水泥路面表面裂紋產(chǎn)生機理及成因分析

【摘要】表面裂紋雖然不構(gòu)成水泥路面的結(jié)構(gòu)性損壞，但擴展后危害很大。在現(xiàn)行規(guī)范的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查經(jīng)驗，對水泥路面的紋裂、網(wǎng)裂、粗集料凍融裂紋、堿集料反應(yīng)裂紋的形態(tài)、測量方法、破損分級進行了梳理，對部分指標(biāo)進行了調(diào)整。對這些表面裂紋的形成機理和產(chǎn)生原因進行了深入剖析，可為水泥路面的設(shè)計和施工提供借鑒，以避免表面裂紋的出現(xiàn)，延長水泥路面的使用壽命。

【關(guān)鍵詞】水泥路面；表面破損；裂紋；機理；成因

水泥混凝土路面的表面裂紋損壞包括紋裂、網(wǎng)裂、粗集料凍融裂紋、堿集料反應(yīng)裂紋等。這些破壞有的發(fā)生在水泥混凝土路面施工的早期，有的發(fā)生在運營期間，雖然表面裂紋暫時沒有貫穿面板，但隨著荷載及溫度的作用，裂紋會逐漸擴展，引起面板斷裂。本文結(jié)合在施工實踐中發(fā)現(xiàn)的各種裂紋，剖析其產(chǎn)生機理及成因，對于預(yù)防早期裂紋的產(chǎn)生，對于提高水泥路面的性能及使用壽命有著重要的意義。

1. 表面紋裂和網(wǎng)裂

1.1 形態(tài)

紋裂、網(wǎng)裂均發(fā)生于面板表面層，裂縫深度未貫通板厚，沒有構(gòu)成結(jié)構(gòu)性損壞。紋裂為混凝土板表面出現(xiàn)的一連串淺而細小的裂紋，網(wǎng)裂的主裂縫通常是縱向的，與細小的橫向裂紋及隨機裂縫交叉，如圖1所示。

在現(xiàn)場調(diào)查中應(yīng)記錄紋裂、網(wǎng)裂的破損面積，量測以平方米為單位。如果紋裂、網(wǎng)裂不伴隨著起皮，則可不進行分級。如果起皮，則裂紋面積小于板面積的10%時為中度破損，大于10%為重度起皮。

1. 2 產(chǎn)生機理

表面紋裂和網(wǎng)裂產(chǎn)生的機理在于塑性收縮、早期干縮以及溫縮。

水泥在水化過程中會由于濕度的變化使混凝土的體積發(fā)生變化，主要是水泥-水體系的體積減少，這種體積的減縮叫做混凝土的塑性收縮。當(dāng)混凝土表面未充分硬化，收縮力大于基體的抗拉強度時，就會使表面產(chǎn)生開裂，即產(chǎn)生塑性收縮裂縫，從而破壞面層表面的整體性，降低其耐久性。

干燥收縮裂縫是由于濕度變化引起的收縮，表面干縮裂縫往往發(fā)生在在混凝土水化硬化的早期，主要是由于失水引起。水泥混凝土中的水分在硬化過程中失去時，水泥漿體就會收縮，這種收縮受到混凝土中骨料的限制，很易產(chǎn)生裂縫。

混凝土具有熱脹冷縮的性質(zhì)，當(dāng)外部環(huán)境或內(nèi)部溫度發(fā)生變化時，混凝土內(nèi)部薄弱區(qū)的損傷會由于溫差的變化不斷加劇。在混凝土強度增長的時間段內(nèi)，水泥的水化反應(yīng)是一個放熱反應(yīng)，這種反應(yīng)將使混凝土內(nèi)部溫度升高，產(chǎn)生體積膨脹，待水化反應(yīng)減慢以后，混凝土體積會收縮，引起應(yīng)力變化而使混凝土出現(xiàn)裂紋。

1.3. 產(chǎn)生成因

水泥路面早期裂縫的形成與材料、施工、設(shè)計有關(guān)。受材料影響大概占25%，施工引起的開裂占早期裂縫成因的80%左右，設(shè)計不當(dāng)約占5%。

（1） 原材料原因

如果水泥安定性差，水泥中的游離氧化鈣（f-CaO）在凝結(jié)過程中水化很慢，水泥凝結(jié)硬化后還在繼續(xù)起水化作用，當(dāng)f-CaO超過一定限量時，就會破壞己經(jīng)硬化的水泥石或使抗拉強度下降，引起水泥漿體膨脹、開裂甚至潰散。

水泥的細度越細，混凝土越易開裂。細度大的水泥水化快，產(chǎn)生較大的水消耗，易引起混凝土的自干燥收縮；水泥細度太細會使毛細管細化，毛細管失水時將產(chǎn)生較大的張力。所以水泥的細度要同時滿足不同等級公路的使用性能要求，并非越細越好，比表面積應(yīng)控制在3000m2/kg左右。

水泥的水化熱高，收縮大，產(chǎn)生過大的內(nèi)應(yīng)力，也易導(dǎo)致板的開裂。當(dāng)水泥中鋁酸三鈣含量太大時會使混凝土凝縮時間縮短，失水加快而導(dǎo)致開裂。

碎石、中粗砂含泥量和有機質(zhì)含量越高，混凝土越易開裂。這是由于骨料表面所帶的泥和有機質(zhì)妨礙了骨料與漿體之間的咬合粘結(jié)，弱化了骨料的界面結(jié)構(gòu)，降低了混凝土的強度。因而在相同收縮應(yīng)變的情況下，混凝土更易開裂。

（2）材料配合比設(shè)計不當(dāng)

配合比設(shè)計中，對混凝土性能影響最重要的因素是單位用水量及水灰比。水泥完全水化的最低水灰比約為0.26～0.29，偏大的水灰比，會增大水泥水化初期集料表面的水膜厚度，影響混凝土強度。水灰比越大，水化物晶體顆粒愈大，其結(jié)合面取向愈加單一，在剪應(yīng)力作用下更易錯位。水灰比較大的地方毛細孔也越大，引起的干縮裂縫也較多。

（3） 施工原因

施工時溫度掌控不當(dāng)，會引起紋裂和網(wǎng)裂?；炷涟韬蜁r，如果水泥或集料溫度過高，會使混凝土拌和物的溫度很高，在冷卻、硬化過程中會使溫差收縮加大，導(dǎo)致開裂；在氣溫高，濕度小，風(fēng)速大的不利條件下，養(yǎng)生不及時或養(yǎng)護措施不當(dāng)，會使混凝土表面水分蒸發(fā)太快，從而形成干縮裂縫。

2. 堿集料反應(yīng)裂紋

2. 1形態(tài)

活性集料同水泥或外加劑中的堿發(fā)生堿-硅或堿-碳酸反應(yīng)，出現(xiàn)凝膠或膨脹導(dǎo)致水泥面板破壞，引起類似于網(wǎng)裂但較一般網(wǎng)裂要深的開裂，見圖2。

記錄各破損程度的網(wǎng)裂涉及的面積，量測以平方米為單位，破損分為3個等級。

輕度--板出現(xiàn)網(wǎng)裂，面層可能變色，但未出現(xiàn)起皮和接縫碎裂。

中度--出現(xiàn)起皮和（或）接縫碎裂，沿裂縫和接縫有白色細屑。

重度--出現(xiàn)起皮和（或）接縫碎裂的范圍發(fā)展到影響行車安全或危害輪胎，路表面有大量白色細屑。

2.2 形成機理

水泥混凝土中的堿集料反應(yīng)有堿-硅酸反應(yīng)和堿-碳酸鹽反應(yīng)兩種形式[5]。堿-硅酸反應(yīng)是混凝土粗集料中含有非晶質(zhì)的活性二氧化硅（SiO2）與水泥中存在的堿性氧化物（Na2O、K2O）水解后生成的產(chǎn)物（KOH、NaOH）反應(yīng)，在集料表面生成堿-硅酸凝膠體，這種膠體物質(zhì)遇水膨脹后引起混凝土破壞；堿-碳酸鹽反應(yīng)是水泥中的堿與粗集料中的白云石之間在水的作用下反應(yīng)引起體積膨脹，使混凝土開裂。與堿-硅酸反應(yīng)不同的是，堿-碳酸鹽反應(yīng)繼續(xù)產(chǎn)生堿，繼續(xù)反復(fù)與白云石反應(yīng)。

2.3 產(chǎn)生成因

（1）水泥含堿量大。某些地方生產(chǎn)的水泥含堿量大，水泥含堿量大都在1.2%以上，有的高達1.6%，加上高含堿量外加劑的使用，使單位混凝土中的含堿量增大，提供了生產(chǎn)堿集料反應(yīng)的內(nèi)在條件。

（2）相對濕度較大。當(dāng)相對濕度低于80%時，混凝土不會發(fā)生堿集料反應(yīng)，即相對干燥的外部環(huán)境對防止或減輕堿集料反應(yīng)是有利的。如果路面排水不暢，接縫損壞，路基潮濕毛細水上升，會使得混凝土路面處于濕度較大的環(huán)境中，為堿集料反應(yīng)提供了外部條件。

（3）集料的堿活性成分較高。當(dāng)混凝土集料中含有較高的堿活性成分時，水泥的含堿量如果超過0.6%時，易發(fā)生堿集料反應(yīng)。

3. 粗集料凍融裂紋（D裂紋）

3.1 形態(tài)

粗集料凍融裂紋是在混凝土表面接近縱橫向接縫、自由邊邊緣或裂縫處出現(xiàn)的許多密布的半月型細裂紋，表面常有氫氧化鈣殘留物，使裂紋周圍變成暗色，最終導(dǎo)致接縫或裂縫0.3～0.6m范圍內(nèi)的混凝土崩解。這種裂縫通常要到道路運營幾年，甚至十幾年后才會發(fā)現(xiàn)。

粗集料凍融裂紋的破損程度分級如下：

輕微--裂紋出現(xiàn)在縫或自由邊附近0.3m范圍內(nèi)，裂紋較為細小，縫未發(fā)生碎裂，在0.3m范圍內(nèi)無修補痕跡。

中等--裂紋明顯可見，出現(xiàn)在縫或自由邊附近，范圍大于0.3m，受影響區(qū)內(nèi)的裂縫出現(xiàn)輕微或中等碎裂，部分小碎塊散失或被填補。

嚴重--裂紋進一步發(fā)展，范圍大于0.3m，有的達到0.6m，受影響區(qū)內(nèi)裂縫出現(xiàn)嚴重碎裂，不少材料散失。散失的碎塊面積達到0.1m2甚至更大，有的已經(jīng)被修補。

3.2 形成機理

按照膨脹壓和滲透壓理論，吸水飽和混凝土在凍融過程中遭受的破壞力主要由兩部分組成：其一是膨脹壓力，當(dāng)混凝土中的毛細孔在某負溫下發(fā)生物態(tài)變化，由水轉(zhuǎn)化成冰時體積膨脹，受毛細孔的約束而產(chǎn)生拉應(yīng)力；其二是滲透壓力，由于表面張力作用，混凝土中毛細孔水的冰點隨著孔徑的減少而降低，因而在粗孔中的水結(jié)冰后，由冰與過冷水的飽和蒸汽氣壓差和過冷水之間鹽分濃度差引起水分遷移而形成滲透壓。另外，過冷水遷移滲透結(jié)果必然會使毛細孔中冰的體積不斷增大，從而形成更大的膨脹壓力。當(dāng)混凝土受凍時，這兩種壓力會損傷混凝土內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)。經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，損傷逐步積累不斷擴大，當(dāng)混凝土的膨脹壓力超過其抗拉強度后，就會出現(xiàn)凍融循環(huán)破壞。

3.3 產(chǎn)生成因

（1） 粗集料質(zhì)量是D-裂縫破壞產(chǎn)生的主要原因。粗集料性能不好，不能較好的承受凍融循環(huán)膨脹壓力：粗集料最大公稱粒徑較大時產(chǎn)生的膨脹壓力較大，產(chǎn)生裂紋的機率增大。飽和的粗集料在受凍時會向外排水，所以液相壓力來自于砂漿，也來自粗集料顆粒本身，如果這個壓力超過了粗集料的強度，它會破壞或脫離混凝土體，導(dǎo)致混凝土破壞。

（2） 冰凍地區(qū)及季節(jié)性寒冷地區(qū)發(fā)生粗集料凍融裂紋的機率很大，當(dāng)路面排水不暢，使得水分積聚，更易引起粗集料飽水而產(chǎn)生凍融裂紋。

（3） 寒冷地區(qū)在撒用除冰鹽時，路表的冰碴化凍會使其下方的混凝土突然受冷，溫度陡降，在局部產(chǎn)生反復(fù)的凍融循環(huán)，加劇了凍融裂紋的產(chǎn)生。

4. 結(jié)論

（1）在現(xiàn)行規(guī)范的基礎(chǔ)上，對紋裂和網(wǎng)裂、粗集料凍融裂紋的分級進行了調(diào)整，使其更符合工程測量需求。

（2）紋裂和網(wǎng)裂形成的機理在于塑性收縮、失水干縮和溫度變化收縮，產(chǎn)生的原因與施工、材料及設(shè)計有關(guān)，其中施工原因為主要成因。

（3）堿集料反應(yīng)裂紋的出現(xiàn)的機理是發(fā)生了堿-硅酸反應(yīng)和堿-碳酸鹽反應(yīng)，與水泥含堿量大、集料堿活性成分高以及環(huán)境濕度大有關(guān)。

（4）粗集料凍融裂紋產(chǎn)生的機理在于發(fā)生了膨脹壓力和滲透壓力，產(chǎn)生的主要原因在于粗集料質(zhì)量、環(huán)境溫度以及除冰鹽的過量使用。

參考文獻：

1 JTJ073.1-2001，公路水泥路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2001.

2 姚祖康，水泥混凝土路面設(shè)計理論和方法[M].北京：人民交通出版社，2003.

3 李世華，道路橋梁維修技術(shù)手冊[M].中國建筑工業(yè)出版社，2003.

作者簡介

李鵬宇（1984.8.23），男，學(xué)歷：西北工業(yè)大學(xué)工商管理學(xué)學(xué)士，單位：中鐵三局集團第五工程有限公司，