基于水泥混凝土路面温度场理论的早龄期水泥路面裂缝控制

周恒宇（广州市交通工程质量监督站）



基于水泥混凝土路面温度场理论的早龄期水泥路面裂缝控制

周恒宇（广州市交通工程质量监督站）

混凝土路面的修筑，极大促进了交通运输的发展，满足了社会发展的需求。但是，水泥混凝土路面施工时会出现受到气候条件、环境影响等因素的影响出现裂缝的情况，这极大地影响了路面的交通能力。本文将将结合工作经验，分析温度导致的水泥混凝土路面裂缝的发生机理及其处理方式，总结温度控制和裂缝预防的措施，更好地为道路建设服务。

公路工程；水泥混凝土；路面裂缝；温度场

1　温度对水泥混凝土路面裂缝的影响

水泥混凝土路面施工中，路面的裂缝问题相当普遍，而早龄期水泥混凝土产生裂缝的相当大一部分原因是混凝土的温度变化而引起的温度裂缝。温度裂缝是指由于混凝土体存在温度差，再加上水泥混凝土的热胀冷缩特性导致结构各处变形不协调而产生的裂缝。

在混凝土的凝结过程中，混凝土内部温度比较平缓，而混凝土路面和路面边沿与外界接触面积较大，路表面温度主要由外部温度决定。混凝土路面表面在白天接受日晒温度升高到了晚上温度会降低。昼夜的温差很大，产生温度的变化会使混凝土路面产生收缩和膨胀，加之混凝土初期强度偏低很容易产生裂缝。总体来说，由于温度应力产生裂缝的原因主要有以下几点：

（1）混凝土硬化期间水泥放出大量水化热，内部温度不断上升，在表面引起拉应力。后期在降温过程中，也会在混凝土内部出现拉应力。

（2）气温的降低也会在混凝土的表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超过混凝土的承受荷载的时候就会出现裂缝。

（3）许的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。如养护不到位、时干时湿、表面干缩形变受到内部混凝土的约束，也往往导致裂缝。

（4）由于原材料不均匀、水灰比不稳定，以及运输和浇筑过程中的的离析现象，在同一块混凝土中其抗拉强度又是不均匀的，存在着许多抗拉能力很低，易于出现裂缝的薄弱部位。

通过以上分析可知，要想进一步研究路面温度裂缝的产生与发展，其根本在于准确了解水泥混凝土内部及其所处环境热量的产生、释放与传导的规律，从热量角度揭示水泥混凝土路面的裂缝的发生与开展，并指导实际设计与施工，减少因温度因素导致的裂缝产生。

2　水泥混凝土路面早龄期温度场研究

水泥混凝土路面直接暴露在大气之中，一年四季大气温度和太阳辐射周期性的变化以及每一天白昼黑夜气温的变化，使得路面结构产生不稳定的热传导，同时其内部早期在各种复杂水化反应中热量的产生、释放和传导都具有不均匀性，所以路面结构内部温度场的分布状况也不是均匀和不稳定的，无论是在空间上还是时间上都是一个复杂的变化过程，这些作用的结果直接体现为路面温度场的复杂分布。

路面早龄期温度场受到水化作用和环境条件的相互耦合作用，存在一个发展演变的过程，早龄期温度场随环境变化呈周期性波动，但由于水化热的作用，水泥混凝土路面前24h或前36h温度场显著高于后期。现场条件下混凝土水化期间，混凝土温度发展是胶结材料水化热释放和结构与周围环境的热交换平衡的体现，具体表现为受以下三个方面的影响：

2.1混凝土水化热

水泥混凝土水化各因素之间的相互作用非常复杂，水泥组分、水泥细度、水泥用量、水灰比、矿物掺合料和化学外加剂的存在以及水化初始温度均影响着水化热。

2.2环境影响

水泥混凝土外部环境条件昼夜循环波动，诸如气温、风速、相对湿度、太阳辐射、云量等参数值不断变化，水泥的水化反应受其所处环境状态影响强烈。

2.3热交换

现场混凝土铺筑好后，热量就会从混凝土传入环境或从环境传入混凝土，热传递也对水泥混凝土内部与表面温度有着较大影响。

福州大学胡昌斌教授等人通过选择福建省不同地区、结构和季节，进行了早龄期温度场现场监测试验研究，研究选取确定水泥水化放热、环境变化、热交换这3个方面的模型和参数，采用有限差分法编制了水泥混凝土路面早龄期温度场数值模拟程序，并通过现场足尺路面板早龄期与长期温度场监测试验，室内小板试验调试验证了模型和程序。

为保证数值模拟的准确性和适用性，研究选择我国学者建立的环境气象参数模型，材料参数取值考虑国内材料特性，通过选择环境参数与热交换模型、水泥水化放热模型等综合考虑气温、对流换热、辐射、混凝土表面水分蒸发吸热、水化放热等多个因素在内各参数，编制出温度场显式差分方程，它受到空气的对流换热、太阳辐射、水分蒸发和节点内部热源的影响。对流边界节点即混凝土路面板顶部节点热平衡方程为：

式中：Fo为内热源强度；λ为热导率；△τ为时间间隔；i、j为节点编号；△x为相邻节点间距。

胡昌斌教授等人通过上述数值仿真模型拟合与现场铺筑路面的早龄期温度对比验证结果发现，路面板各深度的早龄期温度的拟合准确度都较好，水泥混凝土路面早龄期温度场的温度预估程序准确性总体较好，通过参数敏感性分析可以发现：除路面材料结构参数、水泥组分、水泥用量、水灰比、面板厚度外，对混凝土早龄期温度场有显著影响的还有铺筑时间、环境温度、太阳辐射强度、风速、养护方式、混凝土摊铺温度，以及受混凝土龄期显著影响的路面辐射吸收率、面板导热系数等因素。

3　防止水泥混凝土路面早期温度裂缝的措施

通过以上分析可知，为了防止混凝土的温度裂缝，减轻温度应力的不利影响，从温度控制的角度，可从以下几方面措施控制水泥混凝土路面裂缝的发生：

（1）掌握好浇筑时间段，避免极端天气作业。环境条件对水泥混凝土路面早龄期温度有非常显著的影响，不同时间段施工的路面混凝土的生长环境有很大不同，因此，选择时间段可以显著调节路面板施工浇筑期间温度。

炎热夏季施工路面，混凝土的浇筑可选择在早上或是傍晚施工，并且在浇筑混凝土减少浇筑混凝土的厚度，充分利用浇筑层面散热；砂石料应设遮阳篷，宜采用地下水拌合混凝土，以降低混凝土温度；掌握合理的拆模时间，气温骤降时采取表面保温措施，气温升高时采取内部降温措施，以免混凝土表面发生剧烈的温度梯度而产生裂缝；应尽量避免早晨施工时段导致的混凝土水化热与中午天气出现的叠加升温效应。

寒冷冬季施工路面，应依靠水泥水化来增强混凝土的强度，适当提高拌合水温，迅速完成水化作用，加快混凝土的强度增长；施工过程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；使用挡风板降低风速，降低温差，减缓水分蒸发速度，避免裂缝的发生。

（2）加强水泥路面施工后的养护。养护可以显著调节路面板温度，不同养护方式下路面温度的高低次序为养生剂或薄膜养护、无养护、黑色土工布洒水养护、白色土工布洒水养护；水泥混凝土终凝后即覆盖洒水养护，防止水分丧失过快，产生干缩裂缝；养护时间由水泥混凝土强度增加情况而定，不得少于7d；高温夏季施工，洒水养护对路面早龄期温度场来说是有利的，低温冬季施工，覆盖薄膜或养生剂养护对路面早龄期保温性有利。

（3）优化水泥混凝土路面选用材料。材料参数对路面早龄期温度影响显著性稍弱，但仍有一定的调节作用。对于夏季施工路面应选择低水化热的水泥，而冬季施工路面可选择高水化热的水泥；在不影响力学性能的前提下，夏季铺筑路面的颜色尽量控制为灰白色，而冬季路面可为深灰色；夏季路面应选用低水泥用量、低水灰比的混凝土，冬季与之相反；采用改善骨料级配，用于硬性商品混凝土掺混合料加引气剂或塑化剂等措施以减少商品混凝土中的水泥用量。

4　工程实例

项目名称：国道G106线从化学田至西瓜地段路面改造（K2404+446～K2415+235）。本项目起点位于广州市与清远市交界处，终点位于西瓜地，起点桩号为K2404+446，终点桩号为K2415+235，路线全长10.789km。国道G106线K2404+ 446～K2414+300段为本项目其中一段，等级为公路一级，设计时速为60km/h，路面宽度29.5m，为双向六车道。全线路面破损较为严重，对行车安全性及舒适性影响较大。本项目主要工程量为对旧路面进行病害整治、更换破碎板、修复旧路沥青混凝土路面、加铺沥青混凝土面层等（其中水泥混凝土路面破板修复2.974km）。

本项目K2411+605～K2411+655右幅第二车道为水泥混凝土路面补板破除重建施工，于2015年6月7日～6月8日开始浇筑水泥混凝土路面施工，期间通过洒水与覆盖土工布或草帘保湿养护，施工期间本项目所在区域午后最高气温可超过35℃。现场监督抽查发现，此里程路段水泥路面施工终凝后出现多道明显的路面裂缝，最长一道约60cm，宽度约0.5～1mm，如图1所示。通过现场观察、凿除表面混凝土，并采用路面抽芯验证，结果证明均为水泥混凝土干缩导致的表面裂纹，其深度分布约0.5～2mm之间。

图1　

后期施工过程中通过调整混凝土浇筑施工时段，错开施工水化放热与气温升高同步、加大路面洒水养护频率、加强施工控制水泥表面浮浆厚度等措施，有效地减少了混凝土表面干缩裂纹的发生率，较大提升了水泥混凝土路面的施工质量。

5　结语

综上所述，混凝土的温度裂缝问题可通过研究水泥混凝土路面早龄期温度场分布，采用现场实测与数值拟合分析的手段验证，进一步分析研究其受外部条件和材料参数影响，如气温、太阳辐射、水泥水化热、铺筑时间、养护方式等，指导施工工艺改善，混凝土材料选择，路面板厚度设计，混凝土摊铺温度控制等，减少当前水泥混凝土施工中因温度因素而引起的裂缝。

［1］胡昌斌，金王杰，孙增华.水泥混凝土路面早龄期温度场数值模拟研究［J］.工程力学，2013，30（4）：175～183.

［2］王新杰.浅谈建筑施工中混凝土裂缝控制［J］.中国建筑金属结构，2013（2）：123.

［3］净卫星.桥梁工程施工中混凝土裂缝控制探究［J］.城市建设理论研究（电子版），2015（20）：7095.

［4］李 伟.水泥混凝土路面裂缝的原因及维修措施［J］.技术研发，2011 （10）：72～73.

周恒宇（1984-），男，中级工程师，硕士研究生，主要从事公路工程质量监督管理工作。

U416.216

A

2095-2066（2016）14-0186-02

2016-3-20