高寒地区水泥混凝土路面开裂原因及预防措施
2021-07-15黄勇肖寒
黄 勇 肖 寒
(中交一公局西南工程有限公司，四川 成都 610000)
水泥混凝土路面早期病害的预防对西藏地区道路建设工作具有较大的影响，又具有较大的意义。通过试验分析等技术手段，解决病害的早期发生，既能降低养护成本，同时也能够作为今后西藏地区施工的经验总结，避免影响工程实体质量。同时，通过优化水泥混凝土配合比，加强控制原材料质量，完善施工方案等措施，进而达到降低水泥混凝土路面病害的早期发生。确保交工验收前无裂缝产生，缺陷责任期内路面裂缝、断板、接缝产生错台等现象不得超过受检面积0.04%的目的。
通过“高寒地区水泥混凝土路面防开裂原因及预防措施”项目研究，理论结合实践，建立一套完整高原环境施工水泥混凝土路面的施工技术，积累设计修正和施工的经验，为西藏地区类似水泥混凝土路面工程提供技术参考和支持。
通过“高寒地区水泥混凝土路面防开裂原因及预防措施”项目研究，提供完整的、具有指导性意义的施工工艺，达到提高水泥混凝土路面有效使用寿命的目标，避免质保期内的路面维护。
内容一：不同水胶比对水泥混凝土路面裂缝的影响
在满足设计弯拉强度下，通过使用不同水胶比的混凝土进行路面施工，在同一龄期进行对比观察水泥混凝土路面产生的裂缝情况。
内容二：骨料级配对水泥混凝土路面的影响
通过改良骨料级配，研究骨料级配对水泥混凝土路面开裂的影响，目前骨料常用掺配方式为二级掺配和三级掺配，通过使用不同掺配方式的混凝土，在同样的施工环境下进行路面施工，在同一龄期对比路面开裂情况。
内容三：地材质量对于水泥混凝土路面开裂的影响
西藏地区气候恶劣，生态环境较脆弱，国家对环境保护极为重视，施工所用地材为线路周边就地取材，地材选用的局限性较大，通过使用不同地材，对比分析路面开裂情况。
内容四：开放交通的时间对于水泥混凝土路面开裂的影响
西藏地区为少数民族居住区，民族团结和社会稳定是国家政策的重中之重，所以当地政府要求施工道路必须保通，以保障藏族同胞们的正常通行。在路面不同龄期的情况下开放交通，在相同交通荷载作用下，对比水泥混凝土路面的开裂情况。
内容五：横向缩缝不同切缝时期对水泥混凝土路面裂缝的影响
通过对同一天施工的水泥混凝土路面分别按2d龄期、4d龄期进行横向缩缝施工，来观察路面产生的裂缝情况进行对比。
1 不同水胶比对水泥混凝土路面裂缝的影响
1.1 原材料选定
水泥：P.O42.5高争水泥；
集料：采用5mm～10mm、10mm～16mm、16mm～31.5mm的不同粒级的粗集料；
细集料采用Ⅱ区中砂；
外加剂：HY-A1聚羧酸高性能减水剂；
水：井水。
1.2 不同水胶比对应的混凝土配合比
(1)：水胶比：0.40，水泥：412(kg)，细集料：580(kg)，粗集料：1232(kg)，水：165(kg)，外加剂：4.12(kg)；
(2)：水胶比：0.42，水泥：392(kg)，细集料：595(kg)，粗集料：1265(kg)，水：165(kg)，外加剂：3.92(kg)；
(3)：水胶比：0.44，水泥：375(kg)，细集料：607(kg)，粗集料：1291(kg)，水：165(kg)，外加剂：3.75(kg)。
1.3 试验结果
连续3d分别采用序号(1)，(2)，(3)所对应的混凝土配合比进行混凝土路面施工，在施工现场标记出相对应的段落，分别为1#，2#，3#。在现场混凝土路面达到28d龄期后，分别对1#，2#，3#施工段落进行对比，经对比3#施工段落即水胶比0.44未发现裂缝，2#施工段落发现一条长度30cm干缩裂纹，1#施工段落内发现一条贯通缝，两条长度分别为25cm和42cm干缩裂缝。
1.4 原因分析
采用水灰比合适的水泥混凝土配合比，可降低混凝土的水化热，尤其西藏寒冷地区，合适的水灰比可缩小水泥混凝土内部和外部的温差，从而减小温度应力，可有效防止混凝土板的开裂。
2 骨料级配对水泥混凝土路面的影响
2.1 原材料选定
水泥：P.O42.5高争水泥；
集料：采用5mm～10mm，10mm～16mm，16mm～31.5mm和5mm～16mm，16mm～31.5mm的两种不同粒级的粗集料；
细集料采用Ⅱ区中砂；
外加剂：采用HY-A1聚羧酸高性能减水剂；
水：使用井水。
2.2 两种碎石筛分级配
图1 采用5mm～10mm，10mm～16mm和16mm～31.5mm三种碎石的合成级配
图2 采用5mm～16mm，16mm～31.5mm二种碎石的合成级配
2.3 试验结果
在使用同一配合比的情况下(水泥：392kg，砂：595kg，碎石：1265kg，水：165kg)，采用两种单级配碎石组成的合成级配进行试验，检测混凝土性能。采用5mm～10mm，10mm～16mm，16mm～31.5mm组成的碎石合成级配拌制混凝土坍落度190mm，和易性良好，流动性良好，28d抗压强度43.6MPa；而采用5mm～16mm，16mm～31.5mm组成的碎石合成级配拌制混凝土坍落度170mm，和易性一般，流动性差，28d抗压强度40.2MPa；
由试验得出，5mm～10mm，10mm～16mm，16mm～31.5mm组成的碎石合成级配优于5mm～16mm，16mm～31.5mm组成的碎石合成级配，配制的混凝土各项性能也更加优异，更有利于防止水泥混凝土路面早期裂缝的产生。
2.4 原因分析
级配不良时，碎石颗粒的空隙增加，总表面积增加，导致混凝土不密实，混凝土凝结后内部毛细空隙较多，导致混凝土强度和耐久性降低，在荷载和外界环境作用下混凝土极易开裂。
3 不同地材质量对水泥混凝土路面的影响
施工用碎石和砂子的母岩为线路周边就地取材，母岩中含有一定的风化软弱岩石，无法剔除，碎石和砂子质量不稳定。通过不同地材的使用，对比分析对水泥混凝土路面开裂的影响，进而确定碎石和砂子的质量控制指标，保证工程实体质量。
通过使用图3，4四两种碎石生产混凝土进行试验对比，发现图四碎石所拌制的混凝土坍落度偏小，流动性较差，早期强度和耐久性偏低，在西藏这种温差较大的地区，极易受到冻害，在荷载作用下出现路面开裂。
图3 优质碎石
图4 就地取材生产的碎石
4 横向缩缝的不同切缝时期对水泥混凝土路面的影响
西藏属于高海拔地区，光照充足昼夜温差大，并且常年大风。水泥混凝土凝结硬化过程中，水泥由于水化作用要释放大量热量，加上白天气温较高，导致混凝土温度升高；夜晚温度骤降，大部分水泥水化反应结束，混凝土温度开始急速下降。在降温过程，混凝土已经凝结硬化，降温产生的收缩会导致混凝土开裂，并且裂缝方向比较随机，严重影响路面质量和使用寿命。切缝时机的把握十分重要，合理的横向缩缝切割时机，可有效诱导及控制路面收缩裂缝的部位和方向，避免水泥混凝土路面裂缝及断板的发生(图5，6)。
图5 2d龄期切缝
分别在水泥混凝土路面施工后2d和4d进行横向缩缝切割，经观察，2d时对路面进行缩缝切割，未发现裂缝，4d时切割缩缝路面已出现裂缝。经试验表明，2d进行缩缝切割可有效避免路面裂缝及断板的发生。
5 不同交通开放时间对水泥混凝土路面的影响
西藏地区生态环境非常脆弱，一经破坏很难恢复原状。为保护生态，在西藏地区开展道路施工，尽量避免开辟施工便道。设计及规范规定当水泥混凝土路面强度完全达到设计要求后方可开放交通，但是为了保障道路通畅需要及时开放施工道路，这为路面施工带来极大挑战。在保障工程质量的前提下开放交通，避免路面损坏及产生裂缝，通过试验来确定开放交通的时间极为重要。
图6 4d龄期切缝
分别在水泥混凝土路面7d龄期、10d龄期和14d龄期进行强度试验，经检测7d龄期的弯拉强度为2.3MPa，10d龄期弯拉强度为4.1MPa，14d龄期弯拉强度为4.7MPa。分别在以上三个龄期内开放交通，通过现场验证发现14d龄期开放交通，未发现路面出现裂缝等损坏。
通过试验和实践，确定出了对水泥混凝土路面产生最小危害的开放交通时机，在保证工程质量的前提下保障了道路通畅，得到了当地群众的理解和赞扬。
6 预防措施
通过“高寒地区水泥混凝土路面防开裂原因及预防措施”研究，验证了对水泥混凝土路面造成裂缝、断板及其他病害的因素。针对水泥混凝土路面产生裂缝的原因，在施工过程中采取以下措施：
(1)注重混凝土配合比优化工作，严格按照最佳水胶比进行混凝土生产。
(2)严格控制地材质量，优先选取优质母材进行碎石加工，保证碎石各项技术指标符合设计及规范要求。
(3)加大资金投入，对碎石及砂子生产设备安装水洗装置，保证原材料质量。
(4)贴合施工现场实际情况，优化施工方案，严格控制水泥混凝土路面横向缩缝的切缝时间。
(5)根据高寒地区水泥混凝土路面防开裂原因的研究，制定合理的道路保通方案，在确保水凝混凝土路面质量的前提下，保证道路畅通。
(6)提高标准化施工水平，严格杜绝水泥混凝土路面表面出现细小的裂缝,路面板出现裂缝、断板,接缝产生错台等病害的发生，节约养护成本，保障行车的安全。
7 结 语
通过“高寒地区水泥混凝土路面防开裂原因及预防措施”研究，优化了水泥混凝土配合比，完善了施工方案，总结出一套切实可行的高寒地区水泥混凝土路面施工经验，建立了一套完整高原环境施工水泥混凝土路面的施工技术，达到了提高水泥混凝土路面有效使用寿命的目标。预期达到提高水泥混凝土路面有效使用寿命的目标，避免质保期内的路面养护。
