水泥混凝土路面炎热季节早期收缩裂缝的类型、成因、防止及控制
水泥混凝土路面炎热季节早期收缩裂缝的类型、成因、防止及控制
吴菊华 江伟伟
通过分析混凝土开裂的类型及原因,总结出混凝土路面面板开裂是多方面因素造成的,而主要因素则在于材料、施工及结构设计三方面。
水泥砼路面裂缝类型、成因及控制水泥混凝土路面裂缝的形式是多种多样,其产生的原因也是多种多样的。有施工不当引起的早期表层开裂,有基层脱空引起的面板全厚度断裂,有在荷载和温度应力共同作用下的疲劳开裂,有活性集料反应引起的网裂,也有板长过长的翘曲或过量收缩而产生的横向裂缝等。裂缝的出现将对混凝土面板的持久强度和行车性能有很大的影响。
一、裂缝的类型及影响因素
混凝土面板的裂缝,可分为表面裂缝和贯穿全厚度裂缝。
1、表面裂缝。混凝土面板的表面裂缝主要是混凝土浇筑后表面未及时覆盖,在炎热或大风天气,表面游离水分蒸发过快,混凝土体积急剧收缩和化学、碳化反应引起的塑性收缩裂缝、化学收缩裂缝和碳化收缩裂缝等。塑性收缩裂缝是混凝土失水引起的收缩裂缝,新拌和的混凝土颗粒之间的空间完全充满水,混凝土表面经过振荡,从而形成表层沁水,当混合料表面水的蒸发速度比沁水速度快时,产生毛细管负压力,随着失水增加,毛细管负压逐渐增大,产生收缩力,使浆体产生收缩。当收缩力大于基体的抗拉强度时,就会使表面产生开裂。影响混凝土塑性收缩的主要因素是风速、相对湿度、气温和混凝土本身的温度。化学收缩裂缝主要是无水熟料与水起化学反应,使固相体积逐渐增加而水泥-水体系的总体积逐渐减少的缘故。具体地说是由水化前后反应物和生成物的平均密度不同引起的。碳化收缩裂缝是大气中的CO2在存在水的条件下与水泥水化产物作用生成CaCO3、硅胶、铝胶和游离水而引起的收缩,产生收缩的原因在于这些游离水的蒸发。碳化作用必定产生游离水,这些游离水蒸发时产生毛细管张力,从而引起浆体收缩。但浆体在充分干燥和水饱和的情况下不易产生碳化作用,因此碳化作用和碳化收缩均发生在混凝土表面,对碳化收缩影响最大的是相对湿度。
2、贯穿裂缝。水泥混凝土路面贯穿面板全厚度的横裂缝、纵裂缝、交叉裂缝、板角断裂等。(1)横向裂缝。垂直路方向出现的裂缝称为横向裂缝。主要是干缩裂缝和冷缩裂缝,路面切缝不及时造成的干缩、冷缩裂缝。干缩裂缝主要原因是水分在混凝土硬化后较长时间产生水分蒸发引起的。干缩裂缝最重要的影响因素是单位用水量。冷缩裂缝主要是水泥混凝土的热胀冷缩造成的。这种裂缝大多是贯穿路面的。水泥混凝土路面施工时,采用切缝将路面分成块,以防止路面的干缩和冷缩裂缝,但由于施工中切缝的时间难以控制准确,故造成混凝土路面出现横向裂缝,从混凝土收缩因素考虑,最好是混凝土中水泥水化初始阶段就切,但实际上因抗压强度过低,根本无法切缝。所以,切缝不及时,就会导致水泥混凝土路面横向裂缝产生。(2)纵向裂缝。顺路方向出现的裂缝称为纵向裂缝。水泥混凝土路面的传荷顺序为面层、基层、垫层、路基。尽管面板传到路基顶面的荷载应力值小,往往不会超过0.05Mpa,但路基作为支承层却很重要。由于路基填料土质不均匀,湿度不均、膨胀性土,冻土,碾压不密实等原因,导致路基支承不均匀,在混凝土浇筑前,基底弹性模量在不符合规范要求情况下而盲目施工,在路基稍有沉陷时,在板块自重和行车压力作用下而产生纵向断裂。 (3)交叉裂缝。两条或两条以上相互交错的裂缝称为交叉裂缝。产生交叉裂缝的主要原因:一是水泥混凝土强度不足,车轮荷载应力和温度应力作用下产生交叉裂缝;二是路基和基层的强度与水稳性差,一旦受到水的侵入,将会发生不均匀沉陷,在行车作用下混凝土板产生交叉裂缝;三是由于水泥的水化反应和碱骨料反应。水泥混凝土在拌和、运输、振捣、凝结、硬化的过程中,始终存在着水泥的水化反应。水泥水化反应在混凝土发生升温和降温过程中产生体积的膨胀变形,如果用了安定性差的水泥,浇筑的混凝土路面就会产生大面积龟裂或交叉裂缝。
二、防止早期收缩裂缝的技术措施
对于塑裂由于产生在混凝土的塑性状态，如有效地控制其发展则不会成为危害水泥混凝土路面的主要因素。在施工中安排专人对新浇筑的混凝土面板进行看护，及时发现、及时进行抹面处理即可解决。对于缩裂，应该做为控制水泥混凝土路面的主要质量通病进行治理，主要应采取以下技术措施：
1、缩小施工现场温度差、湿度差，抑止收缩
（1）合理地安排作业时间，尽量避免在中午气温高峰时间进行施工，尽可能地把施工时间安排在早上或傍晚。这样水泥进行水解固化反应时，不会因周围环境的气温骤变而产生较大的影响。
（2）水箱加盖、水管掩埋，保证施工用水的温度。必要时还要对碎石适当洒水降温，以降低拌和物与周围环境的温度差。
（3）缩短作业延迟时间，把在烈日和旱风下作业的时间缩短到最短，无法避免时可设遮阳棚。
（4）控制开始养生的时间及条件，保证混凝土养生龄期。应在混凝土浇筑完成，收浆后即开始覆盖洒水养生，同时要保证覆盖物表面保持在湿润状态，一般养生龄期为7天。 （5）因为大风对拌和物的水分蒸发量比高气温还要大，所以大风天气应停止水泥混凝土路面的施工。如不可避免，则要采取必要的防风措施。
（6）在施工水泥混凝土路面前，还要注意对基层的顶面进行整平及洒水润湿。这样可保证混凝土路面厚度均匀，受力和变形均匀，同时减少因基层干燥引起的混凝土路面过分失水。
2、严格控制施工配合比，保证混凝土的自身强度
（1）对集料的含泥量要进行严格的控制，特别是砂子中夹杂的泥团要筛出，涂裹粘土的碎石要清洗或剔除。
（2）加强对水泥质量的复检，特别是水泥的安定性。水泥中的游离氧化钙（f-CaO）在凝结过程中水化很慢，水泥凝结硬化后还在继续起水化作用，当f-CaO超过一定限量时，就会破坏已经硬化的水泥石或使抗拉强度下降。
（3）控制好施工水灰比，严格按配合比投料。水泥混凝土的强度主要取决于其内部起胶结作用的水泥石的质量，水泥石的质量取决于水泥的特性和水灰比。水灰比对强度的影响是很大的，但不是唯一的影响因素。因此，根据混凝土强度与水泥水化的固体产物在有效空间的关系，即强度增长与胶空比的关系，合理地确定施工水灰比，并严格按配合比投料，是确保水泥混凝土路面质量的重要措施。
3、及时进行割缝，诱导裂缝在接缝位置展开
（1）及时及早锯切横缩缝，缝深必须严格达到设计要求深度，在缩裂发生前及早形成弱断面。需要时，还可以考虑在横缩缝位置的混凝土板底部加设诱导裂缝的木块，使弱断面效应更加显著。
（2）道路设窨井处，横缩缝要骑窨井设置（横缝连线平分井框），使窨井部位自然形成弱断面与横缩缝合而为一，否则在井框部位易形成不规则早期收缩裂缝。
（3）锯缝设备配置不足时，宜先隔3—4块板跳锯一条横缝，最后补齐。不得已时还可以考虑以压缝代替锯缝。
三、裂缝的控制
1、原材料的使用控制。(1)水泥。高速、一级和重交通二级公路混凝土路面推荐采用旋窑生产的质量稳定、性能可靠的水泥,不得使用立窑生产的水泥。优先使用道路硅酸盐水泥,宜采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥;中等以下交通量的路面,也可采用矿渣硅酸盐水泥;正常施工条件宜使用普通型水泥,不宜使用R型水泥;水泥的矿物组成、物理性能等路用品质要求应符合标准中规定要求。(2)细骨料选用中粗砂。砂的质量要求应符合普通混凝土用砂石标准中的规定,特别注意云母和泥土的含量。同时含砂率对混凝土的工作性能、抗压强度以及弹性模量均有不同程度的影响,因此应控制其最佳含砂率。(3)粗骨料的石料强度、压碎指标、针片状和软弱颗粒含量、含水率、吸水率、坚固性、磨耗率和磨光值等应符合标准中的规定,严格注意其含泥量及有害成分的含量。(4)外加剂的选用与掺量。采用高效能减水剂是配制高强度混凝土的重要方法,所选用的减水剂必须满足水泥混凝土外加剂技术标准规定,以便达到小水胶比,低用水量,大坍落度的高性能混凝土预期效果。(5)混凝土强度配比应切合实际,注意原材料自然性能的不利因素,控制最佳含量配比,尤其控制好水灰比,以减少混凝土内部的温度收缩、干燥收缩的应力,减少早期裂缝的产生。
2、控制路基、基层的施工质量。保证路基按规范要求施工,基层要有规定要求的强度和适宜的刚度,表面平整、密实无坑洼。
3、严格控制施工工艺。施工时,要按规范的技术要求和施工工艺生产。铺筑试验段,做好总结用以指导生产。混凝土拌和时,要准确把握最佳搅拌时间,搅拌充分但不过分;根据不同的标号、运距、气候,其坍落度也不尽相同。现场设置检查坍落度的设备,严把质量关;振捣方式要正确,防止混凝土过振、欠振或漏振;如果水泥和集料温度过高,要进行降温处理,保持混凝土拌合物摊铺温度不超过35℃,防止温差开裂;严格掌握切缝时间,一般当混凝土达到设计强度25%—30%时进行切缝,切缝深度宜为板厚1/5—1/3;采用真空吸水工艺时,防止漏吸;按设计图纸和技术规范要求准确安装传力杆等。
4、做好养护工作。水泥混凝土路面的养生是施工作业中的最后一道工序,养护的优劣,决定着人们施工目的能否实现。水泥混凝土路面宜采用喷洒养生剂同时保湿覆盖的方式养生,或用覆盖塑料薄膜养生。在雨天或养生用水充足的情况下,也可采用覆盖保湿膜、土工毡、土工布、麻袋、草袋、草帘等洒水湿养生方式。不宜使用围水养生方式。昼夜温差>10℃以上的地区或日平均温度不大于5℃施工混凝土路面应采取保温保湿养生措施。
5、设计方面控制。设计单位要精确验算,合理设计。在理论分析的基础上,要更多地结合工程使用的经验,优化水泥混凝土路面设计。根据水泥混凝土刚性路面的结构承重特点,合理确定设计板厚及板面尺寸,同时要合理确定路面设计总结构厚度和边筋、角隅筋、拉杆、传力杆等的设计尺寸及位置。
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