混凝土路面裂缝分析与处理.doc

混凝土路面裂缝分析与处理第25卷第1期2007年2月青海大学(自然科学版)JoumalofQiw,hiUniversity(NatureScience)v0I.25N0.1Feb.20Or7混凝土路面裂缝分析与处理陈从兴(青海大学基建处,青海西宁810016)摘要:根据具体的工程实例,从混凝土本构关系,温度作用,路基沉陷等方面对一般混凝土路面出现的裂缝进行原因分析,并提出预防措施和处理方法.关键词:混凝土;路面;裂缝;预防措施中图分类号:U416.216文献标识码:B文章编号:10068996(2007)01003204混凝土道路具有很大的承载能力,可以满足道路的几何形状和各部尺寸,并随着时间的增长,强度不断地提高等优点,因此在城市和很多地区?昆凝土作为重要的建筑材料.由于受混凝土材料的自身原因及施工过程控制,施工环境等因素的影响,混凝土路面的裂缝直接影响着路面的美观,甚至严重影响着道路的承载力和耐久性.如何最大限度地发挥混凝土路面的使用品质,保持混凝土路面的刚性,整体性,一个重要的环节就是预防裂缝产生,特别是避免有害裂缝的出现,以确保工程质量.本文根据具体工程实例,分析了混凝土路面裂缝的原因,并提出了预防措施和处理方法.1混凝土路面裂缝原因分析混凝土是一种混合材料,其本构关系和性能由水泥,石,粗,细骨料性能及级配按一定比例搅拌混合而成.混凝土路面又不同于一般混凝构件.混凝土路面的面积较大,水平距离较长,在施工时多为长距离一次性浇筑.在搅拌,运输,震捣过程中,混凝土会在温度和湿度变化的条件下硬化并产生体积变形,由于各种材料变形不一致,互相约束而产生初始应力,造成骨料与水泥,石本身之间出现肉眼看不见的微细裂缝.混凝土路面的裂缝从产生到扩大,进而发展为道路的破坏是一个渐变的过程.其中初始裂缝产生原因的分析最为关键,因为裂缝一经产生,便会破坏混凝土路面的内部结构,改变内部应力分布,降低承载能力,进而还会出现由于裂缝引发的渗水导致路基下陷,压迫荷载冲击,胀缩摩擦破坏现象,从而又加剧路面裂缝扩展.路面裂缝调查统计见表1.表1路面裂缝调查统计1.1混凝土本构关系的影晌混凝土内部缺陷微裂缝引起的损伤,可从宏观上作如下的定性解释:在开始加载阶段,微裂缝处于均匀分布状态,在每一独立裂缝周围有一应力释放区,即损伤区,有势的裂缝区在应力释放区边缘上,继续加载,应力释放区增大,独立裂缝开始连通,直到最后形成宏观裂缝,造成局部破坏.损伤变量D=/(01),再由=+,可得l_D=v./,从而可得有效应力的?收稿日期:20o6一o83O作者简介:陈从兴(197o_),男,陕西临渭人,工程师.第1期陈从兴:混凝土路面裂缝分析与处理33定义为;=aO”/(1一D),即=(1一D)a;(1)式中,:为名义应力.由于混凝土在拉伸和压缩应力状态,其微裂缝的发展特性不同,所以需采用不同的损伤变量D.(1-D;+(2)从方程(1)和(2)可见,为计算名义应力,首先要确定;,D和D.有效应力;按内时弹塑性关系确定.其优点是不需要屈服面的概念,从而也不需要遵守流动法则,这对于没有明显屈服面的混凝土材料是最适用的.:的具体计算公式可参见文献1.在混凝土的内部,骨料和砂浆之间交界面上存在着大量的裂缝或微裂缝.混凝土内部的微裂缝受荷载作用后引起应力高度集中.但如果路面荷载在设计允许荷载范围内,即便是出现裂缝应属于正常情况.混凝土结构设计规范结构构件在荷载标准值作用下,允许出现大于0.05啪宽度的裂缝.即构件可从微观裂缝扩大到可接受的宏观裂缝,最大裂缝宽度限值(cornil)为0.20.3舯2】.一般情况外部荷载较小时,裂缝扩展比较缓慢,形成慢裂传播过程,外部荷载增大时混凝土材料的应变与裂缝的平衡成为不稳定状态,裂缝的扩展迅速增大,形成快速裂传播过程,此时即使是微量的应力增加,应变也会迅速增大,并首先在裂缝隙的局部位置上形成微观破损,当荷载进一步增大后,局部的微观破损将成为薄弱的环节而不断向整体扩大,当达到某一数值时形成明显的可见裂缝.在极限荷载下,荷载达到极限荷载的20%左右,混凝土内产生拉应变,应力高度集中的各点产生新裂缝;荷载增加微裂缝扩展,使混凝土内部组织结构失去连续性;此时的内部结构特征是结构内部的连续性遭到破坏,也是材料破坏的开始.1.2温度应力裂缝混凝土路面面积较大,水平浇筑的距离较长,受到外界温度影响程度会远远高于一般混凝土构件.在混凝土的凝结过程中,混凝土的内部温度梯度非常平缓,而混凝土路面层表面和路面边沿与外界接触面积非常大,混凝土路面层表面温度主要由外部温度决定.混凝土路面层表面在白天直接受日晒的影响温度较高,晚上温度降低,有时13温差可达20C.昼夜产生温度的骤然变化使混凝土产生收缩和膨胀,加之混凝土初凝期间的强度降低,很容易产生裂缝.路面表层温度变化大,裂缝相对较宽,沿路面厚度的温度变化趋于缓和,裂缝的剖面为上大下小.由温度产生的裂缝一般为表面裂缝或深度裂缝,但由于裂缝后的路面会产生应力集中和内部应力重分布,其它因素产生的裂缝会在此裂.缝的基础上加深.因此,在混凝土浇筑时应特别注意保温,尽量使用麻袋和草袋覆盖,使用塑料薄膜时要尤其注意.因使用中的混凝土路面一年四季直接暴露于阳光下,即按照要求J,混凝土路面应设置变形缝.目前施工更多地采用”先浇筑,后切割”的方法.这种方法能保证变形缝处衔接的平整度,接口平整光滑,施工速度快,感观好.缺点是切口宽度较小,油膏不容易封填密实,会因渗水造成路面沉降,如果切口深度不够,没有贯穿路面,就很难起到应有效果,混凝土路面会因膨胀挤压产生变形裂缝.这种裂缝在缝口处上翘,并有集中的密集细小裂缝和碎块.变形缝的设置和施工更是不可忽视,受外界气温,养护方法,路面厚度及混凝土本身性能等许多因素的影响.龄期时混凝土的表面温度可作如下近似计算:/l(I)=+云h(hh)AT()fL式中:龄期t时混凝土的表面温度;龄期t时的环境温度.青海大学校园内主干道总长1200rn,(225混凝土道路.2005年5月7日8号楼处,当日上午开始浇筑,次日发现混凝土路面板图1温度应力裂缝青海大学第25卷出现了横向裂缝,裂缝宽度l2mln,其形状如图l所示.原因及机理:当时浇筑混凝土时白天最高气温24,夜晚最低气温6,气温下降造成混凝土施工温差较大,另外现场还发现采取了塑料薄膜和草袋覆盖养护措施的部位没有出现裂缝.因此,温度应力是造成此裂缝的主要原因.温度与应力的关系如图2所示,此图是以混凝土浇筑入模时的时间t.,温度死,应力作为原点,是经过时间t混凝土开始凝结硬化的温度,此时混凝土热胀开始受到约束并产生压应力.随着水泥水化热的不断释放,温度急剧上升.混凝土热胀受到的约束作用和所伴生的约1束压应力亦迅速增大,到时间t时,温度和压应力各达到最大值与:.之后,因散热温度开始下降,混凝土开始冷缩,压应力亦下降,图2温度f与应力d关系在时间t,时温度降到,压应力降为O,再转变为拉应力.当时间到达t并温度降到时,约束拉应力增大到(此时.=混凝土的极限抗拉强度,=),随即出现裂缝.资料显示L2大于死,不一定大于,因此如何保证与的温差尽可能小,或使温度的到来时间延长,是保证混凝土不出现温度应力裂缝的前提.最好的办法是保温.有研究表明,混凝土早期的极限拉伸应变大多在10010左右,在早期可承受不致引发裂缝的温差为814C-3】.所以混凝土一旦到了终凝以后,如果没有采取覆盖保温措施,再加上气温的突变,混凝土内外温差较大,容易引起开裂.1.3荷载作用的影响混凝土路面在使用过程中,路面内部的微裂缝受荷载作用后,引起应力的高度集中从而造成裂缝扩展.此时混凝土路面的应变能与裂缝的平衡成为不稳定状态,随着应力的增加,首先在裂缝的局部位置上形成微观破损(图3),当荷载进一步增大后,局部的微观破损将成为薄弱环节而不断向整体扩大,裂缝为通缝,裂缝的上部缝隙细小,多且杂乱,并会产生微小碎片(图4).此时的裂缝已影响到路面的正常使用功能,必须经过修复方可使用.图3裂缝微观破损图4裂缝向整体扩大在一般的道路维护工作中,除了加强施工阶段对路面的保护外,主要重点应放在路面竣工投入使用后的限定通行车辆的荷载管理上,尽可能减少路面活荷载对道路的破坏,延长道路的使用寿命.1.4沉陷产生的裂缝这种裂缝主要是由于路基整体刚度差,地基持力层承载力不足和强度未达到设计要求而造成路面贯通式裂缝,这种裂缝一般与地面垂直,或成3O40o角方向发展,宽度因荷载大小而第1期陈从兴:混凝土路面裂缝分析与处理35异,与沉降值成比例.在许多情况下,外力作用是水泥混凝土路面开裂的原因之一,例如,路基局部的膨胀或沉陷是由于水泥混凝土板上的力作用于没有充分压实的路基表层或弹簧土没有进行换土处理这样路段时,路基产生局部不均匀沉陷或冻胀融沉.由于路基的沉陷,隆起引起板面开裂,有时板面下悬空,经过行车荷载和振动,而造成纵向贯通式裂缝.同时,在路面以下有大量的管线或管沟,如雨水管线,污水管线,供水管线,供暖管线,还有供电,通讯,网络等管沟.管线漏水或管沟排水不畅形成的积水都会降低地基承载力,使地基出现不均匀沉陷(图5).因此,保证路基质量,是预防板面断裂裂缝最可靠措施.2混凝土路面裂缝防治的措施图5管线漏水产生裂缝2.1保证路基的稳定性,强度的均匀性和密实性路基表层原,级配碎石或砾石的集料公称最大粒径宜为26.5咖n或19.0mm.小于0.075film的细粒含量不得大于5%,小于4.75mill的颗粒含量不宜大于50%,细粒土的液限应小于25%,塑性指数应小于6.承受重交通时,水泥剂量宜为5%;中等和轻交通时,水泥剂量宜为4%,石灰粉煤灰稳定粒料的集料公称最大粒径宜为26.5Innl.小于0.075Innl的细粒含量不得大于7%;小于4.75rnIn的颗粒含量不宜大于50%.石灰与粉煤灰的配比宜为l:21:4;粒料与石灰粉煤灰的配比宜为85:1580:20_3J.对于高填方的路段,最好经过一定时间的自然下沉和行车碾压.2.2注意施工的自然条件在青海地区,为了减少或避免水化热裂缝,最好的施工期是5lO月,这样可以缩小混凝土内部和外部的温差,亦可适应掺一些缓凝型减水剂,用粉煤灰部分替代水泥既可减少水化热,又可提高混凝土的和易性,在特殊情况下,混凝土道路最好选用矿渣水泥等水化热低的水泥.降低入模温度也是一项有效措施.混凝土温升的热源是水化热,因此,降低水泥用量,就能有效地降低水泥的水化热.减小水泥用量的主要措施有选择粗细骨料级配良好且最大粒径尽可能多的骨料,在相同的水灰比时,用540lrlm骨料比用525lnln骨料省水泥20kg/m左右;采用粗砂比细砂可节省水泥.在满足混凝土和易性条件下尽可能降低坍落度,这样可以减少用水量和水泥用量.2.3减小混凝土干缩混凝土的干缩主要是混凝土中多余的水分不断蒸发所致,据有关研究资料表明51,水泥水化所需的水量只有水泥重量的25%左右(即水灰比的0.25);而实际工程上应用的水灰比比这大得多,这种混凝土含有较多的多余水分,因而干缩较大.采用满足施工条件的最小用水量的混凝土,对减小混凝土的干燥收缩是有利的.减小混凝土单位用水量的途径有掺人减水剂,粉煤灰;选用含泥量小的骨料;选用形状与级配好,吸水率小,弹性模量大的骨料等.2.4增加混凝土路面的厚度混凝土板是水泥混凝土路面的最重要的结构层,具有较好的力学性能,弹性模量,较大的承载能力和扩散荷载的能力.因此,水泥混凝土路面结构的大部分承载力由路面板承担,并把承受的车轮荷载分布到板下基础的较大范围内.水泥路面板应具有足够的强度和一定的厚度,以便抵抗车轮荷载作用下混凝土板内产生的应力.由于水泥混凝土的抗弯拉强度比起抗压强度小得多,在车轮荷载的重复作用下,昆凝土路面板受弯拉的部位最容易产生断裂裂缝而破坏.因此,弯拉应力是面板的主要设计依据.(下转第42页)42青海大学第25卷海省政府对项目的高度重视会使项目在实施时享受到不高于每度0.20元的优惠电价,在项目建设时颇具优势.本省还具有市场优势.纵观国际国内光伏产业发展趋势,未来我国太阳能光伏产业的最大市场在西部.因为西部是我国太阳能资源最丰富区,全年日照时数为30003300h,年太阳能总辐射为66808400MJ/m,具有发展太阳能产业得天独厚的优越条件.今后太阳能光伏产业的发展方向是大规模并网系统及荒漠电站,源自青海新闻网2006年的资料表明:青海省荒漠化土地面积为1916.6hm2,占全省总面积的26.7%.由此可见,太阳能利用在青海省有着广阔的前景.2006年青海省重点项目”年产1000t单晶硅项目”已开工建设,2007年投产,仅此一项,一年就需要10001500t的多晶硅材料.同时,青海省的劳动力相对低廉,土地价格便宜,在一定程度上能降低产品的生产管理成本.3.3结合产业链现状建设多晶硅生产项目大规模的太阳能级多晶硅生产线不宜走孤立建设之路,应该在已形成太阳电池产品链雏形的地区或具备大力发展光伏产业的地区,实施3000t以上的多晶硅项目,形成以工业硅为基础,多晶硅生产基地一单晶硅生产线一太阳电池组件封装的太阳电池产品链,并使该产品链成为国内光伏产业链的基石.推动国内可再生能源和新能源技术及相关产业持续,快速,健康发展,