水泥混凝土路面裂縫的防治

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(wěn)定風化料基層+20cm的石灰土底基層。盡管在 施工中加強了質(zhì)量管理并改進了施工工藝，但仍是不斷出現(xiàn)各種 類型的裂縫。這些裂縫(不包括面板的干縮裂縫)多半發(fā)生在混 凝土面板澆注后的1～2天內(nèi)，位置大多在距縮縫1米的范圍內(nèi)， 個別也有在面板中部開裂的。縫寬隨時間的延續(xù)，由細發(fā)展到 寬，細的只有0.1mm，仔細查找才能發(fā)現(xiàn)。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(xiàn)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(chǎn)生，而隨著時間、氣溫 變化、雨水滲入及行車作用，會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(fā)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，大限度地降低裂縫的產(chǎn)生。

1 保證路基佳密實度

路基的沉降會使其強度減弱，要使沉降一點不發(fā)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(wěn)定性，就必須把沉降量減小到小值，尤其要 避免發(fā)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(jīng)濟的。

路基發(fā)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(fā)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(nóng)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(jīng)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(shù),從而增加穩(wěn)定性,使填土層的沉降量減小到 低限度,結合施工單位的現(xiàn)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(zhì)為粘性土，用18 噸振動壓路機在佳含水量時，碾壓五遍后檢測其壓實度小于93%（達 不到設計要求），繼續(xù)碾壓到十遍，再檢測其壓實度，發(fā)現(xiàn)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(jù)不同的機械經(jīng)試驗確定。 為保證有均勻的強度，必須強調(diào)“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(wěn)定性

混凝土路面的基層必須具有剛度大、整體性強和水穩(wěn)性好。 常用的基層結構有石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石、石灰土、工業(yè)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(wěn)性較低，同時干縮，冷縮 易產(chǎn)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(wěn)定碎石， 它比石灰穩(wěn)定土好，因為它的水穩(wěn)性好。長炒路工程的基層強度 要求灑水養(yǎng)生7天，其飽水無側(cè)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(jīng)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(zhì)量影響較大。基 層施工時若拌和不勻、不同土質(zhì)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(nèi)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(zhì)量檢驗評 定標準》規(guī)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(wěn)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(chǎn)生原因

混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱，內(nèi)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(nèi)部出現(xiàn)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(xiàn)裂縫。許多混凝土的內(nèi)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(fā)生劇烈變化，如養(yǎng)護不 周、時干時濕，表面干縮形變受到內(nèi)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(wěn)定及運輸和澆筑過程中的離析現(xiàn)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(xiàn)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(nèi)或鋼筋混凝土 的邊緣部位如果結構內(nèi)出現(xiàn)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(xiàn)拉應力或者只出現(xiàn)很小的拉應力。


但是在施工中混凝土由高溫度冷卻到運轉(zhuǎn)時期的穩(wěn)定溫度，往 往在混凝土內(nèi)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(guī)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(jù)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(nèi)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(wěn)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(zhuǎn)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(jù)溫度應力產(chǎn)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(nèi)部溫度是非線性分布的，由于 結構本身互相約束而出現(xiàn)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(nèi)部溫度高，在表面出 現(xiàn)拉應力，在中間出現(xiàn)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(jù)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(shù)情 況下，需要依靠模型試驗或數(shù)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(guī)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(fā)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(jié)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(cè)面長期暴露;

(3)添加外加劑

為保證混凝土工程質(zhì)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(fā)后毛細管中產(chǎn)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(chǎn)生拉應力，當拉應力大于混凝 土抗拉強度時裂縫就會產(chǎn)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(fā)，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(jīng)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(jù)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(zhí)行，堅決杜 絕上料不過秤。

在長炒路工程中根據(jù)不同廠家的水泥和工地實際采備的砂 石料，采取現(xiàn)場取樣試配，以校核各施工單位報檢的配合比，凡 不經(jīng)監(jiān)理處批準的配合比一律不得使用。規(guī)定統(tǒng)一使用山東水泥 廠生產(chǎn)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(fā)現(xiàn)，它們28天抗折強度 大多數(shù)都小于設計強度，有的混凝土單位質(zhì)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(zhì)量。 為此，監(jiān)理處明文規(guī)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(zhì)含量小于1%。

在兩條脹縫間盡量選用同一廠家生產(chǎn)的同一品種水泥。特 別是脹縫處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(yè)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(diào)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(zhì)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(xiàn)混凝土的熱脹，易使脹縫出現(xiàn)破損現(xiàn)象。據(jù) 有關資料介紹，采用混凝土的線膨脹系數(shù)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(nèi)掉入石子等硬粒、縫兩側(cè)強度不均等均 會造成面板的破損、錯臺現(xiàn)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(diào)整縫的方向，并在漸變段內(nèi)配置鋼筋網(wǎng)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(guī)范》第4.6.1條規(guī)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(wěn)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(nèi)，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(cè)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(yǎng)生28天后試壓，計算其強 度符合設計要求。據(jù)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(guī)范》明確規(guī)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(xiàn)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(yè)居多，每個作業(yè)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(zhì)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(yǎng)護期后立即進行。填縫時應將 縫隙吹干凈，縫隙內(nèi)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(jù)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(zhèn)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(xiàn)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(jīng)防腐無活節(jié)劈裂變形的軟 質(zhì)木板條和瀝青橡膠嵌條。西安林產(chǎn)化學工廠研制的軟木非 擠凸型伸縫填料，其伸縮率高，已經(jīng)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(yǎng)護

實踐證明，混凝土常見的裂縫，大多數(shù)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(qū)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(fā)，保溫應達到下述要求:①防止混凝 土內(nèi)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低溫度不低于混 凝土使用期的穩(wěn)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(yǎng)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(lián)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(fā)等原因常引起水分損失， 從而推遲或防礙水泥的水化，表面混凝土容易而且直接受 到這種不利影響。因此混凝土澆筑后的初幾天是養(yǎng)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(zhì)量的混凝土路，從設計到施工之間影響質(zhì)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(xiàn)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(guī)程》

⒉GBJ97-87《水泥砼路面施工及驗收規(guī)范》

⒊JTJ073-96《公路養(yǎng)護技術規(guī)范》

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