摘要:对水泥混凝土路面裂缝问题进行了研究,通过对水泥混凝土路面病害调查,分析裂缝产生机理,对混凝土路面的日常养护和病害处治等问题提出了解决方法,并应用与工程实践。
关键词:水泥混凝土路面;裂缝;病害处治
1 前言
水泥混凝土路面作为公路工程的重要路面形式之一,得到愈来愈广泛的应用。水泥混凝土路面具有强度高、经久耐用、养护费用低等优点。然而,就全国水泥混凝土路面使用状况而言,仍存在许多问题。设计理论不完善、施工经验不足及养护不规范、不重视等情况,使许多水泥混凝土路面发生损坏,出现了早期病害,表现出功能性缺陷等问题,严重影响公路使用质量。
关于混凝土路面的裂缝,国内外学者做了大量而深入的研究,从混凝土材料的组成机理及外界因素等各方面分析了水泥混凝土路面的断裂破坏,并取得了大量的研究成果,对混凝土路面断裂处理提供了科学依据。作者基于以上研究成果,对混凝土路面的日常养护和病害处治等问题提出了解决方法,并应用与工程实践。
2 裂缝形成机理分析
水泥混凝土路面破坏的过程是微小缺陷形成、缺陷的逐渐扩展,形成裂缝贯通,最后形成贯穿路面板的裂缝。这个过程大致可以分三个阶段:
2.1 初始损伤和初始裂缝的形成阶段
在路面板混凝土搅拌、浇筑和成型养护过程中形成孔隙,即初始裂缝。初始裂缝的产生导致路面板在荷载的作用下出现应力集中,使裂缝尖端附近的区域成为损伤最严重的区域。这一阶段是水泥混凝土路面板使用前阶段,是破坏过程的初始阶段。
2.2 损伤的不均衡累积和裂缝有限度扩展的阶段
由于路面板底部已经出现裂缝,在荷载的作用下裂缝尖端附近区域产生应力集中的现象,使得微小裂缝萌生、扩展、汇 聚,经过荷载的反复作用,裂缝尖端附近区域损伤不断积累,当某一荷载在裂缝尖端产生的应力强度因子大于裂缝尖端附近区域的开裂韧度时,裂缝就与严重损伤区域中的微小裂缝贯通而扩展,从而穿越了导致严重损伤区域,裂缝尖端到达新的位置。这一阶段涵盖了水泥混凝土路面的整个使用寿命期,是破坏过程中最漫长的阶段。
2.3 断裂阶段
当某一荷载的在裂缝尖端产生的应力强度因子大于裂缝尖端附近区域的开裂韧度,裂缝穿越严重损伤的区域,尖端到达新的位置。此时,新的裂缝尖端应力强度因子仍然大于新的尖端附近区域的开裂韧度,所以裂缝迅速贯穿路面板的整个厚度,使板块彻底断裂破坏。这一阶段是水泥混凝土路面破坏过程中最短暂的阶段。
3 裂缝防治措施
针对水泥混凝土路面裂缝原因,应采取有效的全面的预防措施,以减少裂缝出现概率,延长混凝土路面的使用年限,提高行车舒适性。
3.1 减少混凝土的缺陷
减少混凝土缺陷,就是要减少混凝土中的杂质、气孔、微孔隙和微裂缝,降低路面板的初始损伤度。可采用添加减水剂等外加剂的办法减少用水量,提高搅拌和震捣质量。为了减少混凝土中的水分,尽可能采用真空吸水的施工工艺,减少干缩裂缝;减少温度收缩裂缝的关键在于减少混凝土的内外温差,具体的办法有三个:一是尽量避免在不利的温度环境下施工,二是选用低水化热的水泥,三是及时保温;加强水泥混凝土凝结期间的养护,是减少混凝土中微裂缝的重要措施。
3.2 提高混凝土的韧度
降低初始度,增加有效的受力面积,是提高混凝土韧度的有效措施。除此之外,还可以利用钢筋、纤维或聚合物等材料,改变混凝土的受力反应模式。目前用于混凝土的纤维有钢纤维、有机纤维、无机纤维和合成纤维,而应用比较多的钢纤维和合成纤维。与普通混凝土相比,钢纤维混凝土的抗压强度提高了5～20%,抗弯拉强度提高20～50%,收缩裂缝的总量减少了50%左右,在冲击荷载作用下的抗裂性能提高了2～3倍。合成纤维是近年来逐渐被采用的纤维材料,合成纤维对改善混凝土的性能有很大的作用。
3.3 减小路面板的收缩应力
路面板产生收缩应力的条件:一是板块收缩变形;二是变形受到限制。对于板块干缩变形的控制,就是对混凝土干缩的控制;板块的冷缩变形取决于气温变化和混凝土的热膨胀性能,工程措施对此影响很小。减少路面板变形的限制,一是要提高基层的平整度,减少路面板与基层之间的摩擦;二是要阻止过渡层的生成,如在基层上铺设塑料薄膜等。
3.4 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裂缝的重要前提。基层的技术指标要求达到规范规定的压实度和弯沉值,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。路基排水设施应完善,并要充分考虑地下水对路基稳定的影响,对半填、半挖等结合处应进行特殊处理。基层施工时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,以确保混凝土路面的厚度一致和减小水泥混凝土与基层的摩阻力。
3.5 施工前严格检查
在准备摊铺垫层前,应对准备铺设段的路基恢复放样,并检查该段的路基标高、横坡度、宽度、压实度等指标是否符合规范要求,并经监理工程师签字认可后,方可进行施工。路面混凝土板施工要严格按规范要求选好材料及材料的级配,保证混凝土质量并充分地密实,搞好施工缝、缩缝、胀缝的处治,防止路表水渗入路基。加强对基层弯沉、平整度、高程、横坡、幅宽等项检测。
4 混凝土路面裂缝病害的处治
4.1 裂缝灌缝技术
灌缝材料有环氧树脂类、聚氨脂与改性聚氨脂类、烯类及沥青橡胶类。高聚合物材料有耐热、活性高、内聚力高、粘附力强,收缩率较低等优点。裂缝修补对于尚未凝结发生的塑性收缩裂缝,可用抹子直接抹平或施加二次振捣。轻微断裂,裂缝无剥落,宽度小于3mm的裂缝,可采用灌入环氧树脂方法修补。在施工中产生的收缩裂缝,在未通车前可直接灌注,如果在通车后产生,应先清除杂物,在加以灌注。
4.2 局部修补技术
局部修补技术对于局部板面断裂损坏,进行小块修复,办法是将凹槽凿至贯穿板厚,在凹槽边缘板厚中央打洞,深10cm,直径4cm,水平间距30～40cm.每个洞应先将周围湿润,插入一根直径18～20cm,长约20cm的钢筋,然后用快凝砂浆填塞捣实,待砂浆硬化后浇筑快凝混凝土振捣实,抹平即可。
4.3 非结构性病害处治技术
大面积麻面、露骨、平整度差等结构性病害,常采用沥青混凝土罩面处理,处理厚度应大于2.5cm,施工应满足《沥青路面施工技术规范》要求。罩面前要对破碎板及整个路面进行修补和压浆处理。一般的麻面可不作处理,只对露骨严重部分作整段处理,可用聚合物砂浆作薄层处理,其配合比宜为水泥:砂=1:2,用J6 型胶液拌和至均匀稠度,在清洗干净的混凝土表面涂上IV 型超早强界面剂,待稍干后,将聚合物砂浆均匀摊铺在路面上,厚度在15mm 以下,抹平、整形、拉纹、养生8h即可开放交通。
4.4 旧水泥混凝土加铺沥青层修复施工技术
在隔离层(粘层)上加铺沥青混凝土面层一般应分为二层,下面层较厚(一般4～8cm),采用热稳定性较好的开级配粗粒式或中粒式沥青碎石或沥青混凝土,上面层较薄(一般厚2～9cm),采用防水性能较好的密级配细粒式或中粒式沥青混凝土。
5 工程应用
S210大修工程YH-15标秦岭段,在K128+164～K132+265、K165+455～K176+855段为水泥混凝土路段,由于施工中产生收缩裂缝,在通车7天后部分面板出现不同程度的裂缝。通过技术、经济论证,选定采用灌缝技术处理病害,该灌缝材料由环氧树脂、二甲苯、邻苯二甲酸二丁脂、乙二胺、水泥按100:40:10:8:300的配比组成,钻孔灌浆
结束语
对混凝土路面裂缝病害,最关键、最根本的是预防为主,即在设计和施工阶段,应采取严格有效的、全面的预防措施,严格遵守《公路工程施工标准》中的规定,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,避免裂缝产生,尽量将可能出现的病害降到最低程度。
