浅析水泥混凝土路面断板的产生

水泥混凝土路面板的断裂属路面质量不合格问题，是不允许出现的，多数施工单位均作返工处理。但据国内外资料，个别断板尚难以避免，故现行规范规定：高速公路和一级公路容许断裂块数为评定路段混凝土板总块数的0.2%，其他等级公路为0.4%。为此，搞清断裂原因，并且采取切实可行的预防措施是十分必要的。现就省道秀里线莆田路段水泥混凝土路面修复工程施工过程中断板的产生原因分析及防治过程，笔者认为具有特殊性和典型性，能较好地指导今后实际工作中碰到的类似问题的处理。1工程概况该工程名称为省道秀里线莆田路段水泥混凝土路面修复工程三标段工程；道路等级为二级山岭重丘公路，起点桩号K69+130，终点桩号K70+750，路线里程1.62km；路面横断面布置为：0.5m路缘石+2.0m辅道+4.5m主道+4.5m主道+2.0m辅道+0.5m路缘石；横缝设置为主道每6m设置一道，辅道每3m设置一道。施工时间为2005年3月22日至2005年8月2日。施工质量要求达到验收优良标准。2断板的产生2005年4月7日开始浇筑路面混凝土，首先浇筑K69+400～K70+118.32段右幅辅道路面混凝土。4月15日从K69+403.15开始浇筑右幅主道路面混凝土。由于当时气温不是很高，施工人员没有对混凝土进行覆盖养护。第二天，即4月16日早上进行切缝时发现4月15日浇筑的K69+403.15～K69+557.84段右幅主道混凝土板出现两条横向裂缝。4月17日早上进行切缝时发现4月16日浇筑的K69+557.84～K69+702.15段右幅主道混凝土板也出现两条横向裂缝，并且4月15日浇筑的K69+403.15～K69+557.84段右幅主道混凝土板又出现一条新的横向裂缝。所有裂缝都是横向并贯通整块面板，而且是连续的板块，甚至其中有两条裂缝是在同一块板上的。3初析断板产生的原因混凝土板断裂的本质是混凝土内温度应力与荷载应力大于混凝土的抗拉强度。3.1裂缝表现形式3.1.1干缩裂缝在水泥混凝土中，水在水泥石中是以化学结合水，层间水物理吸附水以及毛细水等状态存在着，当这些水在混凝土硬化过程中失去时，水泥混凝土本体就会受缩，这些就是干缩。但是这是自由收缩，还不会导致裂缝的发生，惟有收缩受到限制而发生收缩应力时，才容易产生干燥收缩裂缝。水泥浆干缩的内部限制主要是混凝土中骨料对水泥浆的限制。在普通水泥混凝土中，水泥浆的收缩率被限制了90%，所以混凝土内部经常存在着引起干缩裂缝的应力状态。干缩裂缝一般为表面或不规则断板。3.1.2冷缩裂缝和一般材料一样，水泥混凝土具有热胀冷缩性能，混凝土板块的热胀冷缩都是在相邻部分或整体性限制条件下发生的，故热胀属于变形压缩，而冷缩则属于拉伸变形很容易开裂。水泥的水化过程是一个放热过程。在混凝土硬化过程中释放大量热能，致使温度上升，在通常温度范围内，混凝土温度上升1℃，每米膨胀0.01mm。这种温度变形对大面积板块极为不利。有资料表明，水泥水化过程中的放热速度是变化的，初始较慢，25min后增温，大约在终凝后12h的水化热温度可达80～90℃。使内部混凝土产生显著的体积膨胀，而板面温度随着晚上气温降低，湿水养护而冷却收缩，致使混凝土路面内部膨胀，外部收缩，产生很大的拉应力。当外部混凝土的受拉应力一旦超过混凝土当时的极限抗拉程度时，板块就产生裂缝后横向断裂。此外，从最高温度降温，由于受到已有基层或已硬化混凝土的约束力，在温度下降时，就不能自由收缩，就要产生裂缝，这种裂缝大多是贯通路面的。当板温均匀下降时，其温度差引起的应力可用下式计算：板中：σx=ErαΔTP/(1-μc)板边：σx=-ErαΔTP式中：α—混凝土的线膨胀系数，一般为1×10-5；p—因温度应力作用时间长，考虑徐变影响的应力松弛系数，一般取2/3；ΔT—温度差；μc—混凝土各龄期的泊松比，设为0.15；Er—混凝土各龄期的弹性模量（MPa）。3.2裂缝产生的原因分析发现裂缝后，所有参与工程各方技术人员根据以往经验，从几个方面对裂缝产生的原因进行了分析。3.2.1原材料不合格（1）水泥安定性差，强度不足。安定性差是水泥中游离氧化钙（f－CaO）超过限量，水化慢，硬化后继续起水化作用，破坏已硬化的水泥致使抗拉强度下降。此外水泥的水化热高、收缩大也易导致开裂。（2）集料（砂、碎石）含泥量及有机质含量超标，导致混凝土早期断裂。本工程采用的是龙岩生产的三德牌回转窑水泥，花岗岩碎石及闽江砂，检验指标均合格，因此可以否定此项。3.2.2基层标高失控和不平整（1）基层标高失控，造成路面厚度不一致，在过薄或过厚交界处，混凝土收缩时易开裂。（2）基层不平整，增大界面的摩阻力，薄弱断面极易开裂。（3）用松散材料处理基层标高或不平整（已不容许这种做法），而混凝土下部水份下渗（或被基层吸收）而使混凝土变得疏松，强度下降，导致开裂。（4）基层干燥从而吸收混凝土中水份，使混凝土底部失水，强度降低，导致开裂。本工程施工中基层标高和平整度均经严格检验达到合格标准，浇筑路面混凝土前对基层进行了洒水湿润，因此也可以否定此项。3.2.3混凝土配合比不当一般要求施工配合比强度应比设计强度提高15％。（1）单位水泥用量偏大，收缩加大；水泥用量偏少，强度不足，均易导致混凝土路面早期断裂。为此，应严格控制单位水泥用量。根据交通部第二公路勘察设计院试验研究表明，水泥混凝土路面中水泥最佳用量为280～320kg／m3。（2）水灰比偏大。水泥水化的最低水灰比约0.26～0.29，施工时根据和易性的需要予以增加，但一般要求在0.45以下。偏大的水灰比将增加水泥混凝土初期骨料表面的水膜厚度，降低混凝土强度，易引起混凝土路面早期断裂。本工程单位水泥用量298kg，水灰比0.4，均符合要求，因此也否定此项。3.2.4施工工艺不当（1）搅拌不足或过分，造成粗骨料沉底，细骨料滞留上层，致使振捣不密实，形成混凝土强度不足或不均匀，易导致混凝土早期开裂断板。（2）搅拌时水泥或集料温度过高，加上水泥的水化热造成混凝土硬化过程中温差收缩加大而开裂。（3）由于停电、机械故障或气候突然改变等原因而使混凝土浇筑间断。若此时按施工缝处理，则新旧混凝土由于结合不良，收缩不一致而造成断板。（4）切缝不及时或切缝深度不足是施工工艺不当造成开裂的主要原因。如果能在混凝土成型后立即切缝，裂缝只会发生在切缝处，即可防止不规则的早期裂缝，但混凝土切缝必须在终凝以后。当切缝前遇到气温骤降，则极易发生不规则的早期开裂。（5）养护不及时或养护方法不当造成开裂。尤其是气温高、日夜温差较大、湿度小、风速大的不利条件更易发生混凝土板断裂。本工程施工中搅拌过程符合施工规范要求，不是此次裂缝产生的原因。但混凝土浇筑完后没有进行覆盖养护，致使混凝土表面失水较快，这是路面混凝土产生干缩裂缝的一个因素。再者，由于水化热的作用，混凝土表面温度可达到40～50℃，而当时气温不是很高，但昼夜温差较大，查当时最高气温为27℃，最低气温12℃，气温温差15℃；混凝土表面温度按42℃计算，与最低气温温差为42-12=30℃，根据上述公式，查有关资料：在Er=2.5×104MPa；ΔT=30℃时，则板中的温度应力为：σx=2.5×104×1×10-5×30×2/3/(1-0.15)=5.88MPa一般混凝土抗弯拉强度仅为抗压强度的1/8～1/7，即为4.38～5.0MPa，本段水泥混凝土设计抗弯拉强度为5.0MPa，可见气温温差30℃的温度应力超过混凝土的设计抗弯拉强度，板块的横向裂缝已不可避免。还有一个原因就是切缝时间都是在混凝土成型的第二天早上，成型混凝土历经了当天气温最低时段，使得混凝土板内部产生的拉应力无以释放，导致裂缝的产生。4断板的继续产生基于上述裂缝产生的原因分析，4月21日浇筑K69+702.15～K69+853.37右幅主道、4月22日浇筑K69+853.37～K69+931.39右幅主道路面混凝土时，在原材料、基层控制、配合比控制及施工工艺方面均严格按照规范要求进行施工，混凝土浇筑完后采用塑料布进行覆盖养护，并在混凝土强度达到10MPa左右就及时进行切缝。但在4月23日上午检查时发现该段混凝土板继续出现了连续断板现象，有六块板出现断板，其中两块板有两条裂缝，均是横向裂缝，且贯通整块板。5再析断板产生的原因裂缝的继续产生使得技术人员再次聚在一起讨论分析其原因，以便采取有效措施，防止裂缝产生。注意到裂缝均产生在主道混凝土板中间附近，也即辅道伸缩缝附近。从基层裂缝会导致面层混凝土板出现反射裂缝的启示，估计路面混凝土板的裂缝是辅道伸缩缝引起的伸缩裂缝。查施工记录之前每段主道混凝土都在辅道混凝土刚浇筑完1～2d就浇筑了，辅道刚浇筑完1～2d天，混凝土硬化过程还处于早期，收缩量大，缩缝还处于刚发展阶段，为此，辅道面板的收缩应力通过摩擦及传力杆钢筋传给主道混凝土面板，并在辅道缩缝附近产生应力集中，对主道面板产生拉应力，从而使主道混凝土板出现裂缝。之后，在4月23日当天浇筑主道混凝土时，在主道与辅道之间的纵缝涂刷沥青，使双方自由伸缩。所有参与工程各方的技术人员经研究决定，把主道、辅道的缩缝设置统一改为每5m一道，对于主道混凝土板来说，宽4.5m，长5m，符合设计规范对混凝土板长宽宜在1.3∶1的规定，而对于辅道混凝土板来说，其承载负荷较小，长宽比可以放宽要求。由于右幅辅道已浇筑至K70+039.95桩号处，因此K69+931.39～K70+039.95段右幅及K69+403.15～K70+039.95段左幅只能采取纵缝涂刷沥青的措施来防止裂缝的产生，并且把K69