浅谈高速公路水泥混凝土路面常见病害的分析

   当前水泥混凝土路面在高速公路建设中的应用比较普遍,就其在施工和养护中出现的各种病害、裂缝产生的过程,混凝土原材料、配合比、水灰比、施工操作等对质量的影响,以及产生外观质量缺陷的原因进行了比较全面的评述。 
  关键词路面;病害;探讨 
  近年来,水泥混凝土路面在高速公路中的建设发展迅猛,但工程质量不尽人意,并导致建设费用大大增加,为了能更好地控制好水泥混凝土路面的质量,下面就针对成渝高速公路上常见的水泥混凝土路面质量问题并结合自己在多年来的施工管理经验作一广泛的探讨。成渝高速公路中的水泥混凝土路面出现质量问题的原因除路基本身质量欠缺而影响到路面质量外,主还有路面施工不规范及组成材料不合格的问题所至。其质量病害的主问题有 
  1. 裂缝 
  产生裂缝的原因很多,从时间上可分硬化前和硬化后两个过程。 
  1.1在硬化前,混凝土还处于塑性状态,由于各种组成材料的密度不同而发生沉降,内部自由水析出,引起沉降收缩裂纹,这一般发生在抹面层的时候。但在干燥的基层上浇筑混凝土面层时,因水份很快被基层吸收,引起混凝土较大地收缩也会产生宽而深的裂缝。 
  为防止沉降裂缝的发生,可采取以下防治措施 
  (1)混凝土浇筑后,在尚未出现析水前,应防止强风吹拂和烈日曝晒。 
  (2)同时在浇筑后及时养护,防止混凝土表面水份蒸发而干燥。 
  (3)在浇筑混凝土前,应将路基基层浇湿。 
  (4)采用二次抹面,以减少表面收缩裂纹。 
  (5)避开高温气候施工。在高温天气下,水泥水化作用加快,内部水化热不易及时散开,从而产生温度裂缝,同时因水份蒸发加快,使混凝土迅速干燥而收缩,易产生收缩裂缝。 
  1.2硬化后,由于施工不当或材料质量问题而产生裂缝。 
  1.2.1干缩裂缝。 
  因水份蒸发,使干缩产生的拉应力大于混凝土的抗拉强度,使混凝土产生裂缝。它的特征是表面开裂,走向纵横交错,没有一定的规律,形似龟纹,缝宽和长度都很小,与发丝相似。 
  引起干缩裂缝的因素主有 
  (1)水泥中的硅酸二钙可产生很多肢体,它在干湿作用下,体积变化很大。水泥中的铝酸三钙水化时需大量的水,养护过程中膨胀值大,干燥时收缩亦大。这两种物质含量大时干缩性亦大。 
  (2)混凝土中的用水量对干缩值有很大的影响,当用水量增加一定百分数时,干缩值成倍增加。 
  (3)骨料的大小和级配也对干缩值有密切关系。级配良好时,空隙率小,砂浆含量减少,收缩值相对减少。对使用偏细砂时,会使混凝土收缩值增大。含泥量大的情况与使用偏细砂相类似。 
  1.2.2由于温度应力而产生的裂缝。 这主是因昼夜温差太大,而产生较大的温度应力,由于没有设置伸缩缝和对混凝土面板进行及时切割,而造成面板拉裂。因为混凝土材料对温度的变比而引起的伸缩量约为每度0.01毫米,当累计长度内温度应力超过抗拉强度时,就会发生裂缝。一般在20~40米范围内应设置伸缩缝,以防断裂。 
  1.2.3基层原因而产生的反射裂缝。 由于基层的裂缝没有进行及时处理,而反射到面层,使面层断裂。 
  目前,水泥混凝土路面基层采用的结构形式以水泥碎(砾)石稳定基层为主。因温度应力及其它因素的影响,基层浇筑好后,在一定范围内会自然断裂,如在基层上人为地设置一些伸缩缝,为使上下缝对齐,会增加不少施工难度。在2003年8月重庆成渝高速公路白市驿混凝土路面改建工程中(328Km+000~329Km+120右),混凝土水稳基层设置了伸缩缝(一般100米内不超过5条),以二层油毛毡来处理,油毛毡宽度为50厘米,从施工效果来看比土工布处理较为理想。 
  1.2.4由于材料不良引起的裂缝。 
  (1)水泥安定性不良引起的裂缝。 
  水泥熟料如锻烧不充分,会产生较多的游离氧化钙,因它的水化过程很慢,导致水泥己凝结硬化后仍继续水化而产生体积膨胀的体积变化不均匀现象,使路面出现龟裂、断板等。还有氧化镁及石膏的后果与氧化钙类似。为防止水泥安定性不良引起的裂缝,应加强检验,并选用低碱性水泥。 
  (2)因拌和物温度过高,而出现“假凝”现象,并使混凝土板块断裂。 
  水泥拌合后不久,便产生变硬,尔后又变软,逐步正常硬化。这一过程中开始出现的现象即为“假凝”。这是因为拌合物温度过高,使水泥颗粒表面形成一层薄的硬壳,使混凝土拌合物的和易性变差,且影响后期强度。另外,内部热量不易散发,使体积膨胀,也易引起混凝土裂开。 
  因此,为防止混凝土发生假凝现象,控制混凝土的拌合物温度。 
  (3)水及砂中有害杂质对水泥混凝土有腐蚀作用。 
  有害杂质与混凝土产生反应生成易溶于水的物质,使混凝土被腐蚀,强度降低,在车辆荷载的不断作用下,遭到破坏。 
  根据规定对砂、石材料的试验检测每料场做一次,稻田水和水沟水一般情况下不能作拌合用水。 
  (4)砂、石材料中的活性材料与水泥中碱产生化学反应,使混凝土结构遭到破坏。 
  1.2.5集料中的活性二氧化硅与水泥中碱性氧化物水解后生成的氢氧化钠和氢氧化钾会产生化学反应,并在集料表面生成一种碱——硅酸凝胶体,这种凝胶体吸水后体积产生膨胀,使混凝土结构破坏,出现较深的网裂,这就是“碱——骨料”反应。 
  (1)新出厂的水泥不能立即使用,因新出厂的水泥温度较高,且游离氧化钙等还没有完全消解。 
  (2)采用低碱水泥和非活性集料。 
  (3)严格控制混凝土的振捣时间,既振捣密实又避免过振,过振导致离析,使表面砂浆过厚,易产生收缩裂缝。 
  2. 影响混凝土强度的一些原因
  2.1选用材料不当。 
  (1)骨料中针片状石子含量过高。 
  针片状石子在混凝土中易出现架空现象,空隙率较大,受压易折断,从而影响混凝土强度。 
  (2)选用较细的砂、且杂质含量过高。 
  根据规范规定砂的细度模数应在2.5以上,含泥量不超过3%。 
  (3)水泥随意掺合使用。 
  因不同水泥中混合物质量及掺量都不同,掺合后将使水泥性能发生变化,标号降低,从而影响混凝土的强度。 
  (4)粗骨料采用砾石。 
  砾石因表面光滑、无棱角,与水泥砂浆的粘结不够好,使混凝土强度降低。应采用机轧碎石作骨料。 
  (5)砂、石材料内含有杂质。 
  根据规范规定粗骨料含泥量不超过1%,砂含泥量不超过3%。砂、石材料内杂质的含量对路面塑性收缩开裂和干缩变形影响很大。 
  (6)对粗骨料最大粒径控制不严。 
  根据规范规定水泥混凝土路面最大集料粒径为40毫米。但在施工中往往控制不严。从1998年第六期《公路》杂志上的一篇文章研究表明,大粒径集料的混凝土弯拉强度相对偏小。 
  2.2外加剂对混凝土强度的影响。 
  在掺有早强剂或速凝剂的混凝土中,因水泥短期内水化、硬化,使水泥颗粒表面生成一层硬亮,阻碍了水泥进一步水化,导致后期强度偏低。 
  2.3配合比控制不严以及计量不准确。 
  (1)水灰比的问题。 
  混凝土中的拌合水分自由水和化合水两部分。化合水的作用是使水泥水解和水化,剩余的皆为自由水,它是为了满足操作的求。自由水在混凝土硬化过程中逐渐蒸发,使混凝土内部形成空隙。如水灰比偏大,使混凝土密实度降低,强度也就降低;但水灰比偏小时,因和易性差,影响施工操作,也难以振捣密实,使混凝土强度降低。因此严格控制水灰比。 
  (2)计量不准确。 
  混凝土的配合比是根据混凝土强度、耐久性、耐磨性、和易性来确定的。根据规定计量误差水泥1%,粗骨料3%,水1%,外加剂2%。同时计量不准确也影响砂石材料的级配,没有一个好的级配,混凝土的密实度就难以保证。新规范中作出了明确规定水泥混凝土路面、大桥特大桥、隧道等有大体积混凝土施工的工程应采用拌和站并必须配置一定数量的自动计量设备,禁止用体积法计量。 
  2.4施工操作不规范。 
  (1)砂石材料含水率的测定。 
  砂石材料的含水量是随气候变化而变化的。施工中住往根据设计而不考虑这一因素,从而使水灰比失去控制。事实上,在施工现场在每班开工前及天气变化时,对砂石材料进行含水量的测定,及时对水灰比进行调整。 
  (2)标高控制不严,使混凝土板块厚薄不均,造成混凝土强度不匀,在混凝土板块厚薄不均界面,在外力作用下及收缩时产生拉应力,易产生裂缝,影响混凝土的使用质量。 
  (3))振捣不密实。 
  从现场取芯的芯样上,往往会发现芯样气孔较多。这是混凝土振捣不密实的表现,混凝土有足够的弯拉强度,来自于它的密实度。 
  (4)随意向混凝土中加水。 
  这种行为与水灰比过大的情况类似。随意加水会使混凝土中自由水份增加,随着水份蒸发,使混凝土内空隙增大。 
  (5)养护不及时。 
  混凝土的结构和强度的形成及增长有一个过程,并需有一定的温度和湿度条件。如不及时养护,会影响混凝土水化作用的正常进行和水化物的生成,从而影响混凝土的强度。 
  (6)一盘中多余的混凝土在浇筑间歇摊在基层上面。 
  对于在工作间歇遇到一盘多余的混凝土摊铺在基层上的做法,这是不允许的。但在工作中确实也碰到过,特别是在低等级公路的混凝土浇筑中较为多。 
  很显然,加了这一薄层使面层厚度减少,且薄层未经振捣结构强度低,由于这一薄层的存在势必影响面层的强度。 
  3. 从外观看混凝土存在的一些质量问题 
  3.1路面外观颜色差异。 
  根据《公路》杂志1998年第六期中文章介绍当用肉眼能看出混凝土路面存在颜色差异时,配料中误差水泥>7%、用水量>10%、集料>10%,由于计量不准造成色泽差异,且对混凝土强度有严重影响。 
  3.2路面起砂磨损和露骨。 
  (1)路面磨损甚至露骨除了与砂石材料中的含泥量及砂偏细等有关外,还与水泥有关。在成渝高速公路白市驿混凝土改造过程中,1#隧道与2#隧道之间的水泥混凝土浇筑,由于水泥稠度指标达不到,保水性较差,泌水较为严重,最后路面起砂磨损现象很严重。在1#隧道内的混凝土采用不同的水泥浇筑,且通车时间更早却没有起砂磨损现象。 
  (2)在旧路改造时,由于路面接坡没有处理好造成磨损露骨 
  因接坡没有处理好,在车辆运行过程中,将旧路上的泥土、砂、石子等带到浇筑好的路面上,在车轮的不断作用下,便路面造成磨损最后露骨。 
  一般规定混凝土路面浇筑单向长度不得小于1公里。 
  根据经验接坡用混凝土进行处理(长度约15米),可减缓上面这种情况的产生。 
  (3)路面浇筑中,提浆机如使用过多,由于提浆机振动频率大,使面层砂浆过厚,也易造成起砂和露骨。 
  3.3面层出现小坑洞。 
  这是因为砂石材料中混进小泥块或杂质而引起的。为了避免以上这种情况的产生,具体操作时因注意 
  (1)对加工好的碎石进行过筛,防石粉结块及增加含泥量。 
  (2)对堆料场进行硬化处理,防止直接堆在耕地上,以免装料时底层泥土混入。 
  3.4断边、缺角现象。 
  混凝土路面板角、板边部分应力易于集中,因振捣不良等原因,容易发生裂缝在外力作用下也易发生断边、缺角现象;如接坡太低,在车轮作用下,易使混凝土板角断裂或使板边啃掉。
  3.5表面压纹不均匀。 
  由于路面施工平整度差、压纹时间掌握不好等原因,导致压纹深度不均匀。目前,采用先拉毛后割缝的施工工艺,对行车安全较好。 
  3.6侧面蜂窝、麻面。 
  振捣不实、振捣不够使混凝土内气泡未能上浮而粘着模板,或模板上粘着水泥砂浆末刷洗干净使板面粗糙,在漏振及漏浆的情况下出现蜂窝和麻面。 
  3.7脱皮。 
  在施工中,因混凝土面板受雨水侵袭导致水泥浆流失,然后采用水泥浆粉刷补救,或是混凝土坍落度大及水泥保水性差使面板泌水严重,或用干水泥补撒吸水等都会产生脱皮。 
  3.8灌缝问题。 
  (1)灌缝材料质量欠佳及漏灌。 
  灌缝材料质量欠佳造成温度高时被车轮撕裂,温度低时自行脆裂;漏灌及灌缝不良会造成雨水下渗,影响路面的使用质量。 
  (2)灌缝不及时、切缝深度不足及灌缝时缝内湿度太大。 
  灌缝不及时会使泥砂等杂质进入缝内,切缝深度不足及灌缝时缝内湿度太大,都会影响灌缝质量,灌缝必须在缝槽干燥的状态下进行。目前,灌缝料质量较好的有改性沥青、聚氨脂等。 
  3.9车轮、脚印及刮刀印痕。 
  这些人为因素造成混凝土外观出现的质量问题,只有通过加强施工现场的管理,才能使其得到有效控制。 
  3.10纵缝拉开。 
  纵缝拉开的原因主是中央拉杆没有按规范设置,这在低等级公路建设中容易出现;在高等级公路建设中,双车道混凝土一次性浇筑的路面中缝拉杆设置较易疏忽,操作人员比较随意,既不拉线,也不对布设距离进行丈量,这都会给以后路面的使用质量留下隐患。 
  3.11拼板时混凝土跑到邻板上。 
  拼板时,由于操作不当,会使混凝土跑到邻板上,影响中缝的美观,并使面板平整度受到影响,实际施工中,可用宽约5厘米、长3.5米的钢板条靠在板边,以防砂浆跑到浇好的面板上。 
  3.12线型不顺。 
  立模不到位、放样不准确或者模板变型造成中缝、边线不顺。 
  3.13喞泥、错台现象。 
  喞泥现象的产生是基层中有可悬浮的细粒松散土,在路面上雨水渗入及车辆荷载的重复作用下,使基层破坏甚至脱空,使面板出现喞泥、错台甚至断裂。对基层的施工及适用范围,已在《公路路基施工技术规范》(JTJ033-95交通版)中作了明确规定。 
  3.14平整度欠佳。 
  平整度不佳的主原因是抹面操作人员掌握不好形成的,另外平板振捣梁也有一定的关系。一般采用铝合金大尺,横跨模板上来回抹平几次,然后转90度再抹平,使平整度得到有效控制。 
  4. 结束语 
  总之,抓好高速公路混凝土路面的质量,除路基质量保证外,必须严格控制材料质量,加强试验检测,做到准确计量,及时对配合比作出合理的设计,严格控制水灰比;同时,必须规范操作行为,按规范施工,加强养护工作;另外,积极探索和改进施工工艺,以提高混凝土路面的整体质量。 
  参考文献 
  1《水泥混凝土路面施工及验收规范》(GBG97-87交通版). 
  2《公路》杂志1998年第六期. 
  3《公路路基施工技术规范》(JTJ033-95交通版). 

  

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