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水泥路面病害分析与研究

摘要:分析水泥混凝土路面产生裂缝、路面表面损坏等病害现象及成因,提出采用聚合物自密实性进行处理的方法,为同类工程提供良好借鉴。

作者:吴德清

概述

水泥混凝土路面是一种刚度大、扩散荷载能力强、稳定性好的路面结构。加之水泥混凝土路面的适应性及抗灾能力强,能较好地满足现代化交通的要求,自20世纪90年代以来得到了迅猛发展。但随着公路里程的增加,养护维修的任务越来越重,况且由于路面经常受重交通荷载、环境条件等因素的作用,水泥混凝土路面在使用初期或经过一段时间使用后,容易出现一定程度的损伤破坏,如路面表面出现细小的裂缝、坑槽、露骨;路面板出现裂缝、断板;接缝产生错台、碎裂等病害。这些病害降低了路表使用性能,减小了路面结构的承载能力,降低了道路的通行能力,应迅速予以修复,否则在车辆荷载和环境因素继续作用下,路表使用性能将迅速降低,路面承载能力将进一步下降,会引起整个路面结构迅速破坏。从而会大大增加今后的维修成本。

一、路面破坏形式

路面的病害现象主要表现为以下几种:路面产生各种裂缝;接缝碎裂及坑槽、孔洞等;路面起皮、剥落;混凝土路面表面磨光。

二、主要病害的原因分析

2.1裂缝病害的原因分析

(1)表面裂缝混凝土板面的表面裂缝主要是由混凝土拌和物的早期过快失水干缩和碳化收缩引起的厚度方向未完全断裂的裂缝。

混凝土拌和物是一种多相不均匀材料。由于构成拌和物的各种固体颗粒大小、密度不同,拌和物不可避免地会发生分层离析,但离析的程度有轻有重,配比合理,操作得当,拌和物的离析就会大大减轻。在水泥混凝土路面施工中,发生的颗粒不均匀分层离析大多是粗骨料从拌和物中分离出来,即重颗粒下沉,水分向上迁移,从而形成表层泌水。泌水的结果,使水泥混凝土路面表面含水量增加。当拌和物表面水的蒸发速度比泌水速度快时,水的蒸发面就会深入到拌和物表面之内,水面形成凹面。由于表面凹面较凸面所受压力大,同时固体颗粒间产生毛细管张力,促使颗粒凝聚。当混凝土表面尚未充分硬化,不能抵抗这一张力时,混凝土表面则发生裂缝。这种塑性裂缝发生的时间,大致与泌水消失时间相对应,在混凝土浇筑后数小时,混凝土表面将普遍出现细微的龟裂。混凝土的碳化收缩也会引起混凝土表面龟裂。当混凝土的水泥用量较低,水灰比较大时,空气中的CO2易渗透到混凝土内,与其中的碱性物质起化学反应生成碳酸盐和水。混凝土的碳化反应在空气相对湿度为30%~50%的情况下最为剧烈。碳化引起的收缩仅限于水泥混凝土路面表层,只产生混凝土的表面裂缝。

(2)横向裂缝

横向裂缝是指垂直于行车方向的有规则的裂缝。导致水泥混凝土路面出现横向裂缝的原因较多,主要有以下两方面的原因:

干缩裂缝引起的。在水泥混凝土内,水在水泥石中是以化学结合水、层间水、物理吸附水、还有毛细水等状态存在着,当这些水在混凝土硬化过程中失去时,水泥浆体就会收缩,这是干缩。但是对于自由收缩,还不会导致裂缝发生,惟有收缩受到限制而发生收缩应力时,才会引起干燥收缩裂缝。

切缝不及时引起的。为防止混凝土路面的干缩裂缝和冷缩裂缝,人们采用切缝将路面分块。我国现行水泥混凝土路面设计规范规定,路面板长不大于6m,板宽不大于5m。但由于施工中切缝的时间难以控制得当,造成混凝土路面出现横向裂缝。

(3)纵向裂缝

纵向裂缝是指顺路方向出现的裂缝。水泥混凝土路面的传荷顺序为面层、基层、垫层、路基。尽管面层板传到路基顶面的荷载应力值很小,往往不会超过0.5MPa,但路基的支承条件确是很重要的。由于路基填料土质不均匀、湿度不均匀、膨胀性土、压实不足等多方面原因,很可能导致路基支承不均匀,在路基稍有沉陷的情况下,在板块自重和行车压力的作用下产生纵向断裂。开始缝很细,一般小于0.05mm,但随着雨水浸入和浸泡基层,使其表面软化、液化而产生唧泥、掏空,使裂缝加大。

(4)交叉裂缝

交叉裂缝是指两条或两条以上相互交错的裂缝。产生交叉裂缝的主要原因:一是水泥混凝土强度不足,在轮载和温度作用下会出现交叉裂缝;其二,路基和基层的强度与水稳性差,一旦受到水的侵入,将会发生不均匀沉陷,在车轮荷载作用下,混凝土板块出现交叉裂缝;其三,水泥的水化反应和碱集料反应。水泥混凝土拌和物在拌和、运输、振捣、凝结、硬化的过程中,始终存在着水泥的水化反应,水化反应可分为初始期、休止期、凝结期和硬化期四个阶段。水泥水化反应在混凝土发生升温和降温过程中产生体积的膨胀变形,在内部骨料及外部边界约束下使混凝土的自由胀缩变形受阻而产生拉压应力。

2.2板块破坏的原因分析

(1)板角断裂板角是混凝土路面板的薄弱部位,由于侧模的模壁效应,施工时插入式振捣器很难保证拌和物会完全密实,板角密实度不够,强度相对较小,而在受力上板角却较为不利。相邻板角之间无传力杆,传荷能力较差,在车轮荷载的作用下荷载应力较集中,除在混凝土路面的起始点和胀缝设有角隅及边缘钢筋外,其它部位均未设钢筋,而且一旦混凝土路面板接缝进水,板下就会出现唧泥、脱空现象。板角更是处于不利状况,车轮荷载作用在板角时,很容易出现板角断裂。

(2)接缝碎裂水泥混凝土路面板接缝两侧倾斜的剪切挤碎现象称为接缝碎裂。混凝土路面接缝分纵缝和横缝。横缝又分为胀缝和缩缝两种,胀缝的宽度随气温而变化,当气温上升时缝中的填缝料被挤出;当气温下降时性能较差的填缝料不能恢复,使缝中形成空隙,而因泥沙、石屑等杂物侵入,成为板块伸胀时的障碍,挤入的硬物将引起板边胀裂,雨水便能沿此空隙渗入,损坏基层和垫层,造成路面接缝处变形和破损的进一步发展。

(3)板面起皮、剥落起皮主要是施工中水灰比过大或因混凝土施工时表面砂浆有泌水提浆现象所致。剥落主要是由于混凝土强度不足,而接缝处剥落则由缝内进入杂物所引起。

(4)孔洞、坑槽孔洞、坑槽主要是由于砂石材料含泥量过大或混凝土内有泥土或杂物所致。

三、裂缝病害修补

裂缝的修补,最佳的修补方式是将已裂的板在裂缝间通过灌注某种材料,将两块己裂的板粘结起来使之成为整体,但国内外相关的修补材料都存在以下缺点:(1)在采用的有机材料中,高模量的环氧树脂和酚醛类修补材料韧性不足、粘结强度不高,而且对修补条件要求苛刻;低模量的聚氨酯和烯类修补材料提供不了足够的强度,不能满足路面抗冲击性能。而且无论在造价上,还是在环保上,都要比无机材料逊色。(2)在采用的无机类裂缝修补材料中,一般采用各种粒度和成分不同的水泥,这类材料明显刚度太大,而且界面粘结性能差,若要作为路面裂缝的修补材料,必须进行改性。

总之,理想的混凝土路面裂缝修补材料必须满足下列性能要求:(1)要具有良好的粘结性能;(2)防水抗渗性好;(3)要具备路面所要求的抗冲击韧性,在自然温度范围内具有较好的稳定性;(4)优良的耐久性;(5)使用方便,施工快捷,易于填充密实;(6)对环境无污染。

四、聚合物改性自密实混凝土

考虑以上因素,可以采用粘结强度高、力学性能良好、渗透性强、耐疲劳、施工工艺简单、适用范围广的新型无机-有机路面裂缝修补材料。

免振捣自密实混凝土是一种具有很高的流动性、粘聚性和抗离析性,在自重作用下能够不经振捣而自动流平并充满模型和包裹钢筋的混凝土。而且免振捣自密实混凝土的粗骨料的最大粒径都在2cm以下,适于裂缝宽度在2cm以上裂缝的修补。

聚合物改性水泥混凝是在混凝土中加入聚合物,可以提高水泥混凝土抗拉强度,减小混凝土脆性,增强混凝土韧性,提高混凝土抗冲击性、耐磨性。聚合物水泥混凝土还具有很好的渗透性和粘结性,有利于提高新老混凝土的粘结强度,降低混凝土的塑性收缩应变,增强新老混凝土复合结构耐久性。

首先,由于自密实水泥混凝土具有高的流动性,它依靠自身重力,无需振捣,自行密实成型,把它作为裂缝的修补材料,有利于灌缝材料的密实,而且易于施工。其次,由于聚合物这种独特的粘结性和填充性,使修补材料与旧混凝土之间的粘结强度提高,本身孔隙及微裂缝减少,且可减小收缩,从而可以提高混凝土的韧性及抗冲击性。降低了新旧混凝土之间由于混凝土的收缩而被拉开的可能。能够实现增强混凝土韧性和提高界面粘结性能的要求。因此本项目组拟定选用聚合物对自密实混凝土进行改性,配制聚合物改性自密实混凝土,以实现对裂缝病害的修补。

五、结论

水泥混凝土路面在使用中,必须对其使用质量进行定期的调查评价,积极研究经济可行的混凝土路面修补方法,有计划地进行修理和改善,以便对早期破坏的混凝土路面实施及时、快速的修补,以保持良好的服务状况。