浅析水泥混凝土路面的病害原因与防治

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  【摘 要】水泥混凝土路面是一种刚度大、扩散荷载能力强、稳定性好的路面结构。由于路面经常受重交通荷载、环境条件等外部作用,致使水泥混凝土路面使用性能下降,引起路面的断板,影响了公路运输的效益和行车安全,因此,必须采取措施,加强对水泥混凝土路面的设计、施工及养护管理。本文分析了水泥混凝土路面常见的病害产生原因为混凝土面板破坏和接缝破坏两个方面,而后探讨了防治对策,并提出了相应的预防建议。 
  【关键词】水泥混凝土路面 ;病害 裂缝;断板;成因;预防措施
  Analyses of cement concrete pavement in the disease causes and prevention and control 
  水泥混凝土路面适应日益发展的交通运输所必需的载重量大、速度高、车流量大等要求,同时具有强度高、稳定性好、使用寿命长、维修养护费用少等许多优点。但是,由于路面经常受重交通荷载、环境条件等外部作用,致使水泥混凝土路面使用性能下降,以致出现各种类型的损坏现象,常见的四大类病害:断裂类病害、竖向位移类病害、接缝类病害、表层类病害。断裂类主要指纵、横、斜向裂缝和交叉裂缝、断裂板等;竖向位移类主要指沉陷和胀起;接缝类主要指裂缝的填缝料损坏、唧泥、错台和拱起等;表层类主要指坑洞、露骨、网裂和起皮、粗集料冻融裂纹、修补损坏等。
  病害产生的原因大体分为混凝土面板破坏和接缝破坏两个方面。
  1. 混凝土板本身的破坏
  混凝土板的破坏主要是断裂和裂缝。混凝土是一种非匀质脆性材料,由骨料、水泥、水以及存留在其中的部分气体组成,在具有一定的温度和湿度情况下,混凝土硬化并产生体积变形,由于组成混凝土的材料其变形不一致,互相约束产生初始应力,造成在骨料与水泥石粘结面之间或水泥石本身之间产生微细裂缝,这些裂缝既不规则,也不连贯,在外界因素影响下,还可能发展成宏观裂缝。水泥混凝土路面裂缝主要表现为表层裂缝和贯通板厚裂缝(贯穿裂缝)。
  1.1 在水泥混凝土路面上,表层裂缝的主要表现形式为龟裂。即混凝土路面表面上呈现碎小的六角形花纹状裂缝,裂缝很浅。其产生的原因既有设计上的原因,也有施工方面的原因。
  1.2 设计方面的原因主要是指混凝土配合比设计不当。因水份蒸发,使干缩产生的拉应力大于混凝土的抗拉强度,使混凝土产生裂缝水泥中的硅酸二钙可产生很多肢体,它在干湿作用下,体积变化很大。水泥中的铝酸三钙水化时需大量的水,养护过程中膨胀值大,干燥时收缩亦大。这两种物质含量大时干缩性亦大。混凝土中的用水量对干缩值有很大的影响,当用水量增加一定百分数时,干缩值成倍增加。此外,骨料的大小和级配也对干缩值有密切关系。级配良好时,空隙率小,砂浆含量减少,收缩值相对减少。对使用偏细砂时,会使混凝土收缩值增大。含泥量大的情况与使用偏细砂相类似。
  1.3 施工方面的原因主要是混凝土浇注后没有及时覆盖所造成的。混凝土浇注后,尤其是在炎热的天气或大风天气里,如果不及时覆盖,混凝土表面的游离水分蒸发过快,产生急剧的体积收缩,而此时混凝土早期强度很低,其值不能抵抗这种收缩应力而导致开裂。
  1.4 贯穿裂缝是指水泥混凝土路面板产生纵向(顺行车方向)、 横向(垂直于行车方向)贯穿板厚的裂缝,即断板现象。
  (1)纵向贯穿裂缝是指水泥混凝土路面发生平行于道路纵轴线方向的贯穿板厚的裂缝。其产生的原因是在路面施工后,由于地基沉降不均匀导致出现不均匀裂缝,而产生断板现象。如基层碾压不实,未达到密实标准,基层材料搅拌不均,都会导致基层不均匀沉降。如沟槽下沉、路基拓宽部分下沉等原因导致面板脱空,产生裂缝。
  (2)横向贯穿裂缝是指水泥混凝土路面发生垂直于道路纵轴线方向的贯穿板厚的裂缝。其产生的原因一是混凝土本身的性质——混凝土抗拉强度太低造成的,二是由于施工不当——切缝不符合要求造成的。
  (3)混凝土抗拉强度很低,一般只有混凝土抗压强度的1/17~1/18。混凝土的抗裂性就是指混凝土抵抗干缩变形和温度变形的能力,这些变形所引起的拉应力,如超过了混凝土的极限抗拉强度时,就发生裂缝。也就是说这些变形量超过了混凝土的极限拉伸应变值时,混凝土就产生裂缝,过大时就产生贯穿裂缝。
  (4)由于温度和湿度的变化,混凝土会产生体积膨胀和收缩现象,这种变形如受到限制,将会使混凝土内部产生内应力,就有可能产生裂缝。因而水泥混凝土路面上每隔一段距离要设置胀缝或缩缝,而切缝质量的好坏直接影响着水泥混凝土路面的质量。如切缝时间掌握不当,切割不及时;切缝深度不符合要求,切缝过浅,切缝为到头等因素均可以引起混凝土路面发生横向贯穿裂缝。
  1.5 在施工中预防断板的措施有以下几个方面:
  1.5.1 严格控制混合料组成配合比,使施工配合比与设计配合比相符合。在施工中要经常检查骨料的级配和杂质,发现所购进的骨料级配与原试验级配不符时,必须及时调整施工配合比,同时还要检查含泥量,使其不能超标。而在施工中最应注意的是水灰比的控制,如果水灰比忽大忽小,在摊铺时又不注意摊铺的均匀性,就会造成水灰比的不同片块,在其交界结合部,由于凝固收缩率或受热膨胀率不同,在结合部位形成裂缝和断板的情况;如果水灰比过大,混合料便偏稀,在其凝固成型时,收缩率就大,一旦缩缝设置和施工仍按正常进行,就会造成缩缝间距相对过长,从而易在较大的收缩应变作用下形成裂缝,如果进一步发展,还可以形成贯通的混凝土路面断板,因此,在施工中要严格把住混合料的配比关,特别是水灰比这一关。
  1.5.2 施工中严格把住材料关,是保证混凝土质量的前提。材料是构成混凝土路面的主体,如果由于施工中管理不严,购进材料质量低劣,那么这样的材料组成的混凝土路面面板的弯拉应力就达不到设计要求,很容易在施工期间产生不规则断裂,或在使用过程出现更多的病害。
  1.5.3 在施工中水泥混凝土必须振捣均匀密实。如果水泥混凝土振捣不均匀,将造成水泥混凝土的密实度不均匀。在密度小的区域内混凝土面板下部多成蜂窝和空洞状,形成了承受应力的薄弱部位或区域,从而易使面板产生断板。   1.5.4 在混凝土浇筑过程中,要始终保持施工作业的连续性,一旦出现间断作业,必须设置一道施工缝,并布置传力杆,以防止因不设施工缝而出现断板的现象。
  1.5.5 施工中及时正确地切缝是预防断板的有力措施。当水泥达到终凝后,水泥混凝土即告凝固成型,这时水泥混凝土体收缩变形也在不断进行,并产生了较大的拉应力,当混凝土路面面板与基层之间的摩擦力大于这个成型凝固产生的收缩拉应力时,在混凝土面板承受拉应力最薄弱的位置就会被拉断而产生断板。而如果能够及时准确地切缝,就能引导混凝土面板凝固收缩力在切缝处规则拉断面板,从而避免在其他位置产生断板。根据河北省的具体情况,切缝深度约为板厚的1/4,同时切缝的时间也要及时,一定要在产生最大收缩应力之前切缝,才能有效。在混凝土抗压强度达到11MPa时,抹面后约3小时左右,就可以进行切缝,它可以比较有效地引导裂缝在预定的切缝位置上断裂,故避免了不规则的断板。
  1.5.6 在基层施工中,使基层表面平整,也是预防混凝土路面断板的一个措施。当基层表面凹凸不平,不仅会使面板与基层间的摩擦力增大,而且使面板下面的摩阻力形成不均匀的片状区,这样在不均匀片状区的边缘部位和摩阻力集中的区域就最容易形成断板;另一方面,当基层标高低时,浇筑的混凝土面板就偏厚,而切缝深度又是按正常板厚实施的,这样在混凝土凝固过程中产生的拉应力的作用下,就会在面板相对比较薄的部分产生不规则裂缝,因此把基层的标高控制准确,表面平整光滑是预防断板的一个措施。
  1.5.7 在施工中尽量避免产生较大的温差效应。温差效应过大或突变,容易造成混凝土面板强度形成的不同步。当气温高时,上部强度的形成比下部要慢。在这样的情况下,面板强度的形成不同步,容易出现翘曲变形,一旦有不规则裂缝发生就会使强度较低部位拉断开裂,形成不规则断板,所以在施工中要注意尽量避免在温差大天气或大风天气施工,或者当混凝土浇筑完毕后立即采用遮阳、洒水、喷洒养护剂等措施,使混凝土体的表面始终保持潮湿,确保昼夜温差不至太大,以预防面板断裂。
  1.5.8 正确地在纵坡变化处、平曲线及构造物结合部设置胀缝,是预防断板的有力措施。纵坡变化处、平曲线及构造物结合部都是应力应变集中的位置,在此处设置胀缝,是减少或释放应力应变的最佳方案,它可以大大降低在此处的断板率。
  1.5.9 正确安装传力杆可以防止断板。传力杆的安装必须遵照规范要求,按设计进行,使传力杆与道路中心线及路面平行。如果传力杆安装偏斜,则在传力过程中会将混凝土顶破,从而形成裂缝而断板。
  1.5.10 在混凝土面板底面与基层顶面间设置滑动层,减少面板与基层间的摩阻力,这样可以防止面板被拉断。当基层表面与混凝土面板底面的摩阻力很大,混凝土面板收缩和膨胀不宜自由滑动时,就使板内的拉应力增加,此时基层的裂缝也极容易反射到混凝土面板上而形成断板。滑动层设置形式一般有:(1)在基层上洒沥青透层油。(2)设1厘米厚的砂子(或沥青砂)滑动层。(3)用塑料薄膜设置滑动层。以上方法也可以组合使用。
  1.6 严格控制开放交通的时间,加强养生和养护。水泥混凝土路面浇筑完毕后必须达到设计强度后方可开放交通,并对其及时进行养生、洒水,清扫,确保混凝土路面湿润、整洁,防止因缺水养生而产生干缩裂缝或断板。
  1.7 混凝土面板要在切缝处埋置接缝板,并在接缝板位置上再行切缝,这是预防混凝土早期断板的有效措施。接缝板的高度是混凝土板厚的2/3,并应在基层顶面放置,这样就在此处形成了最薄弱条件,当混凝土面板产生拉应力时,裂缝就在此处产生,从而避免了混凝土面板的早期断板。
  2. 接缝的破坏
  2.1 挤碎 出现于横向接缝两侧数十厘米宽度内。这是由于胀缝内的滑动传力杆位置不正确,或滑动端的滑动功能失效,或施工时胀缝内局部有混凝土搭连,或胀缝内落入坚硬的杂屑等原因,阻碍了板的伸长,使混凝土在膨胀时受到较高的挤压应力,当其超过混凝土的抗剪强度时,板即发生剪切破碎。
  2.2 拱起 混凝土面板在受膨胀而受阻时,某一接缝两侧的板突然向上拱起。只是由于板收缩时缝隙张大,填缝料失效,坚硬碎屑等不可压缩的材料塞满缝隙,使板在膨胀时产生较大的压力,从而出现纵向压曲失稳。
  2.3 错台 横向接缝两侧路面板出现的竖向相对位移。当胀缝下部嵌缝板与上部缝隙未能对齐,或胀缝两侧混凝土壁面不垂直,使缝旁两板在伸胀挤压过程中,会上下错开而形成错台。当交通量或基础承载力在横向各幅板上分布不均匀,各幅板沉陷不一致时,纵缝也会产生错台现象。
  2.4 唧泥 汽车行经接缝时,由缝内喷溅出稀泥浆的现象。在轮载的频繁作用下,基层由于塑性变形累积而同面层板脱空,地面水沿接缝下渗而积聚在脱空的空隙内。在轮载作用下积水变成有压水而同基层内浸湿的细料混搅成泥浆,并沿接缝缝隙喷溅出来。唧泥的出现,使面板边缘部分失去支撑,因而往往在离接缝1.5~1.8m以内导致横向接缝。
  2.5 接缝的养护,应在不同季节及时填充或铲除多余填缝材料,保持接缝完好,表面平顺。当气温下降接缝扩大有空隙时,要适时地填满,以防冬春季节雨水渗入侵蚀基层。当气温上升填缝材料软化挤出缝外时,要将挤出的填缝材料及铲除,并防止泥砂石屑或其它杂物嵌入缝内,影响板块正常伸缩。在填缝材料使用若干年后,由于老化而失去弹性及粘性时,应及时更新,以保证接缝的正常使用功能。
  2.6 当水泥混凝土面板开始出现板底局部脱空现象(有时伴有板块角隅轻微裂缝),应立即采用板底灌浆的方法进行处理,将病害消除在“萌芽”状态。板块断裂时,应及时组织力量进行修补,以免波及周边板块,致使损坏扩大。在施工中注意:(1)灌浆中应控制砂浆稠度,砂浆水灰比宜为0.45~0.5,稠度15~20s为宜,砂浆要随用随配。(2)灌浆中应控制压力,一般为0.5~1.0MPa,确保板底空隙灌满,防止板块的抬高和断裂,影响原有路面的使用质量。(3)破损板块凿除后,如基层松散损坏,应先将其清除,修补后,再重新浇筑砼面板。(4)注意保留原有传力杆和拉杆钢筋,并予以利用。(5)当为连续若干板块翻修时,其所有接缝应与原路面面板对应相同,并注意适时切缝,灌注填缝材料。
  由于设计、施工、使用过程中存在的某些不足,也由于混凝土内在原因及温度变形、湿度变化、地基不均匀沉陷变形的影响,在水泥混凝土路面上难免发生各种类型的裂缝。但只要严格执行施工操作规程和技术要求,在施工中切实抓好基层强度、混凝土的配和比设计、施工工艺、切缝时间和深度、混凝土的养护等各个环节,通过改善混凝土的质量和路面结构并采取有效的浇注后的防治措施,水泥混凝土路面的裂纹现象是可以避免的。
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  参考文献
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