定州电厂进厂公路混凝土路面面板断裂原因分析及其防治

　　摘要：本文对定州电厂进厂公路水泥混凝土路面面板断裂的原因进行细致的分析并提出防治的措施，具有一定的代表性，对指导类似工程施工有一定的参考价值。 

　　关键词：面板断裂 水化反应 翘曲应力 摩阻 
　　 
　　在修筑水泥混凝土路面中，常会遇到面板断裂的问题，给施工和养护维修带来许多麻烦，也降低了公路的使用年限。本文拟结合修建国华定州电厂进厂公路的体会，对水泥混凝土路面断板的原因进行了分析，谈一些个人看法，以便为今后水泥混凝土路面的修建提供参考。 
　　 
　　一、路面结构及混凝土拌合摊铺 
　　 
　　结构形式：在经过处理后的路基上铺筑一层厚为20～30cm拌合均匀、压实度高的全封闭式的三灰稳定土基层；然后是厚度为23cm的水泥混凝土面层。要求混凝土抗压强度大于35MPa；抗折强度大于4.5MPa。 

　　面层的施工从原材料的采购，混凝土的配制、拌合及摊铺成型等，都严格按规范施工，其质量都是良好的。但在个别处发现了断板和龟裂现象。 
　　 
　　二、裂缝发生的位置 
　　 
　　水泥混凝土面板为半幅路面，宽度为7m，中间设纵向帐缝。面板每隔5.0m长为一道缩缝，缩缝由切缝机下切6.0cm深，切缝用液态沥青填缝。面层裂缝一般出现在板块1/2～1/3处，为横向裂缝，在切缝边缘角隅处有斜向夹角45°的裂缝（如图1所示）。纵向裂缝极小，也很短。另外，在个别面板上有不规则的网状龟裂。

　　三、裂缝形成的主要原因及防治 
　　 
　　（一）内部水化反应引起面板龟裂以致最终断裂。 

　　水泥混凝土在硬化期间，由于水化反应产生大量水化热，使混凝土温度上升，外界气温同混凝土本身温度形成温差，而混凝土的上表面、下表面的温度与混凝土内部的温度又形成温度的梯度变化。由于温度的变化使混凝土产生了伸缩应变，内部混凝土受周围混凝土的约束，不能自由伸缩，因而产生压应力；而周围的混凝土又受到内部混凝土的挤压，使混凝土面板向外产生了张拉应力，这是混凝土本身由于水化反应产生的张拉应力。混凝土在凝结硬化过程中，本身的抗张拉应力在逐渐增长（在28天的龄期才到达设计要求的强度，其张拉应力仅是抗压应力1/10～1/13）。如果混凝土由于热胀产生的拉应力超过了混凝土的抗张拉应力，混凝土面板就产生裂缝。由于裂缝的逐渐加深，板面开裂，形成断板。 
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　　预防措施： 

　　（1）面板混凝土浇注后，应及时进行切缝处理，用以减少混凝土面板热胀时的约束力。 

　　（2）加强养生，降低温差。养生的作用有两点：一是混凝土的水化反应有一个峰值期，在这个峰值期，混凝土表层的蒸发率与当时外界的气温、湿度、混凝土表面的温度以及风速等有关。当混凝土表层水分的蒸发量超过1.51/㎡/H时，如果没有水分补充，混凝土就可能出现裂缝，所以养生是防止混凝土表层水分散失过大、过快的一种措施。其二、混凝土拌合时的用水量，绝大部分是起和易性的作用，只有少量是用以水化反应。在混凝土硬化过程中，由于水的热容量大，导热性也高，水化热通过水的传导蒸发而减少。但由于水分的减少，使混凝土内的热容量降低，而水化反应在不断地析出热量，会使混凝土的热胀速度加快，因而张拉应力也就增大了。养生就是使混凝土内的水分降低速度减缓，使水化热通过水的传导作用而降低了混凝土的张拉应力。在张拉应力小于抗张拉应力的条件下，混凝土面板就不会因水化反应而出现裂缝。 

　　（3）在混凝土施工中尽量采用水化热值低的中热低碱水泥或道路专用水泥。在这方面，日本道路公团对混凝土路用水泥规定中明确提出7天水化热少于70卡/克的要求。 

　　 （二）混凝土面板的翘曲应力引起面板断裂。混凝土面板在浇注后，由于外界气温的变化，使面板发生翘曲，经过多次的反复弯曲会使面板发生裂缝，最终断裂。对于新浇注的混凝土，其强度随着龄期延长在增加，在浇注后的最初3、4天内，增长率约为28天强度的40%～55%。这几天混凝土的水化反应处于高峰期，如果白天气温高，板顶同板底有一个温差，板表面伸长大于底表面，板块呈凸型翘曲，顶面出现拉应力。到晚上温度回落，板块呈凹型翘曲，顶面出现压应力。板块的这种翘曲变化又受混凝土固有的抗张拉应力的影响。当外界的拉应力大于内部的抗拉应力时，面板就易发生裂缝。尤其是当混凝土的强度处在低值期，水化反应剧烈，各种预防措施跟不上，更易发生裂缝。 

　　预防措施： 

　　（1）尽量避免在高温天气浇注混凝土，酷暑季节宜在黄昏后施工，并洒水降低基层表面温度，减少混凝土水分的损失。 

　　（2）由于板的翘曲变化除了温差外，还与混凝土面板的长度、宽度等因素有关。所以，面板混凝土浇注后，应及时进行切缝处理。 

　　（3）加强养生，用湿的草袋等覆盖混凝土面板。 

　　防止面板断裂，应特别重视对混凝土面板的适时切缝。从整个定州电厂进厂公路施工中我们体会到：凡在规定时间内切缝并填封液态沥青的面板。均在切缝口下端出现正常的断裂（图2），相反则发现其断裂不规则（图3）。

　　（三）基层（三灰稳定土）摩阻力增大，使面板在薄弱部位发生裂缝。基层同混凝土面层间的摩阻力，阻碍着面板的自由伸缩，摩阻力愈大，面板愈不易伸缩。在水化反应高潮期以及外界高温条件下，板块发生翘曲变化，在重力作用下发生剪切变形。而摩阻力的大小是确定面板极限长度的一个因素。过大的阻力，使面板的分块长度减少，增加了切缝数量。在施工现场，常有水泥稳定层平整度差，起伏过大，经施工车辆碾压后发生破碎脱落，出现大小不等的坑槽；而这些坑槽又没有及时修补，最后与水泥混凝土面板一起浇注，在面板底部出现凸起的混凝土钟乳块，极大地增加了基层摩阻力，阻碍了面板的热胀伸缩，增大了内力促使面板向上拱起，在重荷作用下，易出现裂缝。 

　　预防措施：施工中严格控制基层表面标高及表面的平整度；及时修补坑槽。 

　　（四）水泥混凝土面板厚度严重不足而发生裂缝形成断板。在施工中混凝土面层的厚度如果减少，在设计荷载不改变的情况下，面板极易断裂。这是因为混凝土受压时，最大伸长变形是沿横向的。根据虎克定律：伸长同试件的长度、拉力成正比，同试件的截面面积成反比，即△L=PL/EF；而作用在横截面的正应力为б。 
　　△L--伸缩长度； 
　　P--压缩时产生的拉应力； 
　　L--试件长度； 
　　E--混凝土弹性模量； 
　　F--混凝土截面面积； 
　　σ。-- 混凝土正应力； 
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　　由于面板厚度减少，横截面积也就减少了，因而混凝土受的正应力就增大了，面板易开裂，在45°有斜截面断裂（最大正应力在横截面上，其值为σ。；最大剪应力与轴线成45°的斜面上其值为1/2б。），从而严重降低了路面的使用年限。 

　　国外有资料指出，路面计算厚度即使减少2cm，也就会使路面的使用期限缩短25%。国内学者同济大学教授姚祖康也有同感，他认为“假若设计厚度为22cm混凝土面板，抗弯拉强度为4.5MPa，如果在施工中厚度减少1.0cm内应力将增加7.4%，寿命减少60.6%，即年限将由于30年降为20年，上述论点在学术上尽管还有争议，但也从一个角度上说明了保证混凝土面板厚度的重要性。 
　　 
　　预防措施： 

　　（1）严格控制砾石基层的施工标高，不允许出现误差，使面层宁厚勿薄。 

　　（2）在面板厚度无法保证的个别地段，应采取补强处理（变素性混凝土为钢筋混凝土）。 
　　 
　　四、断板的补救办法 
　　 
　　出现断板应积极地采取有效的补救措施，其主要方法有： 

　　（1）凿开断裂面，清除松散混凝土，留出一定宽度，填充微膨胀混凝土。 

　　（2）伸缩联结，在横向裂缝有比较顺直时，实行切缝处理，增添一道缩缝。 

　　（3）在裂缝不太严重时，灌入SC-1粘接剂。 

　　（4）断板严重时，应拆除面板，重新浇注混凝土。 

　　综上所述，对于混凝土面板的断裂，在工作中只有老老实实地按科学态度办事，认真组织，精心施工，采取积极有效的预防措施，面板的断裂是可以防止的。 
　　 
　　参考文献： 

　　[1] 庄少勤、吴海平，《高等级公路实用技术》，同济大学出版社 

　　[2] 张新天、罗晓辉，《道路工程》，中国水利水电出版社 

　　[3] 候岩锋、魏正义，《公路项目质量管理技术》，人民交通出版社