橋面防水混凝土鋪裝層裂縫產生原因及防治

劉 偉

(哈同高等級公路管理處金家管理所)

橋面鋪裝層破壞而出現坑槽、裂縫、松散等病害是目前高速公路中非常常見的病害。哈同高速公路每年橋面鋪裝層損壞面約占坑槽維修面積的 1/3～1/2,有的橋面幾經修補,但橋面病害仍時有發生。在橋面病害的處理過程中發現橋面鋪裝破損嚴重處其防水混凝土鋪裝層也已破損。橋面病害的產生不僅與瀝青混凝土鋪裝質量、橋面排水有關,很大程度上取決于防水混凝土橋面鋪裝質量。

由于裂縫是引起材料破壞、斷裂的根源。只有在弄清裂縫產生原因的基礎上才能對癥下藥,進行科學設計、科學施工,預防裂縫的產生,從而提高鋪裝層的使用壽命。

1 橋面鋪裝裂縫產生的原因及影響因素

1.1 厚度

防水混凝土設計厚度一般采用8cm。由于梁(板)體的拱度,梁(板)頂面并不是一個理想的平面,致使防水混凝土厚度不均,并且差異很大,變化頻繁。因此,在設計時應考慮滿足規范要求的防水層結構最小厚度;在施工時應嚴格控制預應力梁(板)的存放時間,超出規范要求存放時間的應采取預壓措施,從而保證梁(板)體拱度(預拱度或張拉起拱)的均勻性,減小鋪裝層厚度變異。

1.2 外摻料

(1)粉煤灰。

粉煤灰不僅可以改善混凝土的工作性,還可以利用石灰吸收效應減少混凝土中的氫氧化鈣的含量,從而提高混凝土的耐久性。粉煤灰的內比表面積和燒失量對水泥混凝土的干縮影響很大。一級粉煤灰的內比表面積小,只有硅藻土的1/30,故可降低混凝土的干縮。而且粉煤灰的加入可降低混凝土水化熱。降低混凝土出現拉應力的起始點溫度,減少混凝土降至環境溫度的溫差,防止溫度裂縫的產生。粉煤灰混凝土的摻量一般為水泥用量的15%左右。

(2)鋼纖維。

鋼纖維能有效抑制干縮的發展。在混凝土中加入體積摻量為 1.2%～2.0%的鋼纖維,可以在混凝土中形成亂向分布的三維網狀結構,從而抑制混凝土干縮。實驗表明,在混凝土脆性材料中加入1.5%的冷板切削鋼纖維,其抗折強度可以提高 30%,混凝土的彎曲韌性指數可以提高 22倍,混凝土抗折疲勞性能也可以大幅度提高,能有效防止重復荷載作用產生裂縫。

(3)外加劑。

適當的膨脹劑和引氣劑對于提高混凝土抗干縮和抗折強度有十分明顯的作用,根據有關參考文獻可知當在混凝土中引入 2%～5%的含氣量,抗折強度可提高 10%～15%,抗折彈性模量可略有降低,研究表明,摻加 8%的微膨脹劑,可使混凝土干縮率大幅降低。

1.3 集料

(1)粗集料的最大粒徑。

路面材料的抗折強度是設計和施工控制中的第一力學指標,它對提高混凝土材料的質量是極其重要的。施工中應控制集料粒徑,最大粒徑應不大于 20mm。隨著集料最大粒徑的增大,鋼纖維混凝土的抗折強度逐漸減小。

(2)集料的含量。

集料的含量對混凝土干縮影響的關系為:Sc=SP+(1-a)n,式中Sc和SP分別混凝土及水泥漿的收縮量,a為集料含量,n為與集料彈性性質有關的常數,一般為 1.2～1.7。從中可以看出,混凝土中集料體積含量高,能使混凝土的收縮減少。

(3)集料彈性模量、熱膨脹系數。

集料的彈性模量對混凝土干縮也有影響,集料的彈性模量不同,致使同樣的變形起的應力各異。集料彈性模量高,使混凝土的干縮和徐變受阻。低彈模的干縮和徐變比高彈模泥土的干縮和徐變增加可達 2.5倍。密致的石灰和石英比砂巖和卵石具有較高的彈性模量。集料的熱膨脹系數影響著混凝土的脹縮,石灰石的熱膨脹系數較小,比較適合用橋面鋪裝層。

1.4 層間粘結狀況

根據理論分析可知,結構層間接觸條件對其底部受力情況影響極大,提高層間接觸程度可以顯著提高結構層的疲勞壽命。層間滑動時的最大主拉應力較層間連續時的大 4～5倍。因此在施工中應盡可能采取措施保證各層粘結良好,避免滑動。當車輛對鋪裝層產生沖擊作用時,會在鋪裝層與預制板層間產生剪切應力,一般新舊混凝土層間粘結強度為1.5MPa左右,一旦層間粘結強度小于剪切強度,將破壞預制板與鋪裝層的粘結,由于荷載重復作用在鋪裝層底面而形成裂縫。

1.5 養護

養護對裂縫的產生有重要影響,尤其是對防止早期裂縫產生具有重要意義。混凝土干縮裂縫屬于早期裂縫,它的產生在很大程度上是由于養護不當造成的。其中,溫度與濕度對養護的影響最大。一方面,混凝土干縮隨環境相對濕度的增加而減少,較高的濕度對防止混凝土干縮有利;另一方面,不同環境溫度對應于一個臨界相對濕度。如果養護不良,環境濕度低于相應溫度下的臨界濕度,就會在混凝土表面產生大量的干縮裂縫。因此,夏季施工時,應采取圍堰養護、并派人專門管理的措施,可以在很大程度上避免干縮裂縫的出現。

2 橋面鋪裝裂縫的防治

(1)鋪裝層裂縫產生的原因分為干縮裂縫、溫度裂縫和疲勞裂縫。鋪裝層處于四周及預制板的限制作用下而不能自由收縮,鋪裝層存在溫度梯度,以及鋪裝層的不均勻性是鋪裝層產生裂縫的主要原因。

(2)在設計、施工時應充分考慮梁(板)體拱度(預拱度或張拉起拱),盡可能減小鋪裝層厚度變異,并保證規范要求鋪裝層最小厚度。

(3)摻加一定數量的粉煤灰、鋼纖維、引氣劑和微膨脹劑可有效地改善防水混凝土性能,防止裂縫的產生,提高鋪裝層的使用壽命。

(4)橋面鋪裝層與預制板的粘結影響重復荷載作用下的裂縫產生,粘結越牢,鋪裝層使用壽命越長。

(5)高溫條件下施工,要根據不同的溫度保持一定的濕度,可防止干縮裂縫的出現。