浅谈水泥混凝土路面断板的成因及防治对策

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  【摘 要】 本文从工程施工实践的角度出发,对水泥混凝土路面断板的原因进行了较为深入的分析和探討,总结出防治和修补的技术措施。对于减少水泥混凝土路面断板的数量,延长混凝土路面的使用寿命,具有一定的借鉴和指导意义。
  【关键词】 混凝土路面;断板;原因分析;处治措施
  1、概述
  随着我国农村公路事业的迅猛发展,水泥混凝土路面已作为二、三级公路的主要结构形式之一,具有强度高、寿命长、品质好、磨损小、环境适应性好,并能充分利用地方资源的优点。但在如今水泥混凝土路面修建技术不断提高的同时,也出现了一些开裂、断板、沉陷、错台等病害,其中断板病害尤为突出,给养护和修复带来了极大困难,已经成为公路工程的质量通病之一。为此,需要在认真分析和调查研究的基础上,制定一些可行、有效的措施加以预防和处治。
  2、水泥混凝土路面断板的原因
  当温度应力与荷载应力超过混凝土的抗弯拉强度时,水泥混凝土路面板就会产生开裂现象,严重时可演变成断板。下文就导致早期开裂断板和使用期开裂断板的原因作简要分析。
  2.1早期开裂断板原因
  2.1.1基层的因素
  (a)基层标高失控,使混凝土厚度不一致,厚度交界处必然会成为薄弱断面,在混凝土收缩时,难以承受拉应力而出现开裂;(b)基层不平整会增加混凝土界面的磨擦阻力,易在较薄的路面开裂;(c)用松散材料填补基层低洼处,在不湿润的情况下直接摊铺混凝土,也易使拌和物中水分或砂浆下渗的基层吸收,使下部混凝土变得疏松,强度降低,造成开裂、断板。
  2.1.2原材料的因素
  (a)大部分高等级公路,业主和监理单位要求明确,工程所使用的水泥一般选择为国家大型水泥生产企业的产品,质量稳定,但也有极少的工程使用的是一些小厂产品,设备和技术能力落后,使用时水泥安定性差,强度不足;(b)砂石料存在问题,主要反映在含泥量及有机质含量严重超标,造成混凝土中水泥与骨料的界面黏结不良,产生界面缺陷,易开裂。
  2.1.3混凝土配合比的因素
  (a)由于单位水泥用量偏大,导致较大的收缩应力;(b)水灰比偏大,增大水泥水化初期骨料表面的水膜厚度;(c)施工中计量不准,影响配合比的准确性,从而影响混凝土的强度。
  2.1.4施工工艺的因素
  (a)搅拌不足或过分,振捣不密实,形成混凝土强度不均匀,易导致开裂,但振捣时间过长就可能造成分层,粗骨料沉入层底,细骨料留在上层,表面收缩裂缝会增加;(b)混凝土拌和时,如果材料温度过高,再加上水泥的水化热,会使混凝土拌和物的温度很高,在冷却硬化过程中会出现较大的温差收缩,出现开裂;(c)因停电,机械故障,运输不易等原因使混凝土施工中断,再施工时未按施工缝处理,新旧混凝土由于结合不良和收缩不一致会形成不规则接缝;(d)养生不及时或方法不当,尤其是高温、风速大的不利条件下,会使混凝土表面水分蒸发过快,从而形成干缩裂缝;(e)切缝不及时,造成混凝土内应力集中,在混凝土板的薄弱处易形成不规则贯穿缝。
  2.1.5边界因素
  (a)在施工中,先浇筑一边的缩缝在另一边未开始浇筑前已开裂,气温下降到一定幅度时,开裂的缩缝两边混凝土板收缩,这样后浇筑未切割的混凝土板受较大的拉应力,当拉应力大于混凝土初期抗拉强度时,就会在对应位置产生不规则裂缝;(b)当温度下降时路缘带本身会收缩,但路缘带下半部具有粗糙面会带动初期强度低的混凝土面板在路缘带裂缝处产生边界裂缝;(c)同样原因,如果基层稳定层已发生裂缝,裂缝两边在气温下降时收缩,产生摩擦力,同样会带动上面混凝土面板开裂。
  2.2使用期开裂、断板原因
  2.2.1设计不当
  由于设计不当也会造成水泥混凝土在使用期开裂断板。设计不当主要包括以下几个方面的原因:(a)路面厚度偏薄;(b)板块平面尺寸不当;(c)混凝土原材料的配合比不当,混凝土产生碱—集料反应或抗冻融差等耐久性问题;(d)排水设计不当。
  2.2.2超重车的影响
  由于交通运输业迅速发展,大吨位车辆逐年增多,单轴轴载比原设计计算轴载增加数倍。轴载等效换算系数计算公式为f=(pi/p0)16,即超重轴载与标准轴载之间换算是16次方关系。可见,超重车的增加是水泥混凝土路面使用期开裂断板的重要原因之一。
  2.2.3路基不均匀沉降
  路基不均匀沉降主要发生在:(a)填挖相交断面处;(b)软弱地基、湿陷性黄土以及采空区、陷穴等特殊路段;(c)桥涵、构造物附近压实机械难以施工的部位;(d)路基不同填料的界面或层面;(e)压实度不足的路段。
  2.2.4基层失稳
  由于基层失稳现象导致水泥混凝土使用期开裂断板的主要原因有:(a)基层施工质量不好,强度不均匀或较低,造成混凝土发生断裂;(b)面层接缝填封料失效,板的弯沉使空隙内的积水变成有压水,侵蚀冲刷基层,并沿接缝缝隙喷出,即产生唧泥,如果唧泥现象不断产生,面板边缘部分就将失去支撑,在荷载作用下产生断裂。
  2.2.5排水不良
  由于排水不良而产生的水泥混凝土使用期开裂断板的现象主要有:(a)路基及基层排水不良,长期受水浸泡,引起路基失稳或强度不足,使路面产生不规则断裂;(b)裂隙水或边沟水等渗入路基、基层和底基层,冬季冻胀时使路面产生纵向开裂。
  2.2.6桥(涵)面铺装损坏
  钢筋混凝土明盖板桥涵上的水泥混凝土路面铺装层,由于厚度不足或与盖板、涵台结合部处理不当,在行车作用和盖板胀缩下,会产生层间搓动和面板断裂。
  3、水泥混凝土路面断板的预防措施
  针对上述造成水泥混凝土路面断板原因的分析,笔者提出有效的全面预防措施,以减少断板发生的数量,延长混凝土路面的使用年限,提高行车舒适性。   3.1对早期开裂断板的预防
  3.1.1提高路基及基层施工质量
  公路路基及基层应具备较高的密实度、强度及水稳性,因此,按规范施工,确保路基及基层施工质量是防止水泥混凝土面层出现开裂和断板的重要前提。(a)基层施工要确保基层厚度一致,强度均匀。严格控制基层顶面高程和平整度、纵横坡以确保混凝土路面的厚度均匀一致;(b)对于标高不足的基层应坚决返工重做,禁止用散料填补;(c)加强基层养护工作,保持基层湿润状态,直至开始浇筑混凝土面板;(d)基层养护结束后,应尽快进行路面混凝土施工,防止基层因暴露时间过长产生干缩裂缝。
  3.1.2原材料的质量控制
  合格的原材料是保证混凝土质量的必要条件。(a)粗集料粒径宜为16~31.5mm,要控制5~10mm瓜子片、针片状的含量;细集料采用连续级配,细度模数为2.5~2.8的中砂;(b)对于安定性差,游离氧化钙、氧化镁超标及强度不足的水泥应禁止使用,不同标号、不同厂家、不同种类、不同批号的水泥严禁混合使用,尽量采用旋转窑生产的发热量少、收缩量小的硅酸盐道路水泥或普通硅酸盐水泥;(c)集料(砂、碎石)应选择含泥量、有机质含量在规定允许范围内的材料,并加强浇筑前的冲洗。
  3.1.3严格控制混凝土配合比
  对混凝土配合比方面采取的预防措施有:(a)按试验配合比准确配料,尽量减少单位水泥用量、单位用水量。单位水泥用量要準确误差应控制在1%以内;(b)集料的含水量要根据现场试验及时取得,并充分适时调整施工配合比,保证水灰比的准确性;(c)为减少用水量,改善拌和物的和易性,可使用合适的外掺剂(其具体掺量应严格执行说明书规定,并经试验确定);(d)采用电子秤或自动化配料机准确配料,尽量不采用人工手推车按车计量的配料方法,将集料称量误差控制在3%以内。
  3.1.4加强施工工艺控制,提高施工质量
  (a)混凝土拌和时间要根据机械性能准确掌握,最长拌和时间不应超过最短拌和时间的3倍,避免漏振或超振现象产生;(b)混凝土路面施工开盘前,应仔细检查发电机、振动梁、运输车辆等机具设备,确保机具性能良好,确保顺利施工、连续施工。配料、拌和、运输、摊铺、振捣等作业有序配合,对于种种原因导致施工停顿,应做好施工缝处理措施;(c)重视混凝土面板养生,采用湿养护剂养护,不要采用没有覆盖物仅撒水养生;(d)准确及时掌握切缝时间,可防止贯穿裂缝的发生,一般在拆模10~12小时,应采用多台切割机同时作业,保证切缝及时,切缝深度一般为板厚的1/3~1/4;(e)控制交通车辆,避免在混凝土强度不足条件下,过早开放交通,养护车也应避免在板面直接通行;(f)模板要涂抹标准脱模剂,易于拆模,另外,在混凝土施工前,模板和基层要充分湿润,避免吸收混凝土水份;(g)加强施工后养生工作,对排水系统中发现的问题及时处理,避免造成较大病害;(h)在桥涵与路的结合处,应仔细处理,防止不均匀沉降,造成断板。
  3.2对使用期开裂断板的预防
  3.2.1设计要与交通发展相一致
  在施工设计阶段应注重与交通发展相一致,避免水泥混凝土路面出现开裂断板:(a)在混凝土路面厚度、平面尺寸的设计计算阶段,应充分考虑交通发展状况,准确调查交通量及运输车辆的现状,避免因设计厚度偏小、平面尺寸不合理、在设计使用年限内由于交通量的快速增长或重载车辆增加而造成板提前破坏;(b)先用适合当地环境条件的原材料,重视冻融性和耐久性;(c)设计全面的排水系统,确保地表水、地下水不会对路基、路面造成侵蚀破坏。
  3.2.2路基质量的控制
  控制路基质量应注意以下几点:(a)路基压实质量要求达到规定的压实度值和弯沉值,特别是桥涵、构造物附近(死角部位)更应加强压实工作,保证路基有足够的、均匀的强度;(b)排水设计应完善,并要充分考虑地下水对路基稳定的影响;(c)路基填筑过程中,不同种类的土壤应分层填筑,避免土壤类型在路基上的突变造成沉降不一致,影响路面板的结构性能;(d)对于填挖交界、半填半挖结合处应按路面板的要求进行特殊设计,施工中要对路槽以下部分进行处理;(e)对于路基不稳定的路段,如特殊软弱土基、湿陷性黄土、采空区、陷穴、滑坡等路段,应避免采用水泥混凝土路面,其他特殊路基应经过特殊处理后方可进行水泥混凝土路面施工。
  3.2.3路面基层质量的控制
  水泥混凝土路面不仅要求基层有很高的强度,最重要的是基层强度的均匀性、稳定性要好。具体要求如下:(a)应尽可能采用水泥稳定基层,严格控制细料,以增加基层的水稳性,防止唧泥;(b)建立验槽制度,确保基层厚度均匀一致,保证强度的均匀;(c)采用厂拌法拌和基层料,确保拌和均匀和配料准确;(d)按照设计要求,保证基层的密实度。
  另外,要及时采取措施封填微裂缝,如灌注环氧树脂。加强养护工作,对排水系统中发现的问题及时处理,避免形成较大的病害。在桥涵施工过程中,应结合桥面铺装,认真处理好路桥结合部位,防止不均匀沉降的出现。
  4、断板的处理及修复
  裂缝与断板的处理应根据损坏程度不同分别对待。一般分为裂缝修补、局部修补、整板更换三种。
  4.1裂缝修补
  对于尚未凝结发生的塑性收缩裂缝,可用铁抹子直接抹或施加二次振捣;对于轻微断裂、裂缝无剥层或剥落轻微但裂缝宽度小于3mm的断板,可采用灌入环氧树脂方法修补。裂缝修补工艺主要分为以下几种:(a)直接灌入法适用于施工中产生的混凝土收缩裂缝,在未通车前,一旦发现混凝土板出现裂缝,可用聚硫环氧树脂等直接灌注;(b)喷嘴灌入法适用于通车路段冬季修补裂缝,其操作工序为:清缝→埋设灌浆嘴封闭裂缝→配灌缝材料→灌浆→加热增强。
  4.2局部修补
  对于局部断裂损坏,进行修复时,应视路面断裂损坏程度分为以下三种修补方法:(a)对于轻微断裂,裂缝有轻微剥落的,先划线放样,按划线范围开凿成深约6~8cm的长形凹槽,刷洗干净后,用快凝小石子混凝土填补;(b)对于轻微断裂、裂缝较宽且有轻微剥落的断板,应按裂缝两侧至少各20cm的宽度放样,按划线范围开凿成深至板厚一半的凹槽,此凹槽应与中线垂直,刷洗干净凹槽,在凹槽底部裂缝的两侧用冲击钻沿与中线平行的方向,间距为30~40cm,打眼贯通至板厚达基层表面,然后再清洗干净凹槽与孔眼,在孔眼安设Φ22型II级钢筋(冲击钻头Φ30mm),钢筋安设完成后,用高标号砂浆堵塞孔眼至密实,最后用与原路面相同标号的快凝混凝土浇筑至路面齐平;(c)较为彻底的办法是将凹槽凿至贯穿板厚,在凹槽边缘两侧板厚中央打洞,深为10cm,直径为4cm,水平间距为30~40cm。每个洞应先将其周围湿润,插入一根直径为18~20mm,长约20cm的钢筋,然后用快凝砂浆堵塞捣实,待砂浆硬化后浇筑快凝混凝土捣实齐平路面即可。
  4.3整板更换
  由于路基或基层问题造成混凝土板断裂或错台,在整板凿除后,应先处理好路基或基层,重新浇筑新混凝土板加铺钢筋网补强。对于路基稳定性差,沉降没有完全结束的段落,可采用控制块(预制块或条块石)换补断板。修补块缝宜用水泥砂浆或沥青橡胶填满,防止渗水破坏。
  采用重新浇筑新的混凝土板时,若采用常规材料修复或更换,则养护期较长,影响正常交通通行。采用快凝材料修补,修补后若干小时即可通车,效果很好。
  5、结语
  水泥混凝土路面施工过程是一项较复杂的系统工程,它的施工涉及路面结构、水泥混凝土混合料的特征、施工机械配置、施工技术和施工工艺,以及科学的组织管理等问题。只有在施工中严格控制每一个施工环节、每一道施工工艺,切实抓好路基及基层强度、混凝土原材料及配合比设计、混凝土施工工艺等环节,才能保证水泥混凝土路面的施工质量,避免裂缝和断板产生。笔者根据近些年来从事施工实践的探索与思考,对混凝土断板的成因以及预防和处治断板的技术措施等方面进行了上述总结,仅在此抛砖引玉,期待与更多的业界专家和同行进行进一步探讨和交流。
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