吳長飛

公路水泥混凝土路面裂縫分析

吳長飛

(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)際觀測出發(fā),對裂縫進(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5米,每25米設(shè)一道壓縫,其他為切縫;砼設(shè)計抗壓強(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

1.1 裂縫出現(xiàn)的時間和位置

路面澆筑后24小時內(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,次日即有開裂,這種裂縫對路面質(zhì)量并無影響,故不在討論范圍之列。在其他位置也出現(xiàn)部分無規(guī)則的裂縫,以第四區(qū)段為例,這種早期裂縫計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天時觀察,新出現(xiàn)4條,60天時觀察新出現(xiàn)6條,合計晚期裂縫共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

無論誘導(dǎo)縫還是任意縫都有其形成和發(fā)展的過程。開始時是在某一處出現(xiàn)一條深度較淺、長度較短且非常細(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、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,且長短不等)。這些半道裂縫絕大多數(shù)是晚期裂縫,它從某處開始,直到與切縫或壓縫相連通為止。只有個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

水泥砼拌合料從加水拌合開始到壓紋結(jié)束約經(jīng)兩個小時,從此開始觀測路面版的表面溫度和底面溫度,連續(xù)三個晝夜,每隔一小時記錄一次。通過兩次觀測,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,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,對短時間的氣溫變化反應(yīng)遲鈍。一般來說,一天之內(nèi)氣溫高峰在14時,表面溫度比底面高出(8～9)℃;氣溫最低時在早晨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12℃。這一觀測結(jié)果是符合常規(guī)的。特別是從拌合開始,在8～11小時以內(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。鉆頭對準(zhǔn)裂縫取芯,共計四塊,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,其時間并不長且水化進(jìn)程減慢,幾小時之后才出現(xiàn)第二次水化高峰。水化作用是一個復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程,與此同時外部形態(tài)也發(fā)生變化:可塑狀態(tài)——凝結(jié)——固化——強(qiáng)度增長。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)部各種力量的對比情況。水泥砼路面做為一個薄板構(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,通常情況下抗拉強(qiáng)度的增長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,基層對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說,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),一般來說,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造成路面版內(nèi)強(qiáng)度薄弱區(qū),裂縫的產(chǎn)生即從此開始。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對兩車料相接處振搗時沒有給以特別注意,因而形成一個強(qiáng)度薄弱的橫斷面。從裂縫的傾斜方向及裂縫擺動幅度與攤鋪情況相一致可以說明。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方面來說。①反射作用。某些特殊的土質(zhì)對溫、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,帶動路面基層和面層也開裂,是路面版產(chǎn)生裂縫的原因之一,底面首先開裂,延伸到頂面,裂縫則上下同寬。②路面基層強(qiáng)度的不均勻性會使路面版形成裂縫。如四區(qū)段有一涵洞動工較晚,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。而在澆注第二幅時已時隔多日亦未出現(xiàn)裂縫。另外在基層施工時如采用分段人工翻拌,在兩段交界處往往造成一個基層強(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,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)度時即產(chǎn)生裂縫。對于初具抗拉強(qiáng)度的路面版更是一個嚴(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刻,更加大了頂面和底面的溫差。有些國家如英國和日本,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)移動式帳蓬的措施。英國提出高溫時刻施工時在拌合水中加入碎冰以降低施工時混合料溫度。法國規(guī)定在氣溫大于30℃,濕度小于40%時不得施工。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機(jī)結(jié)合料,只有在高濕情況下強(qiáng)度才能正常增長,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,就會迅速失水,直接影響強(qiáng)度的增長和最終強(qiáng)度,并招致早期裂縫的發(fā)生。從實(shí)踐看,四個施工區(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

路面溫度觀測表明,水泥大量放出水化熱的時間是在加水拌合后8小時開始,持續(xù)時間為2.5～3個小時。這個時間正是氣溫下降的時間,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),特別注意兩車料的銜接部位;

(3)避免夏季高溫時間施工。對基層注意灑水濕潤,但不能有積水和泥濘;

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

(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)任何車輛行駛。盡可能采用濕沙養(yǎng)生方法,在無法采取其他措施時,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)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,2000.

[2] 中華人民共和國行業(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:中國水利水電出版社,2005.

責(zé)任編輯:文 月

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吳長飛(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)。