水泥混凝土路面裂缝断板产生的原因及防治措施余波

四川农业大学网络教育毕业论文专业08春-土木工程学号W330208124027姓名余 波成绩初审意见 初审老师签名：评审意见 评审老师签名：备注水泥混凝土路面裂缝断板产生的原因及防治措施四川农业大学远程与继续教育学院 土木工程 余 波 摘要：水泥混凝土路面裂缝及断板对路面使用性能和使用年限都有很大影响。混凝土裂缝及断板的存在和发展通常会使内部的钢筋等材料产生腐蚀，降低钢筋混凝土材料的承载能力、耐久性及抗渗能力。因此，必须引起足够的重视，认真分析原因，积极采取措施加以防治。产生裂缝及断板的原因很多，文章从施工材料、基层面层强度以及施工操作、道路排水等方面进行分析。 关键词：混凝土路面；裂缝断板原因；防治措施 一、前言 混凝土在现代工程建设中占有重要地位，而混凝土的裂缝较为普遍。混凝土是一种由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而成的非均质脆性材料。由于混凝土施工、本身变形和约束等一系列问题，使混凝土裂缝成了土木、水利、桥梁、隧道等工程中最常见的工程病害。水泥混凝土路面裂缝是一种极易发生的常见病害。它可造成板块断裂致使地表水下渗而导致路面基层承载力降低，进而引起错板、唧泥和混凝土路面板破碎，严重影响水泥混凝土路面的使用性能和使用年限，增加了行车的不安全因素。水泥混凝土路面破坏后，修复难度大、养生期长、影响交通，而且维修费用高。因此，防止水泥混凝土路面裂缝的出现有着重要意义。导致水泥混凝土路面裂缝产生的原因很多，也比较复杂。这里就几个主要方面进行简要分析。 二、混凝土路面裂缝的原因分析 1、原材料因素，由于混凝土的组成材料、微观构造以及所受外界影响的不同，混凝土中产生裂缝有多种原因，主要是温度和湿度的变化，混凝土的脆性和不均匀性，以及结构不合理，原材料不合格，模板变形，基础不均匀沉降等。 2、施工中严格把住材料关，是保证混凝土质量的前提。材料是构成混凝土路面的主体，粗集料不具有良好的级配，针片状颗粒含量太高；细集料和粗集料中含泥量过高，会降低了混合料的粘结度；所用水泥安定性差或已过期；组成材料的级配不符合标准。那么这样的材料组成的混凝土路面面板的弯拉应力就达不到设计要求，很容易在施工期间产生不规则断裂，或在使用过程出现更多的病害。因此水泥、碎石、砂、水等原材料在使用前进行试验与检验是极重要的，要做到不合格的材料坚决不得使用，粗、细骨料级配要合理。3、混凝土配合比因素，严格控制混合料组成配合比，使施工配合比与设计配合比相符合。在施工中要经常检查骨料的级配和杂质，发现所购进的骨料级配与原试验级配不符时，必须及时调整施工配合比，同时还要检查含泥量，使其不能超标。而在施工中最应注意的是水灰比的控制，如果水灰比忽大忽小，在摊铺时又不注意摊铺的均匀性，就会造成水灰比的不同片块，在其交界结合部，由于凝固收缩率或受热膨胀率不同，在结合部位形成裂缝和断板的情况；如果水灰比过大，混合料便偏稀，在其凝固成型时，收缩率就大，一旦缩缝设置和施工仍按正常进行，就会造成缩缝间距相对过长，从而易在较大的收缩应变作用下形成裂缝，如果进一步发展，还可以形成贯通的混凝土路面断板，因此，在施工中要严格把住混合料的配比关，特别是水灰比这一关。 4、混凝土在硬化的过程中，由于干缩引起的体积变形受到约束时产生的裂缝，这种裂缝的宽度有时会很大，甚至会贯穿整个构件。5、混凝土在硬化期间水泥产生大量水化热，内部温度不断上升，在混凝土表面引起拉应力。后期在降温过程中，由于受到基础或老混凝土的约束，又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力，当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时，即会出现裂缝。6、搅拌时间不够，材料拌和不均匀；振捣不密实，有漏振或过振情况都将导致混凝土整体强度不一致，因此在施工中水泥混凝土必须振捣均匀密实。如果水泥混凝土振捣不均匀，将造成水泥混凝土的密实度不均匀。在密度小的区域内混凝土面板下部多成蜂窝和空洞状，形成了承受应力的薄弱部位或区域，从而易使面板产生断板。 7、在混凝土浇筑过程中，要始终保持施工作业的连续性，一旦出现间断作业，必须设置一道施工缝，并布置传力杆，以防止因不设施工缝而出现断板的现象。在施工中突然遇到雷阵雨气候的情况，应及时采取措施，对已形成强度的混凝土板应加快切缝进度，减少冷收缩裂缝的产生。8、在厚度较大的构件中，由于混凝土的塑性塌落受到模板或顶部钢筋的抑制，在浇捣后数小时会发生这种由于混凝土塑性塌落引起的裂缝。9、当有约束时，混凝土热涨冷缩所产生的体积涨缩，因为受到约束力的限制，在内部产生了温度应力，由于混凝土抗拉强度较低，容易被温度引起的拉应力拉裂，从而产生温度裂缝。由于太阳暴晒产生裂缝也是工程中最常见的现象。10、混凝土加水拌和后，水泥中的碱性物质与活性骨料中活性氧化硅等起反应，析出的胶状碱硅胶从周围介质中吸水膨涨，体积增大三倍，从而使混凝土涨裂产生裂缝。11、许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢，但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化，如养护不当、时干时湿，表面干缩变形受到内部混凝土体的约束，也往往产生裂缝。12、构件超载产生的裂缝，例如：构件在超出设计的均布荷载或集中荷载作用下产生内力弯矩，出现垂直于构件纵轴的裂缝，构件在较大剪力作用下，产生斜裂缝，并向上、下延伸。13、当结构的基础出现不均匀沉陷，就有可能会产生裂缝，随着沉陷的进一步发展，裂缝会进一步扩大。14、当钢筋混凝土处于不利环境中，例如：侵蚀性水，由于混凝土保护层厚度有限，特别是当混凝土密实性不良，环境中的氯离子等和溶于水中的氧会使混凝土中的钢筋生锈，生成氧化铁，氧化铁的体积比原来金属的体积大的多，铁锈体积膨胀，对周围混凝土挤压，使混凝土胀裂。15、由于原材料质地不均匀、水灰比不稳定以及运输和浇筑过程中的离析现象，在同一块体混凝土中其抗拉强度也是不均匀的，存在着许多抗拉能力很低，易于出现裂缝的薄弱部位。而在施工过程中，我们最为常见的多是因温度而引起的裂缝。在钢筋混凝土中，拉应力主要是由钢筋承担，混凝土只是承受压应力。在素混凝土内或钢筋混凝上的边缘部位如果结构内出现了拉应力，则须依靠混凝土自身承担。一般设计中均要求不出现拉应力或者只出现很小的拉应力。施工中混凝土由最高温度冷却到工程运行时期的稳定温度，往往在混凝土内部引起相当大的拉应力，有时温度应力可超过其它外荷载所引起的应力。因此，掌握温度应力的变化规律对于进行合理的结构设计和施工极为重要。故施工过程中严格控制混凝土路面各工序的施工工序质量，尤其要注意振捣密实。搞好施工缝、缩缝、胀缝的处治，尽可能用水化热小、初凝慢的水泥，并适时掌握切缝时间，保证切缝的有效性。 三、混凝土路面断板的原因分析 1、设计原因（1）、设计是水泥混凝土路面施工的依据，只有合理的设计才能施工出优质工程。水泥混凝土路面是置于路基和基层之上的结构面层，它们之间有着十分紧密的关系。路基是公路重要的组成部分，路基是支撑路面结构的基础，它的稳定性直接影响路面结构的安全，因此路基的设计必须认真详细的调查该地区地质和水文地质，使路基具有足够的强度、稳定性和耐久性。确定路基的干湿类型，使路基始终保持在干燥或中湿状态下，否则要对路基进行处理以达到要求，路基在稳定状态下要进一步压实，就是把路基从松散状态通过压实机械的碾压，使其达到最大密实，符合公路工程质量检验评定标准的规定。基层通常是直接支撑混凝土路面的结构层，同时它还随时承受和传递由路面传来的荷载，它必须具有足够的刚度和稳定性，设计的基层必须稳定、密实，表现平整和具有足够的厚度，使混凝土路面始终处于稳定的状态。在路基与基层之间要设置垫层，使水通过垫层时路基处于水稳定的良好状态，垫层设计的优劣关系到混凝土面板的安全，垫层材料选用不当就不能起到透水或均质作用，使路面被除数水浸或出现不均匀沉陷，使板面的支承不均匀而被折断，出现断板。（2）、混凝土路面面板是直接接触和承受车辆荷载的，它的设计必须具有足够的强度，能承受荷载和面板变形所产生的拉弯应力，同时还有平整、抗滑和耐磨的特点，使路面不出现断板，行车舒适安全。交通量越大，设计的强度应越高，在水泥混凝土路面设计强度方面应加以考虑，混凝土路面面板的混凝土混合料的组成设计是直接影响板面质量的重要因素之一，它与板面断板开裂有直接关系。混合料的组成、选料、配比合适时，混合料的质量就有保证，其强度稳定性等指标就符合要求，反之，混合料的质量就无法保证。例如：骨科选用了劣质的石料，混凝土的强度，耐磨性必然会很差，板面就极容易破坏，所以混合料组成设计是十分重要的。 2、施工原因（1）、水泥混凝土施工选用材料的优劣，施工季节的选择，施工机械、施工工艺和施工方法等方面都直接关系到混凝土板面的寿命，混合料选用的水泥必须强度高、具有收缩性小，耐磨性好，安定性、抗冻性好等特点，水泥的收缩性大易开裂，会出现早期收缩裂痕，水泥标号不低于425#，品种为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，砂必须选用中粗砂，含泥和杂质不能超过3%，混合料的施工配合比必须达到设计配合比，施工中的试配强度应大于设计强度的实际值。（2）、混凝土拌和时间的长短应能保证混凝土材料拌和成质量均匀的拌和物，保证混凝土拌和物能达到规定的坍落度、容重、含气量，硬化后达到规定的强度。规范一般都规定了最小拌和时间，拌和时间短，拌和物质量不均匀，就会降低混凝土的强度。拌和时间过长，会降低混凝土拌和物的和易性。所以必须按规范拌和时间进行拌和。（3）、运输方法很多，根据实际和现场条件，选择合适的运输工具。但需要注意的是应当以最快速度将混凝土拌合物运送到浇筑地。避免在运输的过程中剧烈颠簸、震动发生离析、沁水现象。而导致混凝土强度降低（4）、浇筑过程中，因停电，停水，机械故障，气候变化等原因造成停顿时间过长，继续浇注时未按要求处理工作缝，造成收缩裂缝。（5）、震动、捣实当混凝土拌和物运至摊铺地点后，一般直接倒入安装好侧模的路槽内，并用人工找补均匀。摊铺时应考虑震捣后的沉降量，虚高量高出设计厚度10%左右，捣实后于面层标高相符。混凝土拌和物的捣实，应用插入式震动器与震动梁配合作业，以免漏震出现蜂窝，降低强度。（6）、切缝根据现场气温及水泥品种确定最早切缝时间。切缝时间过晚、不及时，及切缝深度不足，造成内应力集中，在板的薄弱处形成裂缝。（7）、传力杆的安装不当，上下翘动，使混凝土板在使用过程中形成裂缝，从而坡坏。（8）、养生不及时或养生方法不当。尤其是夏天温度高，风速大，湿度低，刚铺筑完混凝土表面水分损失过快，从而形成干缩裂缝。有资料表明如果早期混凝土表层迅速干燥到相对湿度80%以下，水泥水化热将停止，混凝土的强度，不透水性和耐久性都将受到很大损害。（9）、如果基层已经发生裂缝，气温下降时基层收缩，拉应力也可使混凝土面层开裂。（10）、基层早期行车，会使基层强度降低，产生裂缝，从而反射到面层，使面层产生裂缝、断板。与混凝土路面断板有关的因素很多，还有其他原因如：基层结构组成设计欠佳，施工质量差，水灰比不正确，混凝土摊捕不均匀，切缝深度不够与位置不当等许多因素。从理论上分析，混凝土产生裂缝发展到断板主要有三个因素：一是混凝土品质的因素；二是车辆荷载的重复作用；三是基层的不均匀沉降。 从调查的情况看，混凝土的品质是引起断板的重要因素，由于施工时混凝土中水泥剂量不足，配合比不好，或者水泥剂量太大，拌合不均匀，振揭不密实等都会直接导致混凝土板体内部强度不一致，使混凝土存在薄弱面，这些薄弱面处就是产生裂缝直至断板的根源。因此，施工时严格按照规范、规程操作，严格控制材料质量和各道施工工序的生产是十分必要的。 养生条件是控制混凝土板早期开裂的重要因素之一。而养生条件中的两个很重要的因素是温度和水分。我们知道，温度对混凝土凝结和硬化影响很大。从贯入阻力试验图可以看出温度对混凝土凝结硬化的速度影响很大。当温度过高时，如养生时水分不足，容易引起混凝土早期开裂，导致断板的产生。在混凝土硬结初期，由于强度还很低，这时如果养生不当，混凝土内部产生收缩，从而使混凝土开裂产生断板，这是施工养生期产生断板的根本原因。如果这期间(一般是在施工35天内)及时切缝，那么裂缝就会在切缝处断开，从而清除不规则裂缝。因此，从施工经验上看，掌握好切缝的最佳时间是控制混凝土断板的关键。 基层或土基的不均匀沉陷也是导致养护使用期间混凝土断板的主要原因。从调查中我们发现在桥头，通道涵及明涵两侧路面板接缝处下沉引起跳车的现象比较普遍，这与桥头部分土基施工有直接关系。由于路基与桥头(明涵两侧，通道两侧)相接触处的土方一般施工都比较晚，且行车干挠大，大吨位压实机械不易到位，这个部位的土基在压实度上很不易保证。另外，桥头部分路基土质一般都比较软，该处的土方沉降与桥台沉降量明显不同，因此，桥头跳车现象不可避免地出现。由于跳车的出现使行车竖向力在瞬间产生大于车身重，从而加剧了对路面板的破坏作用，使跳车越来越严重。 四、温度应力的分析实践证明，混凝土常见的裂缝及断板，大多数是不同深度的表面裂缝，其主要原因是温度梯度造成寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝和断板。根据温度应力的形成过程可分为以下三个阶段：1早期：自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束，一般约30天。这个阶段的两个特征，一是水泥放出大量的水化热，二是混凝上弹性模量的急剧变化。由于弹性模量的变化，这一时期在混凝土内形成残余应力。2中期：自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止，这个时期中，温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起，这些应力与早期形成的残余应力相叠加，在此期间混凝上的弹性模量变化不大。3晚期：混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起，这些应力与前两种的残余应力相迭加。五、混凝土路面裂缝的防治措施为了防止裂缝，减轻温度应力可以从控制温度和改善约束条件两个方面着手。控制温度的措施如下：（1）采用改善骨料级配，用干硬性混凝土，掺混合料，加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中的水泥用量；（2）拌合混凝土时加水或用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度；（3）热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度，利用浇筑层面散热；（4）在混凝土中埋设水管，通入冷水降温；（5）规定合理的拆模时间，气温骤降时进行表面保温，以免混凝土表面发生急剧的温度梯度；（6）施工中长期暴露的混凝土浇筑块表面或薄壁结构，在寒冷季节采取保温措施；改善约束条件的措施是：合理地分缝分块；避免基础过大起伏；合理的安排施工工序，避免过大的高差和侧面长期暴露；改善混凝土的性能，提高抗裂能力，加强养护，防止表面干缩，特别是保证混凝土的质量对防止裂缝是十分重要，应特别注意避免产生贯穿裂缝，出现后要恢复其结构的整体性是十分困难的，因此施工中应以预防贯穿性裂缝的发生为主。在混凝土的施工中，为了提高模板的周转率，往往要求新浇筑的混凝土尽早拆模。当混凝土温度高于气温时应适当考虑拆模时间，以免引起混凝土表面的早期裂缝。新浇筑早期拆模，在表面引起很大的拉应力，出现“温度冲击”现象。在混凝土浇筑初期，由于水化热的散发，表面引起相当大的拉应力，此时表面温度亦较气温为高，此时拆除模板，表面温度骤降，必然引起温度梯度，从而在表面附加一拉应力，与水化热应力迭加，再加上混凝土干缩，表面的拉应力达到很大的数值，就有导致裂缝的危险，但如果在拆除模板后及时在表面覆盖一轻型保温材料，如泡沫海棉等，对于防止混凝土表面产生过大的拉应力，具有显著的效果。加筋对一般钢筋混凝土有影响。在温度不太高及应力低于屈服极限的条件下，钢的各项性能是稳定的，而与应力状态、时间及温度无关。钢的线胀系数与混凝土线胀系数相差很小，在温度变化时两者间只发生很小的内应力。由于钢的弹性模量为混凝土弹性模量的715倍，当内混凝土应力达到抗拉强度而开裂时，钢筋的应力将不超过100200kgcm2。因此，在混凝土中想要利用钢筋来防止细小裂缝的出现很困难，但加筋后结构内的裂缝一般就变得数目多、间距小、宽度与深度较小了。而且如果钢筋的直径细而间距密时，对提高混凝土抗裂性的效果较好。混凝土和钢筋混凝土结构的表面常常会发生细而浅的裂缝，其中大多数属于干缩裂缝。虽然这种裂缝一般都较浅，但它对结构的强度和耐久性仍有一定的影响。为保证混凝土工程质量，防止开裂，提高混凝土的耐久性，正确使用外加剂也是减少开裂的措施之一。许多外加剂都有缓凝、增加和易性、改善塑性的功能，我们在工程实践中应多进行这方面的实验对比和研究，比单纯的靠改善外部条件，可能会更加简捷、经济。六、混凝土路面断板的防治措施 1、严把水泥混凝土路面的设计关认真及时地组织设计人员和有关专家，对水泥混凝土路面设计理论和规范要求进行深入细致的研究和讨论，提高对设计理论的认识和了解，根据当地的地理位置、地理环境、沿线工程地质和水文，特别是交通量的组成和车辆的类别以及地方材料的供应情况，提出符合实际的轴载等设计参数，以及路面结构、材料组成、路基填料的碾压方案和要求，设计出合理的水泥混凝土面板以及排水系统，提出经济合理的配合比设计和施工要求。2、严把工程施工环节第一，水泥混凝土路面的施工中保证工程质量的关键是严格控制混合料配合比，使施工配合比与设计配合比相符合。在施工中要经常检查骨料的级配和杂质并及时调整施工配合比。同时要检查含泥量，使其不能超过规范要求，在施工中特别注意水灰比的控制，水灰比过大混合料容易发生离析现象。在其凝固时收缩率比较大，而缩缝设置和施工如按正常进行，会造成缩缝间距相对过长，在较大的收缩应变作用下容易造成裂缝甚至发展成混凝土断板现象。第二，施工中及时正确掌握切缝时间是防止断板的有效措施。水泥达到终凝后，水泥混凝土凝结成型使水泥混凝土收缩变形不断进行并产生较大拉应力，在混凝土面板承受拉应力最弱的位置会产生断板。第三，施工中严把材料关是保证混凝土质量的前提，材料是混凝土路面的主体，如石料的压碎值、硬度达不到要求，这样的材料组成混凝土路面面板的弯拉应力就不到设计要求，很容易在施工期间产生不规则断裂，水泥技术指标达不到要求，从而形成了水泥混凝土面板不规则断板，所以说严格控制材料质量是防止断板的一个重要措施。第四，在施工中水泥混凝土必须振捣均匀密实。如果水泥混凝土振捣不均匀，造成水泥混凝土的密实度不均匀，密实度大与密度小的水泥混凝体产生了不同应力，在密度水的地区域内混凝土面板下部多形成峰窝和空洞，造成了承受应力的薄弱部位从而使板面容易产生断板。第五，在施工中要避免产生较大的温差效应。温差效应过大或突变容易造成混凝土板面强度形成的不同步。气温较高时，上部强度的形成比下部要快，当气温较低，上部强度的形成比下部要慢，旦有不规则裂缝发生就会诱发强度较低部位拉断开裂，形成不规则断板。第六，正确安装传力杆可以防止断板。传力杆的安装必须遵照规范要求，按设计进行，使传力杆与道路中线及路面平行，如果传力杆安装偏斜则在传力过程会将混凝土顶破，从而形成裂缝断板。第七，正确地纵坡变处、平曲线及构造物结合部设置胀缝，也是预防断板的有力措施。在纵坡变化处，平曲线及构造物结合部位都是应力应变集中的位置，在此处设胀缝隙天线是减少应力应变的最有利位置，可以大大降低在此处的断板率。第八，在混凝土浇筑过程中，要保持施工作业连续性，如果出现间断作业，必须设置胀缝，布置传力杆，从而防止不设施工缝出现的断板。第九，在基层工作施工中，基层表现凹凸不平，使面析与基层间摩阻力增大，在摩阻力集中的地方就容易形成断板，当基层标高低时，浇筑砼的面板偏厚，就会在面板相对比较薄的部分产生不规则裂缝，因此基层的标高控制准确、表面平整光滑是预防断板的一个措施。第十，加强养生和养护。水泥砼路面完成后必须及时进行养生，采取洒水清扫，确保砼湿润、整洁，防止因缺水而产生干缩裂缝或断板，同时还要及时地将胀缝进行封堵，对路肩进行养生维修，保证排水畅通，路基稳定，从而预防因排水不畅致使基层、路基变软，最后导致断板的发生。第十一，百害水为先，对水泥混凝土道路来说，首先要考虑的问题是对水的防治。如果排水系统存在缺陷，使本应及时排走的水大量滞留在路上无法外排势必造成路面积水下渗至路基，导致路基强度的局部软弱从而出现大面积的严重病害。 预防水泥砼断板的措施还有：水泥砼路面必须有完善的排水系统，在砼面板底面与基层顶面间设置滑动层，严格控制开放交通时间等。总之, 混凝土路面早期断板的原因如上所述，施工生产中只有逐一落实控制，才能有效地预防断板的出现。七、结束语 为减少水泥混凝土路面裂缝的产生，应从施工材料选择、基层强度控制、施工及道路排水等多方面控制，严把质量关，控制好每个环节每道工序严格按照国家有关规范、技术标准进行施工是保证工程质量避免病害的前提和基础。本文仅是对水泥混凝土路面裂缝原因作了一些分析、总结，文中的不足、不当之处还望各位同行予以批评指正。 参考文献 1张敬波，刘延群，祝国林.水泥混凝土路面裂缝产生的原因及防治J.黑龙江交通科技，2005，5. 2边玉成.水泥混凝土路面裂缝成因及预防措施J.科技信息，2007，8.3郭正兴、李金根主编建筑施工，东南大学出版社4建筑施工手册第四版，中国建筑工业出版社5现行建筑施工规范大全，中国建筑工业出版社6袁风，水泥混凝土路面断板的预防措施J 2007，47孙晋红，水泥混凝土路面裂缝产生的原因及预防措施J 2005，58钱红梅，水泥混凝土路面裂缝的原因及预防措施J 2007，129水泥混凝土路面施工技术规范（JTGF2003）10刘秉京：混凝土技术，人民交通出版社2004，311 水泥混凝土路面施工及验收规范GBJ97-87致谢： 虽然我已经工作了，在这两年的学生生活中，让我再次找到了作学生时的快乐。感谢老师在这两年的学习中给予的关心和支持，作为学生，老师的付出是无私的，你们用自己的智慧和汗水，培育了一代又一代的毕业生。感谢老师，你们辛苦了！