摘 要:本文就机械滑模施工的水泥混凝土路面产生纵向裂缝的原因进行了分析,并提出了消除早期表面纵向裂缝的办法。
关键词:机械滑模施工;纵向裂缝;水泥混凝土
水泥混凝土路面是国内公路建设中广泛采用的路面形式。在我国目前的高速公路建设中,水泥混凝土路面一般均采用滑模施工。滑模施工的特点之一是纵向尺寸非常大而横向施工尺寸较小,且横向无任何约束条件,这种自身特点使得水泥混凝土表面极易出现早期纵向裂缝。水泥混凝土路面板产生裂缝的根本原因在于其拉伸强度不能抵抗所受到的各种应力,而这种应力是由于混凝土体积变化或受力变形引起的。滑模摊铺的水泥混凝土路面最常见的早期裂缝有横向裂缝(断板)、龟裂及路基沉降引起的不规则裂缝等等,这类裂缝已为广大技术人员、施工人员所熟知和深刻认识。本文仅就国内外研究较少、在实际工程中较难解决的纵向裂缝的产生原因进行分析探讨,并在多年滑模施工实践与试验研究的基础上,总结出早期纵向裂缝的预防措施。
1 早期纵向裂缝成因分析
1.1 早期纵向裂缝现象
利用滑模摊铺的水泥混凝土路面,在混凝土终凝前后(大约在10~15 h)出现的平行于道路纵轴线方向的裂缝,称为“早期纵向裂缝”。一般来说,早期纵向裂缝数量多、密度大、长度从几cm到1、2 m不等,一块板上的早期纵向裂缝从几条到10几条,有时甚至超过20条,但其宽度普遍较小,深度也都不太大,因此也将这种早期纵向裂缝称为“表面纵向裂缝”。
1.2 早期纵向裂缝形成原因
近年来,由于混凝土早期强度发展迅速,弹性模量上升较快,因此,少量的收缩变形就会产生很大的拉应力。众所周知,混凝土的抗拉度强度很低,远小于其抗压强度,即使混凝土的抗拉强度伴随抗压强度提高,其提高幅度也明显要小些。所以,混凝土的抗裂性能往往随着抗压强度的提高而降低。这种现象在混凝土路面滑模施工中引起早期纵向裂缝出现的频率越来越高,值得高度重视。归结起来,滑模施工的水泥混凝土路面早期纵向裂缝的形成与扩展主要有4个方面的因素。
(1)水泥水化产生的大量的水化热是其内因,也是最根本的原因;
(2)混凝土表面干缩诱发了表面裂缝的形成或增大了纵向裂缝出现的概率;
(3)环境温度是裂缝产生的重要外因,它可能促使产生裂缝,也可能减少甚至避免裂缝的产生;
(4)横向的外部约束条件缺失加剧了裂缝的扩展。
1.2.1 水化热
水泥水化热所引起的温度收缩应力是混凝土板的主要破坏力。水泥混凝土从加水拌和时起,水泥就开始进行水化反应并释放出大量的热量,而且水化反应自始至终都伴随着热量的产生。而水泥混凝土是一种热的不良导体,随着水化反应的不断进行, 热量在混凝土内部不断聚集,导致混凝土由表及里产生温度梯度,使内部混凝土受到压应力,表面混凝土则受到拉应力,当拉应力超过混凝土的抗拉强度极限时,混凝土表面就会产生裂缝。说明:所用水泥为方r型普硅水泥,测试时间从混凝土刚成型时为0 h开始计算。通过对施工现场路面板实测发现,这种混凝土硬化过程中内外温差最大可达25℃(测试数据见表1)。从表1可知,早强混凝土内部达到峰值温度的时间在成型后12 h左右,这时的混凝土刚进入终凝期,混凝土几乎还没有强度或强度还非常低,由于混凝土表面的拉应力先达到并超过了混凝土这一龄期的抗拉强度,所以混凝土会出现开裂。根据有关资料,一般混凝土内部的最高温度在进入终凝期后10 h左右出现,其内外温差也仅15℃左右。从我们的实测数据来看,温度上升的速率和最高值都大得多,这主要是由于水泥的矿物组成变化和拌和温度较高造成的。由于路面工程大多使用r型(早强)普硅水泥,这种水泥的化学组分中的c3a含量普遍较高,且c3a是水泥中水化速度最快的成分,其水化热也比其它矿物大得多,一般为c2s/c3s的3~8倍,所以水泥的矿物组成及其活性将决定水泥的水化热。另外,水泥的初始温度偏高也是导致混凝土体内外温差升高的重要原因。一般情况下,因搅拌站的温度接近水泥进场时的温度,散装水泥的进场温度应控制在55℃以内。然而我们在实际工程中发现运到搅拌站的散装水泥有时高达80℃以上。混凝土的初始温度明显偏高,一方面直接增大了路面板的内外温差;另一方面,也会加速水泥的初期水化速度,间接提高混凝土板的内外温差。所以,水泥的水化热和较高的初始温度都将加大混凝土早期的最高温升,从而使混凝土的温度应力加大。在叠加其他因素的情况下,很可能导致温度收缩裂缝。
1.2.2 表面干缩
混凝土干缩引起的应力是路面板的又一重要破坏力。在未饱和的空气中,混凝土表面水分损失较快,内部湿度变化较小,较大的表面干缩变形受到混凝土内部的约束,致使表面混凝土承受拉应力。当表面混凝土承受的拉应力超过其抗拉强度时,便产生干缩裂缝。混凝土路面板的干缩变形一般在0.04%~0.06%,而混凝土材料抗拉强度低,其极限拉伸变形只有0.015%~0.030%,当混凝土处于塑性状态时,其抗拉强度就更低,只要稍微受到一点拉力,表面就会出现早期裂缝。出现裂缝以后,混凝土内部的水分蒸发速度进一步加快,于是裂缝继续扩展。所以,干缩诱导混凝土表面裂缝的形成与扩展,增大了表面裂缝出现的概率。混凝土干缩与混凝土的水灰比、水泥的成分、水泥的用量、相对湿度、环境温度以及风速等因素有关。水灰比过大会加大混凝土的干缩量,降低水泥用量有助于减小混凝土的干缩量,相对湿度越低则水泥浆体的干缩越大。由于混凝土的干燥过程是由表面逐步向内部扩展的,混凝土内呈现含水梯度,因此处于干热环境或大风天气时,暴露面很大(未覆盖)的路面板内的含水梯度也很大,干缩裂缝极易产生。而另一种情况是:水泥活性较大导致混凝土早期温度升高较多时,混凝土泌水现象会明显减少,由于表面水分蒸发过快而又不能及时得到补充,干缩裂缝也容易被诱发出来。
1.2.3 环境温度
环境温度与混凝土的表面温度十分接近,所以它直接影响到混凝土的内外温差。当环境温度较高时,混凝土的内外温差小,早期裂缝出现的机率减小,甚至可以避免裂缝的产生;反之,当混凝土板受气温骤降的影响时,则容易导致裂缝的产生。根据我们的观测,在重庆地区,夏季日照时间与夜间气温骤降引起的温差可达16~20℃,这一温差能使混凝土板内产生相当大的温度应力,引起约0.16~0.20mm/m的变形。由于水泥的水化热和环境气温骤降所引起的温度收缩应力与混凝土干缩的共同作用,处于终凝前或刚刚进入终凝期的混凝土根本不能抵抗其表面所产生的拉应力,它足以使混凝土产生开裂。
1.2.4 约束条件
当混凝土发生膨胀时,外部约束条件使混凝土的内部产生压应力,能很大程度地限制变形的产生,这对早期混凝土的损害相对较小。由于种种原因造成的收缩变形将导致混凝土板产生早期裂缝,如果混凝土结构的外部约束条件存在差异,那么混凝土结构在未受到约束的反方向的裂缝就会明显增多,并且裂缝的扩展也会加剧。滑模施工的特点是纵向尺寸非常大,一般有近千m,而且多数情况有约束条件;但在横向基本上没有外部约束,横向宽度也仅约4~8 m。当其它条件导致混凝土体积膨胀时,纵向受到约束,不能产生位移;而横向无约束则可能使路面板产生自由位移,出现不均匀变形,使路面板产生纵向裂缝。这一现象是由滑模施工本身的工艺特点所决定的,而人工摊铺一般都不会产生大量的表面纵向裂缝。
2 早期纵向裂缝预防措施
综上所述,混凝土路面出现早期纵向裂缝的主要原因是混凝土不均匀变形产生的拉应力超过其允许的抗拉强度。早期混凝土的变形主要来自于温升后迅速的温降产生的变形和混凝土的表面干缩。因此,要防止早期纵向裂缝的产生,最根本的办法就是有效控制混凝土的不均匀变形或提高混凝土的早期抗变形能力,可采取以下措施:
(1)选用水化热低的水泥,这是杜绝早期纵向裂缝的根本办法。在保证混凝土强度的条件下,可适当减少水泥用量,也可同时添加适量优质粉煤灰,以降低混凝土的早期水化热,减少早期纵向裂缝的产生。
(2)针对所使用水泥的具体情况,添加专用外加剂。如:掺入适当的微膨胀剂可抵消混凝土的早期冷缩和干缩开裂,使用减水防裂剂可使混凝土用小量减少25%,亦可防止或减少混凝土的收缩开裂。
(3)严格控制水泥的进场温度,降低水泥的使用温度。一般情况下,既使散装水泥的进场温度很高,如在拌和场贮藏罐里存放2~3 d后,其温度和早期水化热也会明显下降,可以在很大程度上减少早期温差裂缝的出现。
(4)改善混凝土的配合比,可提高混凝土的抗变形能力。严格控制好水灰比,保证加入的水量在设计值以内,可在一定程度上减小混凝土的干缩。另外,一般认为采用最大粒径较小的粗骨料配制混凝土,可提高其抗变形能力。
(5)采取保水和保温养护,可在一定程度上减少早期纵向裂缝的产生。不论是干缩裂缝还是温差裂缝,混凝土的养护都十分关键。混凝土浇注收浆完成后,应尽早养护,使混凝土表面始终保持在湿润状态。在高温和大风天气要设置遮阳和挡风设施,避免在高温下裸露暴晒,并适当延长养护时间;冬季施工时要涂刷或喷洒养护剂进行养护,同时也要适当延长保温覆盖时间。
3 结语
机械滑模施工的水泥混凝土路面,其早期纵向裂缝的产生不仅与外界因素造成的干缩和温度骤降有关,还与水泥的成分含量及新拌混凝土材料的性能有关,它是一个多因素交互影响的复杂过程。最根本的解决办法是选用水化热低的水泥,并严格控制散装水泥的使用温度,同时添加可以减少混凝土收缩量或降低水灰比的专用外加剂,以减少早期温差裂缝出现的机率。另外,对浇注后已收浆的混凝土尽早进行足够时间的养护,是防止混凝土路面板早期纵向裂缝的必不可少的措施。大量的工程实践证明,只要严把水泥等材料的质量关,严格按照规范要求和技术要求进行施工操作,并采取一些有针对性的预防措施,这种早期纵向裂缝是可以避免的。
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