水泥混凝土道面温缩裂缝的发展机理和防治

作者：肖茹

来源：《城市建设理论研究》2013年第24期

        摘要：水泥混凝土道面常常会在多种因素的作用下产生不同程度的裂缝，通过对水泥混凝土道面温缩裂缝产生原因和发展机理的分析，从混凝土材料、施工技术和养护方法三个方面采取相应的措施，可以有效控制混凝土道面温缩裂缝的产生。 

        关键词：水泥混凝土；温缩裂缝；发展机理；防治 

        中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号： 

        Abstract:Cement concrete pavement often produce different levels of pavement cracks because of variety of factors. Analysis the causes and development mechanism of temperature shrinkage crack for cement concrete pavement, put forward the appropriate measures according to three concrete materials, construction techniques and conservation methods, which has good effect on temperature shrinkage cracks of the concrete pavement. 

        Keywords: cement concrete; temperature shrinkage cracks; development mechanism; prevention 

        目前国内民用机场常用的道面形式主要有两种：水泥混凝土道面和沥青混凝土道面。与沥青混凝土道面相比，水泥混凝土道面具有稳定性及耐久性好、使用年限长、材料来源方便以及后期维护费用低等优点，因此在新建机场道面中应用较为广泛。 

        然而，水泥混凝土道面裂缝的产生却很难避免。裂缝的产生会使混凝土的强度、抗冻、抗渗和耐久性都受到严重的影响。道面混凝土的裂缝是影响机场跑道寿命和飞行安全的重要因素之一。因此对水泥混凝土裂缝产生的原因、发展机理以及防治措施进行分析研究是极为必要的。本文主要针对水泥混凝土温缩裂缝的产生、发展及防治措施进行分析。 

        1 水泥混凝土道面裂缝的类型及产生原因 

        1.1水泥混凝土道面裂缝的类型 

        水泥混凝土道面裂缝的形成是时间的函数，按裂缝出现时间的先后顺序可将裂缝分为早期裂缝和使用期裂缝。早期裂缝主要包括沉降收缩裂缝、塑性收缩裂缝、干缩裂缝、温缩裂缝和翘曲裂缝；使用期裂缝主要包括荷载裂缝、冲刷损伤裂缝和路基变形荷载裂缝。 

        1.2水泥混凝土道面裂缝产生的原因 

        当水泥混凝土道面出现裂缝后会在荷载和环境的综合作用下快速扩张，导致水泥混凝土道面板整体性的丧失，并最终导致水泥混凝土道面的彻底损坏和服务功能的丧失，道面裂缝的发展过程如图1所示。水泥混凝土道面裂缝产生的原因很多，既有设计方面，也有施工方面的原因，主要包括材料质量及用量、温度、湿度等环境因素、施工质量控制等[1]。 

        图1 水泥混凝土道面裂缝发展过程的示意图 

        1.2.1温度应力产生的裂缝 

        在混凝土强度增长的这段时间，混凝土里水泥的水化反应是一个放热的反应，这种反应将使混凝土内部温度升高，产生体积膨胀，待水化反应减慢以后，混凝土体积会收缩，因而引起应力变化而使混凝土出现裂纹。同时，由于混凝土的传导性能较低，类似绝缘体，加上混凝土块体外部失去一些热量使混凝土形成温度梯度，在以后内部的冷却期间会产生骤降，均会产生较大的温度应力，当混凝土材料对温度的变化而引起的伸缩量超过抗拉强度时，就会产生裂缝。 

        1.2.2材料品质的影响 

        目前水泥混凝土道面结构基层主要采用水泥稳定碎（砾）石基层，在温度应力以及其他因素的影响下，浇筑后的道面基层在一定范围内可能产生裂缝，若不及时进行处理，将会反射到面层，使面板产生断裂或裂缝等病害。 

        1.2.3材料施工的影响 

        施工工艺及质量控制是影响道面使用性能的重要原因，土基压实度及密实度控制，道面结构浇筑工艺及时间控制，都会影响道面病害的产生。 

        为了防止和减小道面板内的温缩和干缩裂缝，需要对道面板进行切缝分块，一般施工中切缝时间难以控制。切缝的最佳时间是水泥水化的初始阶段，但由于此时混凝土抗压强度过低，切缝无法进行，随着水化过程的前进，混凝土抗压强度增大，而同时温度的降低也将引起板内温度应力增大，就可能导致板块的横向断裂。 

        2水泥混凝土道面温缩裂缝及发展机理 

        2.1 水泥混凝土道面温缩裂缝 

        水泥混凝土道面早期裂缝的形成主要是由于混凝土收缩时产生的拉应力大于混凝土的极限抗拉强度而引起的。水泥混凝土通过水泥和水的化学反应产生具有较高强度的水泥石，同时释放出大量的水化热，导致混凝土内部温度升高，使得混凝土体积膨胀，而当混凝土表面热量快速散失时，混凝土内外温差产生的拉应力超过极限抗拉强度时就会引起开裂，在道面上表现出横缝和斜缝。 

        气温的日夜变化和季节变化也是引起水泥混凝土板收缩开裂的重要原因。道面板表面在白天会吸收热量，并传递到混凝土板块内部，当晚上道面板表面的热量会随着气温快速下降，但由于水泥混凝土不是热的良导体，混凝土板块内部的热量无法同步散失，导致道面板内部的收缩小于板顶，使板产生了翘曲变形的趋势，而板块间相互的、与基层的粘结和摩擦及自身的重力等作用会阻止这种翘曲变形，在道面板中产生了温度翘曲应力，从而引起混凝土道面板块的裂缝。季节温度变化带来的板块翘曲变形没有日夜温度变化明显，但由于季节温差比较大，季节温差产生的伸缩应力则比昼夜温差大，季节的变化还是间接地影响着昼夜温差应力的变化，加剧了混凝土道面板块的开裂[2]。 

        2.2 水泥混凝土道面温缩裂缝的发展机理 

        水泥混凝土道面温缩裂缝的扩展过程可以从宏观、细观两个层次进行分析。 

        在宏观上，当混凝土因温度差异产生裂缝，混凝土受到拉应力时，裂缝尖端会出现微裂缝区和较小的塑性区，而当拉应力达到最大时，裂缝尖端会出现弧形裂缝，导致尖端应力松弛，促使裂缝扩展，其在一次性荷载作用下破坏的极少。当荷载卸除后，裂缝尖端会恢复到锐状，在荷载的作用下再次扩张，并由于荷载的反复作用最终导致混凝土道面的疲劳破坏。 

        从细观层次看，水泥混凝土是由性质不同的单元所组成的连续的、不匀质材料，新拌混凝土在浇灌、捣实后会在局部离析，导致在粗集料下面形成水囊，在硬化过程中形成骨料和集料的初始界面裂缝，应力松弛性能差，随着荷载应力的增加，裂缝会沿着薄弱处贯通发展，并最终产生混凝土板块的断裂破坏。道面开裂以后，温度继续下降便有了自由收缩的可能，此时裂缝宽度将会增加，但由于水泥面层和基层之间有联结，实际上收缩不是自由的，以后随着使用年限的增加，水泥混合料的劲度模量也同时增加，所以还会产生新的裂缝，从而使裂缝间距缩短，裂缝不断加宽，开裂越来越严重。 

        3 水泥混凝土道面温缩裂缝的防治措施 

        道面板一般厚度比较薄，温度收缩变形没有大体积混凝土明显，但温度梯度可能比大体积混凝土中更巨，容易引起温度收缩裂缝，而且水泥混凝土道面板块需要承受巨大的交通量，当由于温度收缩产生微裂缝，会在反复的交通荷载下快速扩展[3]。因此，混凝土道面开裂的预防要从材料选择、施工技术、养护管理等多方面考虑，并采取合理的措施有效控制混凝土裂缝的产生。 

        3.1控制道面混凝土的强度 

        对于道面混凝土施工，为确保有足够的时间运输、摊铺和压实，应对水泥的终凝时间有，一般需要6～10h。水泥标号不能太高。根据工程实践，当水泥含量大于5%时，则混凝土裂缝就比较难以控制了。考虑到石料的粗细直接影响混凝土的强度、平整度和裂缝的产生，施工现场要对集料的级配严格把关。 

        3.2提高混凝土施工质量 

        在实际工程施工中，混凝土的浇筑要分层、分块浇筑，混凝土浇筑须振捣密实，提高抗渗性能。振捣棒应轻插慢提，振捣间距不应大于50cm，至模板边缘不宜大于20cm，振捣时间不宜少于30s，不应出现过振或漏振现象。压实度控制是保证强度达到要求的重要手段之一。含水量是影响压实度的重要因素。考虑到混合料在运输、碾压过程中还有水分散失，尤其夏季施工时水分蒸发快，施工过程中对水的含量应控制在略高于最佳含水量1％左右。 

        夏季施工应降低混凝土浇注温度，并尽量在夜间或气温凉爽时施工，通过在混凝土中掺加一定量的钢纤维、聚丙烯纤维等，也可以提高混凝土道面自身的抗开裂性。 

        混凝土的切缝时间，在混凝土强度达到设计强度的25%左右时，及时进行切缝，可以有效释放混凝土的温度应力，一般合适的切缝时间是在拆模后12h左右，可以根据当地的气温情况决定切缝时间，高温季节比常温施工适当提早切缝，特别是在夜间降温幅度较大或降雨时，更应提早切缝。 

        3.3施工养护 

        混凝土浇筑后，应及时用湿润的草帘、麻片或塑料薄膜等对混凝土表面进行覆盖并洒水养护，或者喷涂养护剂以防水分蒸发，保证混凝土表面缓慢冷却，冬季混凝土的养护还要做好保温措施，防止冻裂。基层和水泥混凝土道面浇筑完毕后，应及时按规范和设计要求进行养护，可以说养护的好坏直接影响到基层和水泥混凝土道面的质量，对防止早期裂缝的发生和发展具有举足轻重的影响。应该做到浇完一段，养护一段。 

        4 结论 

        水泥混凝土道面具有强度高、稳定性好、耐久性好、耐高温、耐磨耗以及养护费用少等优点，广泛运用于我国道路和机场道面建设中。通过从材料选择、施工技术、养护管理等多方面对水泥混凝土道面的施工进行控制，可以有效减少因温度收缩引起的裂缝。 

        参考文献 

        [1]谢鹏.混凝土结构裂缝产生原因与防治措施浅析[J].黑龙江交通科技,2007(9). 

        [2]吕继涛,曲秋爽.浅谈低温条件下砼裂缝危害及处理[J].建材发展导向,2011(2). 

        [3]李俊红.浅析水泥混凝土裂缝的预防和处理措施[J].甘肃科技,2010,26(13).