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    行業知識
    水泥混凝土路面裂縫的防治
    添加時間:2013-09-25    閱讀次數:1125
    水泥混凝土路面裂縫的防治
    作者:邵明彥 文章來源:※筑路人※
    摘 要

    作者參與修建長清區長炒路改建工程時,對各種裂縫的產生原因進行了詳細地探討,找 出裂縫的成因,在路基的成型、施工,半剛性基層的施工、控制及水泥混凝土的施工工藝, 原材料的選擇,配合比的控制等各個方面做出詳盡說明,并對預防水泥混凝土裂縫提出了新的認識。

    關鍵詞

    水泥混凝土路面 裂縫 防治 路基沉降量 氣溫變化影響 砼配合比 水灰比 路面接縫


    長炒路改建工程于2004年8月完工,改建后的長炒路為二級 公路,設計行車時速80公里/小時,設計使用周期30年,路面結 構為20cm的水泥混凝土路面+20cm的水泥穩定風化料基層+20cm的石灰土底基層。盡管在 施工中加強了質量管理并改進了施工工藝,但仍是不斷出現各種 類型的裂縫。這些裂縫(不包括面板的干縮裂縫)多半發生在混 凝土面板澆注后的1~2天內,位置大多在距縮縫1米的范圍內, 個別也有在面板中部開裂的。縫寬隨時間的延續,由細發展到 寬,細的只有0.1mm,仔細查找才能發現。縫深可貫通板面,嚴 重時基層也會斷裂。橫向縫較縱向縫居多。

    造成面板開裂的因素是很多的,只要施工中不謹慎隨時都可以出現面板的各種裂縫。當混凝土面板的抗拉、抗折強度低于 混凝土的收縮和翹曲應力時,裂縫就會產生,而隨著時間、氣溫 變化、雨水滲入及行車作用,會最終導致全部路面的破壞,目前 尚無理想的修補方法。對裂縫嚴重的面板只有鏟掉重澆新板,在 澆注前應在相鄰板的接觸面處鉆孔埋設傳力桿。面板裂縫輕微且 不再發展的,可以采取修補。修補工作不但費工費料,外觀難 看,而且工藝繁雜,使用效果也不及原有的整體板。為此,施工 過程中要嚴格管理,精心組織,最大限度地降低裂縫的產生。

    1 保證路基最佳密實度

    路基的沉降會使其強度減弱,要使沉降一點不發生也是不可能的,即使是路基達到98%的密實度,那么還有2%的空隙率, 有空隙就會有沉降。微量的沉降不會造成路基的破壞。因此,為 保證路基足夠的穩定性,就必須把沉降量減小到最小值,尤其要 避免發生影響嚴重的不均勻沉降。靠自然沉落減小沉降的做法 在高等級公路施工中是不合適,尤其是工期短的工程,更無可 能。即使采用加載預壓,也是不經濟的。

    路基發生沉降有兩種情況:一是地基軟弱,未做好加固處 理,其承載能力低于覆蓋在它上面的填土層重力的壓縮變形;二 是填土層壓實不好,密實度小于設計要求,其強度必然不足,在 自重和外力作用下就會發生變形,密實度愈小其變形愈大。

    為減少因地基沉降而造成的路基變形,在填筑路基前,先清除地基表面的農作物、樹木雜 草以及腐殖土,然后用重型壓路機械多遍碾壓,使地基壓實度不 小于93%。

    長炒路全線有300米的地基不良地段(屬地基過濕),承載力 不足1.2kg/cm2,車輛在地基上無法行走。填筑路基須先加固地 基,并利用冬春地下水位下降的有利條件,深犁地基土30厘米 深,晾曬,再摻以8%劑量的石灰翻拌碾壓至密實。經檢測,地 基壓實度已達90%以上。

    為使路基有良好的密實度和提高其強度,減少路基的塑性 變形和滲透系數,從而增加穩定性,使填土層的沉降量減小到最 低限度,結合施工單位的現有碾壓設備,在填筑路基時采取“分 層填筑”和“薄層多壓”的做法,每層厚度不超過30cm。曾在 K3+000~K3+100段填筑長100米的試驗段,層厚50cm,填土層 的土質為粘性土,用18 噸振動壓路機在最佳含水量時,碾壓五遍后檢測其壓實度小于93%(達 不到設計要求),繼續碾壓到十遍,再檢測其壓實度,發現無明 顯提高。相鄰一段層厚30cm的填土層長200米,用同樣的粘性 土和碾壓機械,當碾壓至第四遍后,檢測其壓實度已達93%~95%。在有大噸位壓實機 械的條件下,如50噸振動壓路機,重夯以及強夯等,可適當增 加每層的填筑厚度,具體的層厚應根據不同的機械經試驗確定。 為保證有均勻的強度,必須強調“分層填筑”,因不同層次有不同 的壓實度要求。

    2 提高基層的強度與穩定性

    混凝土路面的基層必須具有剛度大、整體性強和水穩性好。 常用的基層結構有石灰粉煤灰穩定碎石、石灰土、工業廢渣類等 半剛性基層。石灰土宜作為底基層,不宜作為水泥混凝土等高級 路面的基層。石灰土的初期強度和水穩性較低,同時干縮,冷縮 易產生裂縫。從面層縫隙滲入的水會使石灰土基層表面水化,降 低強度,同時也易使面層滑動。長炒路工程采用水泥穩定碎石, 它比石灰穩定土好,因為它的水穩性好。長炒路工程的基層強度 要求灑水養生7天,其飽水無側限抗壓強度>0.8Mpa,28天應 達到1.2Mpa以上。有一合同段試鋪的石灰土底基層,經檢測壓實 度、灰劑量等各項指標都符合要求,唯做灰土飽水試驗時,當一 組試件僅在水中浸泡1~4小時,所有試件都已松散,根本談不上 有強度。在這樣的基層上修筑路面最終造成基層松散/滑動,而 使面層坑槽、龜裂連片。

    基層強度的均勻性及平整度對混凝土面板質量影響較大。基 層施工時若拌和不勻、不同土質混雜使用,灰和土不過篩或粉碎 不好而團塊多、平整度差,新老路基結合部處理的不好等等都會 造成基層強度的不均勻、基層平整度差,還會使混凝土面板厚度 不一以及由此引起的面板內應力不等和增加混凝土板底的摩阻 力,這在溫度應力作用下,易使面板斷裂。為此,在驗收基層交 工時,除按中華人民共和國交通部頒布的《公路工程質量檢驗評 定標準》規定的項目外,還應增加檢驗基層彎沉值、拌和均勻度、含水量等有關項目,使基層能給混凝土面板提供均勻而穩定 的支撐,且能防止唧泥和凍脹等不良影響,保證路面有較好的整 體強度和平整度,達到延長混凝土路面的使用壽命的目的。

    3 施工溫度對混凝土面板的影響

    3.1 溫度裂縫產生原因

    混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱,內部溫度不斷上 升,在表面引起拉應力。后期在降溫過程中,由于受到基礎或老 混凝土的約束,又會在混凝土內部出現拉應力。氣溫的降低也會 在混凝土表面引起很大的拉應力。當這些拉應力超出混凝土的 抗裂能力時,即會出現裂縫。許多混凝土的內部濕度變化很小或 變化較慢,但表面濕度可能變化較大或發生劇烈變化,如養護不 周、時干時濕,表面干縮形變受到內部混凝土的約束,也往往導 致裂縫。混凝土是一種脆性材料,抗拉強度是抗壓強度的1/ 10左右,短期加荷時的極限拉伸變形只有(0.6~1.0)×104, 長期加荷時的極限位伸變形也只有(1.2~2.0)×104。由于原材料不 均勻,水灰比不穩定及運輸和澆筑過程中的離析現象,在同一塊 混凝土中其抗拉強度又是不均勻的,存在著許多抗拉能力很低, 易于出現裂縫的薄弱部位。在鋼筋混凝土中,拉應力主要是由鋼 筋承擔,混凝土只是承受壓應力。在素混凝土內或鋼筋混凝土 的邊緣部位如果結構內出現了拉應力,則須依靠混凝土自身承 擔。一般設計中均要求不出現拉應力或者只出現很小的拉應力。


    但是在施工中混凝土由最高溫度冷卻到運轉時期的穩定溫度,往 往在混凝土內部引起相當大的拉應力。有時溫度應力可超過其它 外荷載所引起的應力,因此掌握溫度應力的變化規律對于進行合 理的結構設計和施工極為重要。

    3.2 溫度應力的分析

    根據溫度應力的形成過程可分為以下三個階段:

    (1)早期:自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結束,一般約30 天。這個階段有兩個特征,一是水泥放出大量的水化熱,二是混 凝土彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化,這一時期在混 凝土內形成殘余應力。

    (2)中期:自水泥放熱作用基本結束時起至混凝土冷卻到穩定 溫度時止。這個時期中,溫度應力主要是由于混凝土的冷卻及外 界氣溫變化所引起,這些應力與早期形成的殘余應力相疊加,在 此期間混凝土的彈性模量變化不大。

    (3)晚期:混凝土完全冷卻以后的運轉時期。溫度應力主要是 外界氣溫變化所引起,這些應力與前兩種的殘余應力相迭加。

    根據溫度應力產生的原因可分為兩類:

    (1) 自生應力:邊界上沒有任何約束或完全靜止的結構,如果內部溫度是非線性分布的,由于 結構本身互相約束而出現的溫度應力。例如,橋梁墩身,結構尺 寸相對較大,混凝土冷卻時表面溫度低,內部溫度高,在表面出 現拉應力,在中間出現壓應力。

    (2)約束應力:結構的全部或部分邊界受到外界的約束,不能 自由變形而引起的應力。如箱梁頂板混凝土和護欄混凝土。


    這兩種溫度應力往往和混凝土的干縮所引起的應力共同作用。要想根據已知的溫度準確分 析出溫度應力的分布、大小是一項比較復雜的工作。在大多數情 況下,需要依靠模型試驗或數值計算。混凝土的徐變使溫度應力 有相當大的松馳,計算溫度應力時,必須考慮徐變的影響,具體 計算這里就不再細述。

    3.3 溫度的控制和防止裂縫的措施

    為了防止裂縫,減輕溫度應力可以從控制溫度和改善約束條 件兩個方面著手。

    (1)控制溫度的措施

    1)采用改善骨料級配,用干硬性混凝土摻混合料加引氣劑或 塑化劑等措施以減少混凝土中的水泥用量;

    2)拌和混凝土時加水或用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆筑 溫度;

    3)熱天澆筑混凝土時減少澆筑厚度,利用澆筑層面散熱;

    4)在混凝土中埋設水管,通入冷水降溫;

    5)規定合理的拆模時間,氣溫驟降時進行表面保溫,以免混 凝土表面發生急劇的溫度梯度;

    6)施工中長期暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結構,在寒冷 季節要對其采取保溫措施;

    (2)改善約束條件的措施

    1)合理地分縫分塊;

    2)避免基礎過大起伏;

    3)合理的安排施工工序,避免過大的高差和側面長期暴露;

    (3)添加外加劑

    為保證混凝土工程質量,防止開裂,提高混凝土的耐久性, 正確使用外加劑也是減少開裂的措施之一。例如使用減水防裂劑,筆者在實踐中總結出其主要作用為:

    1)混凝土中存在大量毛細孔道,水蒸發后毛細管中產生毛細 管張力,使混凝土干縮變形。增大毛細孔徑可降低毛細管表面張 力,但會使混凝土強度降低。這個表面張力理論早在六十年代就 已被國際上所確認。

    2)水灰比是影響混凝土收縮的重要因素,使用減水防裂劑可 使混凝土用水量減少25%。

    3)水泥用量也是混凝土收縮率的重要因素,摻加減水防裂劑 的混凝土在保持混凝土強度的條件下可減少15%的水泥用量,其 體積用增加骨料用量來補充。

    4)減水防裂劑可以改善水泥漿的稠度,減少混凝土泌水,減 少沉縮變形。

    5)提高水泥漿與骨料的粘結力,提高的混凝土抗裂性能。

    6)混凝土在收縮時受到約束產生拉應力,當拉應力大于混凝 土抗拉強度時裂縫就會產生。減水防裂劑可有效的提高的混凝土 抗拉強度,大幅提高混凝土的抗裂性能。

    7)摻加外加劑可使混凝土密實性好,可有效地提高混凝土的 抗碳化性,減少碳化收縮。

    8)摻減水防裂劑后混凝土緩凝時間適當,在有效防止水泥迅 速水化放熱基礎上,避免因水泥長期不凝而帶來的塑性收縮增 加。

    9)摻外加劑混凝土和易性好,表面易摸平,形成微膜,減 少水分蒸發,減少干燥收縮。

    許多外加劑都有緩凝、增加和易性、改善塑性的功能,我們 在工程實踐中應多進行這方面的實驗對比和研究,比單純的靠改善外部條件,可能會更加簡捷、經濟。

    4 嚴格掌握混凝土的配合比和水灰比

    混凝土的配合比和水灰比對強度起至關重要的作用。一般 都能做到依據水灰比與強度關系曲線進行計算和選配合理的配合 比,但關鍵是在實際施工中要按采用的配合比嚴格執行,堅決杜 絕上料不過秤。

    在長炒路工程中根據不同廠家的水泥和工地實際采備的砂 石料,采取現場取樣試配,以校核各施工單位報檢的配合比,凡 不經監理處批準的配合比一律不得使用。規定統一使用山東水泥 廠生產的普通硅酸鹽水泥,不得隨意使用礦渣水泥來澆筑面板, 水泥標號不低于425號,要求混凝土單位用量不超過320kg/m 3,水灰比不大于0.45,混凝土單位重不小于2400kg/m 3,含砂率控制在27~30%間。混凝土的試配強度比設計強度提高10%,即抗 壓強度大于33Mpa,抗折強度大于5Mpa。

    鉆芯取樣抽驗幾個已斷裂的面板發現,它們28天抗折強度 大多數都小于設計強度,有的混凝土單位質量不足2400kg/m 3,有的試件含有黃褐色小點兒,說明砂料不凈夾有土粒。露天堆放 的砂石料,會沾染泥灰雜物,若不清除勢必影響混凝土的質量。 為此,監理處明文規定:砂子要過篩,石子在進入拌和設備前應 用鼓風機吹凈塵土和石粉。若泥土雜物含量超過5%不易吹凈 時,應加水沖洗,使雜質含量小于1%。

    在兩條脹縫間盡量選用同一廠家生產的同一品種水泥。特 別是脹縫處最好使用同一批號的水泥,避免因水泥不同影響面板 混凝土強度的均勻性。

    每天每個作業面至少做兩組試件,以抽檢其配合比和強 度。夏季多雨天氣還要隨時檢查其砂石材料的含水量,調整混凝 土的用水量。

    5 認真做好混凝土路面的接縫

    接縫隨其性能不同構造各異。接縫的質量直接關系到混凝 土路面的使用效果。

    5.1 脹縫

    溫度升高出現混凝土的熱脹,易使脹縫出現破損現象。據 有關資料介紹,采用混凝土的線膨脹系數a=1×10-5 (℃)和混凝土彈性模量E=3×105kgf/cm2 ,當混凝土面板比在澆筑時的溫度提高10℃時,其脹縫處的應力σ = a.E.t°=30kgf/cm2 。此時若脹縫板和傳力桿施工時位置不正確、或傳力桿活動端不自由、 以及脹縫面不垂直、縫內掉入石子等硬粒、縫兩側強度不均等均 會造成面板的破損、錯臺現象。

    脹縫施工工藝復雜,要求高,不合格的脹縫會加劇對面板 的破壞,因此脹縫施工時必須認真操作。脹縫應與路面中心線垂 直,當遇到斜交橋涵處,應設置不小于3塊板長(約15米)的漸變 段,以逐漸調整縫的方向,并在漸變段內配置鋼筋網和傳力鋼 筋。縫壁必須上下垂直,縫隙寬度一致。

    脹縫的傳力桿在水平和垂直兩個方向的位置都要正確,固定后的傳力桿必須平行于板面及路面中線。其固定方法應按《水 泥混凝土路面施工規范》第4.6.1條規定的頂頭木模固定法及小 支架法施工。傳力桿的活動端要能活動自由,面板脹縮時才不會 頂壞或拉破。制備傳力桿時,兩端要鋸斷,不應剪切斷,以保持 完整的圓截面,達到端部光滑,不帶刺角。活動端應用穩定性較 好的石油瀝青,加熱到110℃后,把桿的一端放入熱瀝青中浸泡2 分鐘以上,附在桿端的熱瀝青膜不宜過厚,再在滑石粉中滾一下 以防粘連。安裝時要求將傳力桿活動端放入套管內,外面再用塑 料布包裹并纏在桿上,以防混凝土灰漿進入套管中。

    5.2 縱縫

    簡單的是做成平豎直縫,兩幅面板處的縱縫,用螺紋鋼筋制 成的拉桿連接,拉桿位置在1/2板厚處。縱縫側面用石油瀝青均 勻涂刷2至3遍,但應避免將熱瀝青涂刷在螺紋鋼筋的拉桿上。

    5.3 縮縫

    為抵抗混凝土的冷縮應力而設置的縮縫,均應使用切縫 法。有時也配合使用壓縫法,即在每隔25米先壓一道縫,然后再 每隔5米一道切縫,以防混凝土面板過早開裂。例如有一次澆筑 的一批面板中斷裂了一塊,三天后鉆芯取樣看到基層平整無破 損,面板達到設計厚度且均勻,試件養生28天后試壓,計算其強 度符合設計要求。據工地反映系切縫不及時所致。

    壓縫施工若工藝不細,極易造成壓縫處平整度差,縫邊混凝 土易破碎,所以一般不提倡使用。《施工規范》明確規定在機場 和高速公路上必須采用切縫法。

    長炒路工程全部使用切縫法做縮縫。

    切縫法主要是用切縫機切割,操作時要做到縫寬一致,一 般縫寬為6--8mm,過窄的縫,填縫時有困難,但目前市場出售 4mm厚的鋸片,使縫寬趨向變窄。縫深不小于4cm(有的資料 提出深度不小于板厚1/3),且深度要一致,防止兩端淺中間深的 不均現象。切縫時間要及時,過早會破損混凝土,過晚面板會斷 裂,一般以混凝土達到設計強度的25~30%時為宜,目前也有的 單位用時250~300個溫度小時來掌握切縫時間(澆筑后的時間 與日平均氣溫之積)。外觀力求美觀整齊,橫向相鄰的縮縫要對 齊,平曲線處更應注意按孤度等分功縫。

    5.4 施工縫

    其位置應與脹、縮縫的設計位置相吻合,其設置方法和要求 與脹縫相同。施工縫應盡可能減少,在目前缺少機械化施工的條 件下,大多是以人工作業居多,每個作業面一般日進度為150~ 200米,因而這種施工縫實際上都成了脹縫形式。

    5.5 填縫

    填縫是一道仔細的工序,它的質量好壞直接影響到路面 的使用和行車的效果。近年來隨著修建混凝土路面的增多, 其重要性逐漸被人認識。

    填縫要及時,在混凝土養護期后立即進行。填縫時應將 縫隙吹干凈,縫隙內要干燥,以促進縫料與縫壁面結合緊密不 滲水。

    常用的填縫料有:聚氯乙烯膠泥、瀝青橡膠、瀝青混合 料;另外還有聚氨酯焦油、聚氨酯整皮微孔泡沫塑料、空心橡膠嵌縫帶,因價格昂貴使用者 不多。在長炒路改建工程中推薦采用聚氯乙烯膠泥和瀝青橡 膠二種填縫料。聚氯乙稀膠泥具有較好的耐熱度和低溫塑性。 據有關資料介紹在-40℃的溫度下仍具有一定的延伸率,價格 也適中,且江蘇鎮江等地有成品出售,使用更為方便。瀝青橡 膠使用方便,價格適中,唯低溫延性較聚氯乙烯膠泥小。瀝青 混合料需自行配制,常因配比不當效果不好,出現夏季高溫 時外溢,低溫時填料低陷。

    脹縫下部的嵌條,常用的有經防腐無活節劈裂變形的軟 質木板條和瀝青橡膠嵌條。西安林產化學工廠研制的軟木非 擠凸型伸縫填料,其伸縮率高,已經有關部門鑒定推廣。脹縫 上部的4厘米縫隙采用聚氯乙烯膠泥填充。長炒路工程我們 全部采用填縫膠。

    6 重視混凝土的早期養護

    實踐證明,混凝土常見的裂縫,大多數是不同深度的表 面裂縫,其主要原因是溫度梯度造成。寒冷地區的溫度驟降 也容易形成裂縫。因此,混凝土的保溫對防止表面早期裂縫尤 其重要。

    從溫度應力觀點出發,保溫應達到下述要求:①防止混凝 土內外溫度差及混凝土表面梯度,防止表面裂縫;②防止混凝 土超冷,應該盡量設法使混凝土的施工期最低溫度不低于混 凝土使用期的穩定溫度;③防止老混凝土過冷,以減少新老混凝土間的約束。

    混凝土的早期養護,主要目的在于保持適宜的溫度、濕 度條件,以達到下述兩個方面的效果,一方面使混凝土免受 不利溫度、濕度變形的侵襲,防止有害的冷縮和干縮。一方面 使水泥水化作用順利進行,以期達到設計的強度和抗裂能力。

    適宜的溫度、濕度條件是相互關聯的。混凝土的保溫措 施常常也有保濕的效果。

    從理論上分析,新澆混凝土中所含水分完全可以滿足水 泥水化的要求而有余。但由于蒸發等原因常引起水分損失, 從而推遲或防礙水泥的水化,表面混凝土最容易而且直接受 到這種不利影響。因此混凝土澆筑后的最初幾天是養護的關 鍵時期,在施工中應切實重視起來。

    7 結束語

    修一條高質量的混凝土路,從設計到施工之間影響質量的 因素很多,一些理論和工藝有待探討和改進,以上對混凝土 裂縫的預防進行了理論上和實踐上的初步探討,在實踐中的 應用效果是比較好的,具體施工中要靠我們多觀察、多比較, 出現問題后多分析、多總結,結合多種預防處理措施,混凝土 的裂縫是完全可以避免的。

    參考文獻:

    ⒈JTJ053-94《公路工程水泥砼試驗規程》

    ⒉GBJ97-87《水泥砼路面施工及驗收規范》

    ⒊JTJ073-96《公路養護技術規范》
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