淺析如何減少水泥混凝土路面裂縫

張 煒

(衡水市公路勘測(cè)設(shè)計(jì)所)

1 水泥混凝土路面裂縫的三個(gè)階段

一般情況下，水泥混凝土路面在它建造之初就形成微裂縫，公路投入使用后，由于荷載作用，微裂縫變成宏觀(guān)裂縫;宏觀(guān)裂縫繼續(xù)發(fā)展，最后造成公路斷板。這個(gè)過(guò)程大致可以分三個(gè)階段:第一階段是在澆筑和凝結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的初期損傷和開(kāi)裂，形成微裂縫;第二階段是使用期間荷載造成的損傷加劇和裂縫擴(kuò)展，形成宏觀(guān)裂縫;第三階段是斷裂破壞階段。

2 水泥混凝土路面裂縫的幾種類(lèi)型

2.1 沉降裂縫

可分為二種情況:一是混凝土澆筑后，水泥和骨料下沉產(chǎn)生泌水，在沉降過(guò)程中發(fā)生裂縫;二是混凝土澆筑后，水泥和骨料在下沉階段，如受到鋼筋和其它預(yù)埋件的局部阻礙及模板移動(dòng)，使該處混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力和剪應(yīng)力時(shí)，該處就會(huì)產(chǎn)生沉降裂縫。裂縫一般均在澆筑后隨即發(fā)生，屬硬化前裂縫。待沉降終止時(shí)迅速進(jìn)行處理，重新加壓抹平，使裂縫閉合。

2.2 溫度裂縫

混凝土澆筑后，表面沒(méi)有及時(shí)覆蓋，在炎熱或大風(fēng)天氣，表面游離水分蒸發(fā)過(guò)快，混凝土體積急劇收縮，導(dǎo)致開(kāi)裂?；炷劣不陂g水泥放出大量水化熱，內(nèi)部溫度不斷上升，在表面引起拉應(yīng)力。防止溫度裂縫應(yīng)合理選擇級(jí)配，采用水化熱較低的水泥，減少水泥用量及用水量，降低混凝土膨脹值。在施工管理中應(yīng)重視人工降溫措施，切縫應(yīng)及時(shí)。

2.3 干縮裂縫

水泥混凝土澆筑后，在硬化的過(guò)程中，由于水泥水化生成物的體積比原來(lái)物質(zhì)的體積小，加上游離水在空氣中蒸發(fā)及凝膠體失水而緊縮，隨著混凝土體積收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于當(dāng)時(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度，而產(chǎn)生干縮裂縫。干縮裂縫多發(fā)生在高溫炎熱季節(jié)，混凝土表面水分散失快，體積迅速收縮，而內(nèi)部溫度變化小，收縮小，表面收縮變形受到內(nèi)混凝土的約束，也會(huì)引起表面裂縫。

2.4 超載裂縫

由于交通運(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展，超載車(chē)輛越來(lái)越多，造成水泥混凝土路面損壞，致使路面開(kāi)裂斷板。據(jù)有關(guān)資料記載，汽車(chē)超載情況相當(dāng)普遍，超載率達(dá)到了100%以上，車(chē)載重量達(dá)到了百?lài)嵰陨希?chē)超載嚴(yán)重?fù)p害了公路。

3 出現(xiàn)裂縫原因分析

3.1 路面早期裂縫的原因

內(nèi)部因素:(1)溫度應(yīng)力:水泥混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì)，路面板白天表面溫度高，晚上底面溫度高，上下面溫差導(dǎo)致熱脹冷縮不一致，形成拉應(yīng)力，長(zhǎng)期作用下形成裂縫。(2)化學(xué)作用:水泥通過(guò)水化作用形成強(qiáng)度，在硬化過(guò)程中釋放大量熱能。在通常溫度范圍內(nèi)，混凝土溫度每上升100℃路面板每米膨脹0.01 mm。據(jù)有關(guān)試驗(yàn)證明，水泥水化過(guò)程中的熱能釋放是變化的，初始較緩慢，25 min后增溫，大約在水泥終凝后12 h的水化熱溫度可達(dá)800℃，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生顯著的體積膨脹，產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，當(dāng)外部混凝土所受拉應(yīng)力一旦超過(guò)混凝土當(dāng)時(shí)的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，板塊就會(huì)產(chǎn)生橫向或縱向裂縫。(3)堿骨料反應(yīng):混凝土中的骨料約束水泥的膨脹和收縮，產(chǎn)生拉應(yīng)力，產(chǎn)生裂縫;有些水泥在生產(chǎn)過(guò)程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些過(guò)燒的CaO和MgO，它們的水化速度很慢，往往在水泥硬化后再水化，引起水泥漿體膨脹、開(kāi)裂甚至出現(xiàn)網(wǎng)裂。④干縮裂縫:水泥硬化過(guò)程中，水份散失的同時(shí)，水泥漿體收縮，當(dāng)收縮變形與混凝土本身的抗拉應(yīng)變和徐變應(yīng)變不相適應(yīng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生干縮裂縫。產(chǎn)生干縮裂縫的主要原因有混凝土的單位用水量、骨料粒徑、細(xì)粒料含量等諸多因素，但主要是單位用水量。

外部因素:(1)切縫不及時(shí):主要表現(xiàn)為施工中切縫時(shí)間難以控制，切縫不及時(shí)，溫度應(yīng)力大于相應(yīng)時(shí)間路面抗拆強(qiáng)度，導(dǎo)致路面出現(xiàn)橫向裂縫。(2)計(jì)量不準(zhǔn):現(xiàn)在高速公路施工中的混凝土攪拌一般都采用電子計(jì)量的大型拌和站，各種材料的稱(chēng)量精度都有保證。但是，如果施工經(jīng)驗(yàn)不足，不根據(jù)施工環(huán)境變化及時(shí)調(diào)整施工配合比。在加水量的控制上，死搬設(shè)計(jì)配合比，沒(méi)有根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)力、溫度、運(yùn)輸距離等因素及時(shí)調(diào)整，致使施工水灰比時(shí)大時(shí)小，形成混凝土強(qiáng)度的差異，使早期裂縫機(jī)率增大。(3)外加劑因素:混凝土路面施工中一定要摻加外加劑，但如果摻加了不合格的外加劑，混凝土就會(huì)出現(xiàn)早凝、慢凝、離析、有害物等問(wèn)題，直接影響混凝土的質(zhì)量。(4)運(yùn)輸?shù)挠绊?運(yùn)輸距離、時(shí)間過(guò)長(zhǎng)使混凝土在運(yùn)輸途中發(fā)生“離析”、造成施工和易性差，影響振搗效果，導(dǎo)致混凝土板塊發(fā)生早期裂縫的概率大大增加。(5)漏振或振動(dòng)不夠:攤鋪機(jī)施工過(guò)程中振動(dòng)器損壞還繼續(xù)施工，使混凝土漏振。混凝土中存在的空洞降低了混凝土的強(qiáng)度，使路面發(fā)生裂縫或斷板。(6)氣溫變化:施工中有時(shí)氣溫突然變高或變低，甚至輔以刮大風(fēng)，造成混凝土中水份失去過(guò)快，形成表面網(wǎng)裂。如果施工期間夜間有寒流，但沒(méi)有采取加蓋保溫措施的話(huà)，那么第二天肯定有斷板。(7)養(yǎng)生不及時(shí)、不充分:混凝土中硬化過(guò)程中失去的水分未能得到及時(shí)補(bǔ)充，使混凝土產(chǎn)生干縮變形發(fā)生早期裂縫。(8)基層問(wèn)題:路基填土含水量偏大，在凍脹作用下使路面形成裂縫;路基碾壓不均勻，出現(xiàn)填土局部未壓實(shí)或兩側(cè)密實(shí)度不夠，使路基產(chǎn)生不同程度的沉陷，形成裂縫;舊路拓寬時(shí)，新舊路基銜接處理不符合技術(shù)規(guī)范要求，新路基壓實(shí)度不夠，造成路基不均勻沉陷或滑坡，形成裂縫;橋臺(tái)與填方接頭處、路基施工未按規(guī)范要求，易造成自然沉降，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間行車(chē)作用易形成裂縫。(9)路基問(wèn)題:路堤填方高度高、自然沉降大;填挖方分界;橋頭沉降;軟基處理不徹底等諸因素導(dǎo)致不均勻沉降。經(jīng)行車(chē)荷載反復(fù)作用，導(dǎo)致混凝土板裂縫、斷板。(10)養(yǎng)護(hù)問(wèn)題:表現(xiàn)在排水不暢、地下水位上升致路基承載力下降而破壞路面;脹、縮縫長(zhǎng)期不清理更換，限制了混凝土路面的縱向變形功能，致路面板擠壓變形破壞。

3.2 混凝土路面早期裂縫的防治方法

(1)設(shè)計(jì)方面:①提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高速公路的車(chē)流量正以每年兩位數(shù)的速度高速增長(zhǎng)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也要相應(yīng)提高。有條件的地方盡量選用連續(xù)配筋混凝土路面增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度。以解決大交通量、重載車(chē)多的問(wèn)題。也可以推廣高抗拉強(qiáng)度混凝土路面和鋼纖維混凝土路面等新技術(shù)、新工藝，解決混凝土路面的裂縫問(wèn)題。②從設(shè)計(jì)上要求路基足夠長(zhǎng)的沉降時(shí)間后才能進(jìn)行路面施工，減少路基不均勻沉降造成的裂縫、斷板;增加路面基層強(qiáng)度，可以采用諸如碾壓混凝土等新工藝，減少因路面基層因素造成的路面裂縫。

(2)施工方面:①水泥應(yīng)采用不低于425#硅酸性水泥或普通水泥。盡量使用同一廠(chǎng)家生產(chǎn)的同一品牌、同一標(biāo)號(hào)的水泥，加大對(duì)水泥的實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)。施工時(shí)嚴(yán)格控制水的用量，適當(dāng)延長(zhǎng)攪拌時(shí)間，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)工作。施工工藝的選用必須著眼于保證混凝土的早期強(qiáng)度和減少收縮。②嚴(yán)格控制水灰比:混凝土路面施工，水灰比應(yīng)小于0.5。施工時(shí)的用水量應(yīng)按砂石料情況、施工溫度等經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定。施工中經(jīng)常要測(cè)定混凝土混合物的坍落度。為改善和易性，可摻用適量外加劑?？刂扑冶仁潜ＷC混凝土強(qiáng)度的重要措施。③采用合格砂石料和正確掌握配合比:采用的碎石應(yīng)質(zhì)地堅(jiān)硬符合規(guī)定級(jí)配，各材料的施工配料要準(zhǔn)確過(guò)磅，如發(fā)生含水率、水泥變換等改變，應(yīng)及時(shí)調(diào)整施工配合比。④及時(shí)切縫，保證質(zhì)量:適當(dāng)?shù)那锌p時(shí)機(jī)是減少斷板產(chǎn)生的重要手段，切縫的時(shí)機(jī)和質(zhì)量要求如前所述，這里需補(bǔ)充的是，切縫機(jī)械也需保證質(zhì)量，且要加強(qiáng)維修。⑤高度重視配合比設(shè)計(jì)，選擇合適的配合比。施工過(guò)程中除嚴(yán)格計(jì)量外，根據(jù)施工環(huán)境、及時(shí)調(diào)整含水量，保持施工塌落度基本穩(wěn)定，防止溫度裂縫。⑥使用合格、性能穩(wěn)定的緩凝引氣減水劑，減少用水量、增加施工和易性以保證工作時(shí)間。⑦用滑模式攤鋪機(jī)進(jìn)行機(jī)械化施工，以保證混凝土路面平整度、強(qiáng)度和均勻性。⑧混凝土做完面后盡快噴灑一層養(yǎng)護(hù)劑，防止早期收縮裂縫;在施工過(guò)程中當(dāng)天氣異常時(shí)，應(yīng)采用運(yùn)輸車(chē)加蓋篷布、施工現(xiàn)場(chǎng)灑水降溫、夜間加蓋草袋等保溫措施;并根據(jù)混凝土強(qiáng)度增加速度，盡量早開(kāi)始鋸縫工作。

(3)養(yǎng)護(hù)方面

工期的養(yǎng)護(hù):路面澆筑待終凝后要立即覆蓋，并確保灑水養(yǎng)護(hù)，從而保證混凝土強(qiáng)度正常增長(zhǎng)，防止因缺水干縮而產(chǎn)生裂縫，養(yǎng)護(hù)時(shí)間視具體情況而定，一般使用425#以上普通水泥養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于14 d。

3.3 使用階段裂縫的防治方法

路面使用后的養(yǎng)護(hù)措施主要有:(1)保持排水系統(tǒng)完好，防止路基強(qiáng)度降低。(2)重視混凝土面養(yǎng)護(hù)，及時(shí)清理或更換縮脹縫材料。(3)加強(qiáng)早期維修，防止病害加大、擴(kuò)散。(4)加強(qiáng)運(yùn)輸治理，避免超載車(chē)輛上路。

混凝土路面產(chǎn)生裂縫的原因還有很多，防止的方法也不止這幾點(diǎn)。但只要采取有效措施，就能防止或減少路面裂縫現(xiàn)象的發(fā)生，混凝土路面的裂縫是可以消除和避免的。

4 綜合防治混凝土路面裂縫措施

4.1 根據(jù)交通量進(jìn)行道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了減少水泥混凝土路面的裂縫，公路設(shè)計(jì)、管理等相關(guān)部門(mén)應(yīng)認(rèn)真及時(shí)地組織設(shè)計(jì)人員和有關(guān)專(zhuān)家，對(duì)水泥混凝土路面的路面結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行深入細(xì)致地研究和討論。根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢?，環(huán)境、地形、沿線(xiàn)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)，特別是交通量的組成和車(chē)輛的類(lèi)別以及地方材料的供應(yīng)情況，提出符合實(shí)際的軸載設(shè)計(jì)參數(shù)、路面結(jié)構(gòu)、材料組成、路基填料、碾壓方案和要求，以設(shè)計(jì)出適宜的水泥混凝土面板以及完善的排水系統(tǒng)，提出合理經(jīng)濟(jì)的水泥混凝土配比設(shè)計(jì)及要求。

4.2 嚴(yán)格控制混凝土材料質(zhì)量

嚴(yán)格做好材料管理工作，杜絕在水泥混凝土路面施工中使用不合格材料。對(duì)于安定性差，游離氧化鈣(CaO)超標(biāo)及強(qiáng)度不足的水泥應(yīng)禁止使用;不同標(biāo)號(hào)、不同廠(chǎng)家、不同種類(lèi)、不同批產(chǎn)的水泥嚴(yán)禁混合使用;盡量采用旋轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的發(fā)熱量少、收縮量小的硅酸鹽道路水泥或普通硅酸鹽水泥。集料(砂、碎石)有條件時(shí)應(yīng)要求全部進(jìn)行水洗;對(duì)有機(jī)質(zhì)含量超標(biāo)的集料應(yīng)嚴(yán)格禁止使用。按混凝土配合比準(zhǔn)確配料，單位水泥用量要精確稱(chēng)量，誤差值控制在1%以?xún)?nèi)。集料的含水量要及時(shí)測(cè)定，以便控制適宜的用水量，保持水灰比準(zhǔn)確;為減少用水量改善和易性可使用合適的外摻劑;用水量誤差不得超過(guò)1%，外加劑控制在2%以?xún)?nèi)。采用電子稱(chēng)或其他現(xiàn)代配料機(jī)械設(shè)備準(zhǔn)確配料，盡量不采用人工手推車(chē)按車(chē)計(jì)量的配料方法，集料稱(chēng)量誤差控制在3%以?xún)?nèi)。

4.3 施工中嚴(yán)把每道工序質(zhì)量關(guān)

混凝土拌和時(shí)，如果集料溫度過(guò)高，應(yīng)采用降溫措施后再配料拌和的辦法。如果采用撒水降溫方法的方法，應(yīng)及時(shí)測(cè)定含水量，調(diào)整拌和用水量，以保證水灰比值不變。注意混凝土施工操作方法，減少?gòu)臄嚢璧匠尚椭g的時(shí)間和運(yùn)輸路程，避免混凝土過(guò)早凝聚而致微裂。必須堅(jiān)持做到使混凝土相互粘結(jié)密實(shí)穩(wěn)定，有效消除界面裂縫和砂漿裂縫。

4.4 嚴(yán)格禁止超載超重車(chē)輛上路

超載超重車(chē)輛已成為破壞水泥混凝土路面的首要因素。路面板荷載拉應(yīng)力的大小，取決于荷載的大小。汽車(chē)荷載是沖擊荷載，其與車(chē)輛輪胎對(duì)路面的靜止壓力有關(guān)。要減小輪胎對(duì)路面的靜止壓力，就要對(duì)車(chē)輛實(shí)行限載管理，禁止超載的車(chē)輛上路。同時(shí)要采取限速措施，降低車(chē)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(chē)輛的震動(dòng)幅度。

［1］ 公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTGD40-2002)［S］.

［2］ 姚祖康.水泥混凝土路面設(shè)計(jì)方法中基層頂面回彈模量修正系數(shù)［J］.公路，1996，(11):10-13.

［3］ 姚祖康.半剛性基層水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法.華東公路，1997.3-8.

［4］ 中華人民共和國(guó)交通部.水泥混凝土路面施工及驗(yàn)收規(guī)范(GBJ97-87)［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2000.