淺析水泥混凝土路面斷板的產(chǎn)生

水泥混凝土路面板的斷裂屬路面質(zhì)量不合格問題，是不允許出現(xiàn)的，多數(shù)施工單位均作返工處理。但據(jù)國內(nèi)外資料，個別斷板尚難以避免，故現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定：高速公路和一級公路容許斷裂塊數(shù)為評定路段混凝土板總塊數(shù)的0.2%，其他等級公路為0.4%。為此，搞清斷裂原因，并且采取切實可行的預(yù)防措施是十分必要的。現(xiàn)就省道秀里線莆田路段水泥混凝土路面修復(fù)工程施工過程中斷板的產(chǎn)生原因分析及防治過程，筆者認為具有特殊性和典型性，能較好地指導(dǎo)今后實際工作中碰到的類似問題的處理。1工程概況該工程名稱為省道秀里線莆田路段水泥混凝土路面修復(fù)工程三標段工程；道路等級為二級山嶺重丘公路，起點樁號K69+130，終點樁號K70+750，路線里程1.62km；路面橫斷面布置為：0.5m路緣石+2.0m輔道+4.5m主道+4.5m主道+2.0m輔道+0.5m路緣石；橫縫設(shè)置為主道每6m設(shè)置一道，輔道每3m設(shè)置一道。施工時間為2005年3月22日至2005年8月2日。施工質(zhì)量要求達到驗收優(yōu)良標準。2斷板的產(chǎn)生2005年4月7日開始澆筑路面混凝土，首先澆筑K69+400～K70+118.32段右幅輔道路面混凝土。4月15日從K69+403.15開始澆筑右幅主道路面混凝土。由于當(dāng)時氣溫不是很高，施工人員沒有對混凝土進行覆蓋養(yǎng)護。第二天，即4月16日早上進行切縫時發(fā)現(xiàn)4月15日澆筑的K69+403.15～K69+557.84段右幅主道混凝土板出現(xiàn)兩條橫向裂縫。4月17日早上進行切縫時發(fā)現(xiàn)4月16日澆筑的K69+557.84～K69+702.15段右幅主道混凝土板也出現(xiàn)兩條橫向裂縫，并且4月15日澆筑的K69+403.15～K69+557.84段右幅主道混凝土板又出現(xiàn)一條新的橫向裂縫。所有裂縫都是橫向并貫通整塊面板，而且是連續(xù)的板塊，甚至其中有兩條裂縫是在同一塊板上的。3初析斷板產(chǎn)生的原因混凝土板斷裂的本質(zhì)是混凝土內(nèi)溫度應(yīng)力與荷載應(yīng)力大于混凝土的抗拉強度。3.1裂縫表現(xiàn)形式3.1.1干縮裂縫在水泥混凝土中，水在水泥石中是以化學(xué)結(jié)合水，層間水物理吸附水以及毛細水等狀態(tài)存在著，當(dāng)這些水在混凝土硬化過程中失去時，水泥混凝土本體就會受縮，這些就是干縮。但是這是自由收縮，還不會導(dǎo)致裂縫的發(fā)生，惟有收縮受到限制而發(fā)生收縮應(yīng)力時，才容易產(chǎn)生干燥收縮裂縫。水泥漿干縮的內(nèi)部限制主要是混凝土中骨料對水泥漿的限制。在普通水泥混凝土中，水泥漿的收縮率被限制了90%，所以混凝土內(nèi)部經(jīng)常存在著引起干縮裂縫的應(yīng)力狀態(tài)。干縮裂縫一般為表面或不規(guī)則斷板。3.1.2冷縮裂縫和一般材料一樣，水泥混凝土具有熱脹冷縮性能，混凝土板塊的熱脹冷縮都是在相鄰部分或整體性限制條件下發(fā)生的，故熱脹屬于變形壓縮，而冷縮則屬于拉伸變形很容易開裂。水泥的水化過程是一個放熱過程。在混凝土硬化過程中釋放大量熱能，致使溫度上升，在通常溫度范圍內(nèi)，混凝土溫度上升1℃，每米膨脹0.01mm。這種溫度變形對大面積板塊極為不利。有資料表明，水泥水化過程中的放熱速度是變化的，初始較慢，25min后增溫，大約在終凝后12h的水化熱溫度可達80～90℃。使內(nèi)部混凝土產(chǎn)生顯著的體積膨脹，而板面溫度隨著晚上氣溫降低，濕水養(yǎng)護而冷卻收縮，致使混凝土路面內(nèi)部膨脹，外部收縮，產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。當(dāng)外部混凝土的受拉應(yīng)力一旦超過混凝土當(dāng)時的極限抗拉程度時，板塊就產(chǎn)生裂縫后橫向斷裂。此外，從最高溫度降溫，由于受到已有基層或已硬化混凝土的約束力，在溫度下降時，就不能自由收縮，就要產(chǎn)生裂縫，這種裂縫大多是貫通路面的。當(dāng)板溫均勻下降時，其溫度差引起的應(yīng)力可用下式計算：板中：σx=ErαΔTP/(1-μc)板邊：σx=-ErαΔTP式中：α—混凝土的線膨脹系數(shù)，一般為1×10-5；p—因溫度應(yīng)力作用時間長，考慮徐變影響的應(yīng)力松弛系數(shù)，一般取2/3；ΔT—溫度差；μc—混凝土各齡期的泊松比，設(shè)為0.15；Er—混凝土各齡期的彈性模量（MPa）。3.2裂縫產(chǎn)生的原因分析發(fā)現(xiàn)裂縫后，所有參與工程各方技術(shù)人員根據(jù)以往經(jīng)驗，從幾個方面對裂縫產(chǎn)生的原因進行了分析。3.2.1原材料不合格（1）水泥安定性差，強度不足。安定性差是水泥中游離氧化鈣（f－CaO）超過限量，水化慢，硬化后繼續(xù)起水化作用，破壞已硬化的水泥致使抗拉強度下降。此外水泥的水化熱高、收縮大也易導(dǎo)致開裂。（2）集料（砂、碎石）含泥量及有機質(zhì)含量超標，導(dǎo)致混凝土早期斷裂。本工程采用的是龍巖生產(chǎn)的三德牌回轉(zhuǎn)窯水泥，花崗巖碎石及閩江砂，檢驗指標均合格，因此可以否定此項。3.2.2基層標高失控和不平整（1）基層標高失控，造成路面厚度不一致，在過薄或過厚交界處，混凝土收縮時易開裂。（2）基層不平整，增大界面的摩阻力，薄弱斷面極易開裂。（3）用松散材料處理基層標高或不平整（已不容許這種做法），而混凝土下部水份下滲（或被基層吸收）而使混凝土變得疏松，強度下降，導(dǎo)致開裂。（4）基層干燥從而吸收混凝土中水份，使混凝土底部失水，強度降低，導(dǎo)致開裂。本工程施工中基層標高和平整度均經(jīng)嚴格檢驗達到合格標準，澆筑路面混凝土前對基層進行了灑水濕潤，因此也可以否定此項。3.2.3混凝土配合比不當(dāng)一般要求施工配合比強度應(yīng)比設(shè)計強度提高15％。（1）單位水泥用量偏大，收縮加大；水泥用量偏少，強度不足，均易導(dǎo)致混凝土路面早期斷裂。為此，應(yīng)嚴格控制單位水泥用量。根據(jù)交通部第二公路勘察設(shè)計院試驗研究表明，水泥混凝土路面中水泥最佳用量為280～320kg／m3。（2）水灰比偏大。水泥水化的最低水灰比約0.26～0.29，施工時根據(jù)和易性的需要予以增加，但一般要求在0.45以下。偏大的水灰比將增加水泥混凝土初期骨料表面的水膜厚度，降低混凝土強度，易引起混凝土路面早期斷裂。本工程單位水泥用量298kg，水灰比0.4，均符合要求，因此也否定此項。3.2.4施工工藝不當(dāng)（1）攪拌不足或過分，造成粗骨料沉底，細骨料滯留上層，致使振搗不密實，形成混凝土強度不足或不均勻，易導(dǎo)致混凝土早期開裂斷板。（2）攪拌時水泥或集料溫度過高，加上水泥的水化熱造成混凝土硬化過程中溫差收縮加大而開裂。（3）由于停電、機械故障或氣候突然改變等原因而使混凝土澆筑間斷。若此時按施工縫處理，則新舊混凝土由于結(jié)合不良，收縮不一致而造成斷板。（4）切縫不及時或切縫深度不足是施工工藝不當(dāng)造成開裂的主要原因。如果能在混凝土成型后立即切縫，裂縫只會發(fā)生在切縫處，即可防止不規(guī)則的早期裂縫，但混凝土切縫必須在終凝以后。當(dāng)切縫前遇到氣溫驟降，則極易發(fā)生不規(guī)則的早期開裂。（5）養(yǎng)護不及時或養(yǎng)護方法不當(dāng)造成開裂。尤其是氣溫高、日夜溫差較大、濕度小、風(fēng)速大的不利條件更易發(fā)生混凝土板斷裂。本工程施工中攪拌過程符合施工規(guī)范要求，不是此次裂縫產(chǎn)生的原因。但混凝土澆筑完后沒有進行覆蓋養(yǎng)護，致使混凝土表面失水較快，這是路面混凝土產(chǎn)生干縮裂縫的一個因素。再者，由于水化熱的作用，混凝土表面溫度可達到40～50℃，而當(dāng)時氣溫不是很高，但晝夜溫差較大，查當(dāng)時最高氣溫為27℃，最低氣溫12℃，氣溫溫差15℃；混凝土表面溫度按42℃計算，與最低氣溫溫差為42-12=30℃，根據(jù)上述公式，查有關(guān)資料：在Er=2.5×104MPa；ΔT=30℃時，則板中的溫度應(yīng)力為：σx=2.5×104×1×10-5×30×2/3/(1-0.15)=5.88MPa一般混凝土抗彎拉強度僅為抗壓強度的1/8～1/7，即為4.38～5.0MPa，本段水泥混凝土設(shè)計抗彎拉強度為5.0MPa，可見氣溫溫差30℃的溫度應(yīng)力超過混凝土的設(shè)計抗彎拉強度，板塊的橫向裂縫已不可避免。還有一個原因就是切縫時間都是在混凝土成型的第二天早上，成型混凝土歷經(jīng)了當(dāng)天氣溫最低時段，使得混凝土板內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力無以釋放，導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。4斷板的繼續(xù)產(chǎn)生基于上述裂縫產(chǎn)生的原因分析，4月21日澆筑K69+702.15～K69+853.37右幅主道、4月22日澆筑K69+853.37～K69+931.39右幅主道路面混凝土?xí)r，在原材料、基層控制、配合比控制及施工工藝方面均嚴格按照規(guī)范要求進行施工，混凝土澆筑完后采用塑料布進行覆蓋養(yǎng)護，并在混凝土強度達到10MPa左右就及時進行切縫。但在4月23日上午檢查時發(fā)現(xiàn)該段混凝土板繼續(xù)出現(xiàn)了連續(xù)斷板現(xiàn)象，有六塊板出現(xiàn)斷板，其中兩塊板有兩條裂縫，均是橫向裂縫，且貫通整塊板。5再析斷板產(chǎn)生的原因裂縫的繼續(xù)產(chǎn)生使得技術(shù)人員再次聚在一起討論分析其原因，以便采取有效措施，防止裂縫產(chǎn)生。注意到裂縫均產(chǎn)生在主道混凝土板中間附近，也即輔道伸縮縫附近。從基層裂縫會導(dǎo)致面層混凝土板出現(xiàn)反射裂縫的啟示，估計路面混凝土板的裂縫是輔道伸縮縫引起的伸縮裂縫。查施工記錄之前每段主道混凝土都在輔道混凝土剛澆筑完1～2d就澆筑了，輔道剛澆筑完1～2d天，混凝土硬化過程還處于早期，收縮量大，縮縫還處于剛發(fā)展階段，為此，輔道面板的收縮應(yīng)力通過摩擦及傳力桿鋼筋傳給主道混凝土面板，并在輔道縮縫附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，對主道面板產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而使主道混凝土板出現(xiàn)裂縫。之后，在4月23日當(dāng)天澆筑主道混凝土?xí)r，在主道與輔道之間的縱縫涂刷瀝青，使雙方自由伸縮。所有參與工程各方的技術(shù)人員經(jīng)研究決定，把主道、輔道的縮縫設(shè)置統(tǒng)一改為每5m一道，對于主道混凝土板來說，寬4.5m，長5m，符合設(shè)計規(guī)范對混凝土板長寬宜在1.3∶1的規(guī)定，而對于輔道混凝土板來說，其承載負荷較小，長寬比可以放寬要求。由于右幅輔道已澆筑至K70+039.95樁號處，因此K69+931.39～K70+039.95段右幅及K69+403.15～K70+039.95段左幅只能采取縱縫涂刷瀝青的措施來防止裂縫的產(chǎn)生，并且把K69