水泥混凝土桥面铺装层开裂控制研究

成壮

（山西路桥第六工程有限公司，山西 晋中 030600）

0 引言

水泥混凝土桥面铺装层产生早期病害的原因较为复杂，铺装层开裂受到材料、环境、荷载等多种影响因素的制约。当桥面铺装层按照无裂缝的标准设计时，桥面结构设计趋于安全保守。车流轮迹位置发生开裂时，铺装层结构内部荷载的传递将止于裂缝位置，这会导致桥面铺装层内部弯矩增大，结构设计也将处于不安全的状态，导致路用性能下降[1]。就实际工程而言，桥面铺装层产生裂缝早期，虽然铺装层结构受裂缝影响有限，预期各项功能下降不太显著，但随着时间推移，受到上部荷载长期作用，铺装层裂缝将持续扩展，还会引发其他各类病害的产生和发展，桥面行车舒适性显著降低，缩短了桥梁使用寿命。

1 工程概况

某高速公路桥梁工程，该桥梁上部结构选用变截面连续梁设计，采用预应力混凝土结构，跨径布置为：35m+60m+35m，设计使用年限为100年。对该项目所处环境进行全面调研、勘察，混凝土设计遵照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）要求[2]，按I类环境设计和施工，其最低混凝土强度等级为C50，变截面箱梁采用C55混凝土施工。该桥梁建设地位于主城区、县级市交通要道，对于当地经济发展、文化交流、城市建设有着显著意义。

桥面铺装层采用12cm厚C55防水水泥混凝土，并且采取适当排水、防水措施以提高桥面铺装层结构耐久性。在桥面板结构层之上，水泥混凝土正式铺装前布置一道防水层。在桥面整平、浇筑后，整平层之上出现大量沿横向贯穿的裂缝，如图1所示。

图1 整平层开裂

2 裂缝调查与检测

水泥混凝土铺装层开裂通常是受多种因素的影响。为了获得较为客观、准确的裂缝调查结果，技术人员通过建立完善的裂缝评价体系，对铺装层出现的各类裂缝做出准确的研判[3]。具体而言，裂缝的调查与检测主要包括：裂缝类型及性质、裂缝成因、裂缝危害程度等。

2.1 裂缝调查

在前期裂缝调查环节，需建立详尽的调查计划，并严格遵照计划开展工作。在裂缝成因未得到科学研判前，应尽可能获取桥梁工程建设相关的各类信息。调查环节需要充分考虑当地环境、水文地质条件等外界因素，上述条件和因素通过裂缝检测无法获得，需专门进行调查；其次，调查的重点应以裂缝产生的影响因素为中心展开，有针对性地收集相关信息，厘清不同信息之间的主次关系，避免调查的盲目性。考虑到该桥梁仍处于施工、养护阶段，因此本研究裂缝的调查工作主要以设计、施工及材料三方面内容为重点，需要调查的具体内容主要包括以下几个方面：

（1）调查水泥混凝土桥梁铺装层设计方案中桥面整平层施工相关参数的设置，如结构层厚度、混凝土用量、配筋量及保护层厚度等。

（2）调查水泥混凝土桥面铺装层的混凝土配比、外加剂类型及用量、强度等级、工作性等。

（3）调查水泥混凝土桥面铺装施工资料，主要包括施工方案、施工日志等。施工日志调查内容主要包括混凝土初凝时间、浇筑时长、环境温度、养护技术及拌和物运输方式等。

2.2 裂缝检测

按照视觉上的差别，可将裂缝分为可见裂缝及间接可见裂缝两类；按照开展宽度，可将裂缝分为三类裂缝，如表1所示。可见裂缝在良好的光照条件下，若其具有较好的表面平整度，则可通过肉眼辨别，其宽度一般大于0.1mm；若裂缝宽度小于0.05mm，通常借助肉眼很难辨别出来，可用水浸润后辨别表面的痕迹来判断；而宽度在0.05～0.1mm的裂缝，虽然其仍属于可见裂缝的范畴，但一般需要观察者贴近铺装层结构外表面或借助放大镜进行辨别，如图2所示。

图2 裂缝宽度检测示意

对该桥梁箱梁结构整体进行全面勘察、辨别后，仅在整平层位置发现部分可见裂缝分布，而在其他位置未发现可见裂缝，由此可以初步判定整平层裂缝产生受到施工、材料两个因素的影响。

3 裂缝类型

对该桥面铺装层全面勘察检测后，基本掌握了裂缝的分布及数量，同时也可大致了解裂缝的类型。已有研究表明[4]，桥梁裂缝的产生主要是由于非荷载因素导致的，其占比近80%，而由荷载导致的开裂仅为20%左右，其各自特点如表2所示。

表2 不同裂缝的主要特点

该桥桥面铺装层在裂缝调查期间仍处于施工阶段，因此铺装层中出现的裂缝基本可判定为非荷载因素导致，其产生的主要原因在于混凝土材料收缩。已有研究表明[5]，非荷载因素引发的裂缝宽度也可能较大，且大多表现为贯穿性开裂。此外，这一现象在水灰比低、强度等级高的混凝土结构中更为突出，收缩效应更加显著。非荷载因素引起的裂缝主要对结构耐久性产生影响，对其安全性的影响比较有限。

4 裂缝成因分析

对该桥面铺装层裂缝开展全面调查、检测后，确定该桥面铺装层实际施工情况与设计方案相符，且整平层材料的力学性能满足设计和施工要求。整平层裂缝主要呈现为图3所示形态，且大多集中于桥面板的中部地带，沿横桥向分布。相邻裂缝的间距约为3m，裂缝最大宽度约为1mm。

图3 整平层裂缝分布示意

针对该桥面铺装层存在的裂缝进行综合分析，其成因可归纳如下。

整平层裂缝的类型主要为非荷载裂缝，综合考虑裂缝分布及形态，在整平层浇筑初期，水泥由于水化作用释放较多热量，热量逐步向外扩散。在浇筑施工后的2～3d内，结构内外温差达到峰值。同时，该桥整平层混凝土浇筑在9月末实施，此时环境温度处于较高水平且昼夜温差较大，最大温差可达10℃。这会导致结构内外温差进一步加大，负温度梯度显著，混凝土内出现压应力、外表面出现拉应力。若这一应力水平超过材料极限强度，则结构将发生开裂。其次，整平层为薄壁结构，受到材料干缩、化学收缩的影响后，结构表面的应力水平将进一步提升。若外部约束欠缺，则结构将会发生自由变形，铺装层结构不会出现开裂。但在实际工程中，混凝土浇筑不可避免地会存在时间差，且附加有外部约束，这就导致整平层内部产生裂缝。

总体而言，对于该桥面整平层开裂现象的成因分析如下：混凝土浇筑早期由于水化反应引起结构发生化学收缩、温度收缩。桥面铺装层所用混凝土水胶比较低，在水化反应早期放较多热量，且伴随出现不可忽视的收缩。铺装层表面面积较大、散热效率高，因此水化反应产生的热量释放出来后主要集中在内层，这就导致铺装层中产生较大的内外温度差。温度收缩、化学收缩都会显著提升下承层的约束作用，进一步加大桥面铺装层的变形量，促使混凝土收缩应力提升。当化学收缩、温度收缩的叠加效应大于材料极限强度时，铺装层即发生开裂，裂缝的间距约为3～4m，且呈现出自上而下扩展的趋势，这与温度裂缝的特征较为相似。横向贯通裂缝的形态与收缩裂缝较为接近，其裂缝产生、发展较早，且干缩裂缝占比较小，因此可以判定该裂缝产生原因主要以化学收缩为主。干缩导致的裂缝大多比较平直，且间距分布规律，大多为6m，但在该桥面铺装层中裂缝分布较为密集。因此，最终可判定该桥面铺装层裂缝为温度收缩、化学收缩叠加作用下产生的裂缝。

5 裂缝的影响程度

混凝土开裂是桥梁建设中不可避免的病害类型，根据裂缝产生的后果和影响程度的不同，裂缝可大致划分4个等级，如表3所示。

表3 基于影响程度的裂缝等级分类

根据上述裂缝调查情况分析可知，该桥面铺装层主要存在一般裂缝、严重裂缝，对该桥路用性能有显著的不利影响，且降低了水泥混凝土桥面铺装层结构的耐久性，有产生反射裂缝的风险。基于我国现行规范要求，不满足验收的基本条件，需进行深度修复，确保桥面铺装层结构的安全性、耐久性达到设计和施工要求。

6 裂缝处理

在初步确定水泥混凝土桥面铺装层裂缝成因后，结合裂缝影响程度的分析，建议采用以下处治措施：

（1）在混凝土浇筑工序结束后，及时覆盖铺装层，以免外表面散热过快导致内外温差增大加快裂缝的发展。此外，也可通过洒水的方式进行养护，保证水化放热过程能够快速结束，并减少由于干缩导致的开裂问题。

（2）在混凝土养护至预期强度后，仍应按照原有条件继续养护一段时间。对于部分严重的裂缝，还可通过压力灌浆的方式进行处理。

（3）释放结构内的应力差，在新的变形差产生前完成铺装层施工，以免下承层中裂缝进一步扩展和延伸。

采取上述措施对水泥混凝土桥面铺装层进行处理后，需多次检测裂缝状态，直至通车运营未检测到反射裂缝，即表示裂缝的处理效果较好。

7 结语

本文以我国某桥梁水泥混凝土桥面铺装层工程实例为基础展开分析，研究结果表明：高强度等级混凝土在水化早期放出大量热，导致铺装层内外产生较大温差，促使早期温度裂缝的产生与扩展。因此，在防治措施中可采取覆盖、洒水等方式来缓解内外温差的增大，从而避免早期裂缝的产生。