，施工中都想盡早拆除模板，但是模板拆出的越早，混凝土抵抗溫度裂縫的能力越差。拆模的時(shí)間最好選擇在一天氣溫最高的中午，盡量減少混凝土構(gòu)件表面與外界的溫差，以提高混凝土的抗裂性能。

(2)降低澆筑溫度。①降低骨料的溫度?；炷林写旨?xì)骨料分別占50%和25%以上。粗、細(xì)骨料的溫度分別降低1℃，則可使混凝土的溫度分別降低0.5℃和0.25℃，粗、細(xì)骨料可用搭棚遮陽(yáng)，從底部取料降溫。粗骨料預(yù)冷可用浸水法、噴灑冷水法等。但施工時(shí)要測(cè)準(zhǔn)含水量，做出施工配合比，使混凝土中的含水量符合設(shè)計(jì)要求，保證混凝土的強(qiáng)度，減小混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫。②降低拌合水的溫度。若能降低拌合水的溫度，對(duì)混凝土降溫效果是顯著的，一般來(lái)說(shuō)水混降低一度，混凝土可以降低2.5℃，地下水和自來(lái)水的溫度比地表水溫度低，應(yīng)優(yōu)先采用。③澆筑時(shí)間安排在低溫季節(jié)或夜間。在低溫季切澆筑混凝土，不僅能降低入倉(cāng)溫度，也可以降低水化熱溫長(zhǎng)。因此，防裂要求高且宜裂的結(jié)構(gòu)物最好在低溫季節(jié)施工，在高溫季節(jié)施工，日光直射下溫度跟昨日平均氣溫大體相同。因此，應(yīng)把重點(diǎn)部位安排在夜間施工會(huì)取得較理想的結(jié)果。④減小混凝土溫度回升。在高溫季節(jié)施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體司，采取行之有效的措施來(lái)減小混凝土溫度回升，主要措施有縮短混凝土的運(yùn)輸時(shí)間，加快混凝土入倉(cāng)溫度，縮短混凝土的日暴曬時(shí)間，混凝土運(yùn)輸工具應(yīng)有隔熱遮陽(yáng)措施，采用噴水霧的方法降低倉(cāng)面四周的氣溫等。

(3)降低水泥水化熱溫升。使用低熱水泥及減少水泥用量也可以降低混凝土溫升。水泥水化熱對(duì)混凝土的絕熱溫升影響很大。水泥品種不同，水化熱相差很大，所以要使用低熱或中熱水泥，來(lái)降低水化熱溫升。

混凝土溫升的熱源是水泥的水化熱。因此，降低水泥用量，就能有效地降低水泥的水化熱溫升，減少水泥用量的主要措施有選擇粗細(xì)骨料級(jí)配良好且最大粒徑盡可能大的骨料，采用5～40 mm骨料比用5～25 mm骨料節(jié)省水泥，在相同的水灰比時(shí)，可減少水泥20 kg/m3左右，采用三級(jí)配比二級(jí)配骨料更能節(jié)省水泥，另外，砂率小，其比表面小，也能節(jié)省水泥;采用粗砂比細(xì)砂可節(jié)省水泥，在滿足混凝土和易性條件下盡可能降低坍落度，這樣，可以減少用水量和水泥用量，摻減水劑，可以大大地心頭和易性，如果保持相同的強(qiáng)度，水灰比不變，則水泥用量可減少10%左右。

另外，加強(qiáng)混凝土構(gòu)件的散熱、降低約束，加強(qiáng)表面養(yǎng)護(hù)也可以減小混凝土裂縫。

2.4 減小干燥收縮裂縫的措施

(1)摻用膨脹劑。普通混凝土中摻入適量膨脹劑可配制成膨脹混凝土，它在養(yǎng)生期能產(chǎn)生適度體積膨脹，在鋼筋和鄰位約束情況下，能對(duì)鋼筋產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力(或稱自應(yīng)力)，由于自應(yīng)力的導(dǎo)入，改變了混凝土的應(yīng)力狀態(tài)，使之大致抵消因混凝土干縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而達(dá)到補(bǔ)償收縮，提高混凝土抗裂防滲性能。

(2)盡量減小混凝土的單位用水量。混凝土干縮主要是混凝土中多余的水分不斷蒸發(fā)所致。據(jù)有關(guān)研究表明，水泥水化熱所需的水量只有水泥重要的2%左右(即水灰比的0.25)，而實(shí)際工程上應(yīng)用的水灰比卻大得多，有此大體積混凝土和水下鉆孔樁混凝土水灰比高達(dá)0.65～0.7，為得混凝土含有較多的多余水分。因而干縮程度較大，試驗(yàn)表明，當(dāng)單位用水是增加50%，干燥收縮變形將增加100%。顯然，采用滿足施工條件的最小用水量的混凝土，對(duì)減小混凝土的干燥收縮是有利的。

(3)摻用優(yōu)質(zhì)粉煤灰。粉煤灰對(duì)混凝土收縮有較大的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明不但降低了成本，同時(shí)養(yǎng)護(hù)的效果好，與傳統(tǒng)的草袋、麻袋覆蓋相比，混凝土外觀的顏色純正，近年來(lái)又發(fā)明了專門(mén)的混凝土養(yǎng)生液，即在混凝土模板拆除后，在混凝土表面立刻涂上或噴上養(yǎng)生液，這種養(yǎng)護(hù)的方法，即簡(jiǎn)便又省事，但成本高一些。