水泥混凝土路面裂缝分析及处置

水泥混凝土路面裂缝分析及处置1．裂缝产生原因分析水泥砼板面的裂缝，可分为表面裂缝和贯穿板全厚度的裂缝（简称为贯穿裂缝）。1．1.表面裂缝水泥砼板面的表面裂缝主要是由砼混合料的早期过快失水和碳化收缩引起的，具体如下：①由于构成混合料的各种固体的颗粒大小，密度不同，混合料不可避免发生分层离析，再者由于配合比不当，操作不当，砼的颗粒不均匀，离析就会加大，即重颗粒下沉，水分向上迁移，从而形成表面泌水，结果就会使水泥砼表面含水量增加，当混合料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混合料表面之内，水面形成凹面。由于凹面较凸面所受压力大，同时颗粒间产生毛细管张力，促使颗粒凝聚。当水泥砼表面尚未充分硬化，不能抵抗这一表面张力时，砼表面则发生裂缝。这种塑性裂缝的产生时间，大致与泌水消失时间相对应，在砼浇筑之后数小时，砼表面将普遍出现细微的龟裂。②砼碳化收缩也会引起其表面龟裂。当砼的水泥用量低，水灰比较大时，空中的CO2易渗透到水泥砼内，与其中的碱性物质起化学反应，生成碳酸盐和水。水泥砼的碳化反应在空气相对湿度为30%－50%时最为激烈。碳化引起的收缩仅限于水泥砼路面表面，只产生混凝土的表面裂缝，碳化收缩的速度较失水速度慢，因而带来危害并不大，但都会给水泥砼路面的耐磨性，表面抗滑性及行车舒适性带来不利影响。1．2．贯穿裂缝水泥砼路面贯穿裂缝为贯穿板全厚度的横向裂缝，纵向裂缝，交叉裂缝，板角断裂等。1．2．1．横向裂缝垂直于行车方向的有规则裂缝称为横向裂缝，导致水泥砼路面出现横向裂缝的原因较多，大致可以归纳如下几方面：（1）干缩裂缝在水泥砼中，水在水泥石中以化学结合水，层间水，物理的吸附水，还有毛细管水等状态存在着。当这些水在砼硬化过程中失去时，水泥浆体就会产生收缩，这就是干缩，当收缩受到条件限制时，产生收缩应力，这就会引起干燥收缩裂缝。水泥浆体干缩的限制主要是砼骨料对水泥浆的限制。在普通水泥砼中，水泥浆的收缩率被限制了90%，所以砼内部经常存着引起干缩裂缝的应力状态。干缩裂缝引发的路面横向裂缝，往往是在砼水化硬化的早期。有资料表明，水泥砼20年收缩量的14%～34%发生在水泥砼的14d龄期内，40%～80%发生在3个月龄期内。（2）冷缩裂缝和一般材料一样，水泥砼具有热胀冷缩性能。砼板块的冷缩却是在相邻部或整体性限制条件下发生的，热胀属于变形压缩，而冷却则属于拉伸变形，这样就容易引起开裂。水泥砼在硬化过程中是一个放热反应，板块温度上升。在通常温度范围内，砼上升1℃，每米膨胀0.01mm，这种变形，对大面积板块极为不利。水泥水化过程中放热速度是变化的，初始较慢，25min后增湿，大约在水泥终凝后12h的水化热温度可达80℃～90℃，使内部砼产生显著的体积膨胀，而板面温度随着晚上气温降低，湿水养护而冷却收缩，致使砼路面内部膨胀，外部收缩，产生很大的拉应力，当外部砼所受拉应力一旦超过砼当时的极限抗拉强度时，板块就会产生裂缝或横向断裂。此外，从表中可得到，由于放热过程中放热率变化，水泥砼温度将产生变化，当混凝土从最高温度降温时，由于受到已有基层或已有硬化混凝土的约束力，在温度下降时，就不能自由收缩，就会产生裂缝。（3）切缝不及时为防止水泥砼路面的干缩裂缝和冷缩裂缝，人们采用切缝将路面分块。我国现行的水泥砼路面设计规范规定，路面板长不大于6m，板块宽不大于5m。但由于施工中切缝的时间难以控制得当,造成砼路面出现横向裂缝。从砼收缩因素考虑，最后是水泥砼中水泥水化初阶段切缝，但因砼抗压强度不足，根本无法切缝。一般砼抗拉强度仅为抗压强度的1/8～1/7，即约为4.3Mpa～5.0Mpa。可见，气温下降30℃的温度就历程将超过砼的抗拉强度，板块的横向断裂就难以避免。但对于己切缝的砼板，除第一天的应力有可能大于该龄期的抗折强外，其余温度应力均小于相应龄期的要求。所以切缝不及时，就会导致水泥砼路面横向裂缝产生。1．2．2．纵向裂缝顺向方向出现的裂缝称为纵向裂缝。水泥砼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0.05Mpa，但路基的支承条件却是很重要的。由于填料土质不均匀，温度不均匀，膨胀土、冻胀，压实不足等多种原因，都会直接导致路基支承不均匀，在砼浇筑之前未严格检查基底弹性模量Et是否符合规范要求，而盲目施工，在路基稍有沉陷的情况下，在板自重和行车压力作用下而产生纵向断裂。刚开始时缝很细，一般小于0.05mm，但随着雨水侵入和浸泡基层，使其表层软化，液化而产生唧泥、淘空，使裂缝加大。拓宽路基时，由于路基处理不当，新路基出现沉降，砼板下沿纵向出现脱空。在车辆荷载作用下，使砼板发生纵向断裂。1．2．3．交叉裂缝两条或两条以上相互交错的裂缝称为交叉裂缝。产生交叉裂缝的主要原因：①水泥砼强度不足，在轮载和温度作用下会出现交叉裂缝。②路基和基层的强度与水稳性差，一但受到水的侵入，将会发生不均匀沉陷，在车辆荷载（特别是重载）作用下，砼板块出现交叉裂缝。③水泥的水化反应和碱骨料反应。水泥水化反应在砼发生升温和降温过程中产生体积的胀缩变形，在内部骨料及外部边界约束下使砼的自由胀缩变形受阻，而产生拉压应力。同样在水泥的生产过程中，有时也会出现一些过烧的CaO和mgO它们的水化速度较慢，往往在水泥硬化后再水化，引起水泥浆体体积膨胀，开裂甚至溃散。同时由于水泥在生产过程中烧成温度不好控制，水泥的安定性不良，浇筑之后的砼路面就会产生大面积龟裂。1．2．4．板角裂缝与砼板角两边接缝相连的贯穿板厚的裂缝称为板角断裂。板角是砼路面板的薄弱部位，由于侧模的模壁效应，施工时插入式振捣器很难保证砼完全密实，板角密实度不够强度相对较小，而在受力上板角较为不利。相邻板角之间无传力杆，传荷能力较差。在车轮荷载作用下荷载应力较集中，除在砼路面的起始点主要有角隅及边缘钢筋外，其它部位均未设加强筋，而且一旦砼路面板接缝进水，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就很容易出现板角断裂。2裂缝修补2．1．裂缝修补材料的选择原则理想的裂缝修补材料必须满足以下性能要求：①粘结强度高；②防水抗渗性好；③在自然温度范围内具有较好的稳定性；④优良的抗嵌入性；⑤优良的耐久性；⑥使用方便、施工快捷；⑦对环境无污染；⑧与基质混凝土具有较好的相容性。2．2．修补材料和基质砼的相容性修补材料是否成功有效，取决于基础砼和旧砼是否有较好的相容性。其相容性表现在以下几方面：收缩应变、蠕变系数、热膨胀系数、弹性模量、泊松比、抗张强度、疲劳性能、粘结力、孔隙率和电阻率、化学活性等。修补材料必须是一种低收缩材料，否则将在修补层出现张应力。修补材料的蠕变特性则应根据具体使用环境而定，使修补材料和基质混凝土结合良好，所受应力在最低范围内；修补材料的热膨胀系数及弹性模量，泊松比等与基质砼应尽可能地保持一致，在温差变化及应力作用下，材料界面不至于出现应力集中，保证界面的良好结合；修补材料的抗张拉强度必须优于基质砼；修补材料必须具备优良的疲劳性能和较强的粘结力，从而保证修补材料的耐久性，在配筋路面，修补材料必须和基质材料具备相似的孔隙率和电阻率，如果修补材料的孔隙率及电阻率差异较大，则会导致修补区域和基质砼区域的溶液电位差增加，在特定区域钢筋电化学，腐蚀加剧，导致修补失效，修补材料必须具备优良的化学稳定性，较低的化学活性，优良的护筋性及与水泥砼中的骨料不发生碱集料反应等特点。2．3．水泥砼裂缝修补材料裂缝修补材料根据其功能可分为高模量补强材料和低模量密封材料。前者固化后具有较高的强度和刚度，后者则具有较大的柔性。当水泥砼路面由于裂缝造成强度不足时，宜选用高模量补强材料。因为修补材料太低，将降低应力传递效果，起不到补强材料。因为修补材料太低，将降低应力传递的效果，起不到补强作用。当水泥砼路面仅出现贯穿裂缝，而板面强度仍能满足通车时，为防止雨水和空气的侵蚀，裂缝扩大而削弱路基，可选用低模量密封修补材料，将裂缝封闭。典型的高模量补强材料有环氧树脂类，酚醛和改性酚醛树脂类胶粘剂，低模量密封材料有聚氨脂类、烯类、橡胶类、沥青类胶粘剂。本文主要介绍环氧树脂类，聚氨脂类灌浆材料，烯类裂缝修补材料，聚合物现性水泥砂浆类裂缝修补材料。（1）环氧树脂类修补材料环氧树脂类修补材料的主要组分是环氧树脂，它是含有两种以上环氧化基因的高分子化合物，常见的环氧树脂可分为两类，一类是缩水甘油基型环氧树脂；一类是环氧化烯烃。水泥砼路面修补中使用的环氧树脂类材料大多属缩水甘油基型，常用的有由多元酚和多元醇制备的双酚A环氧树脂。这类环氧树脂刚性大，延性小、质脆，与旧混凝土胶接时，界面易产生集中而开裂。而环氧树脂改性后，即保持了强度高，粘附力强的优点，又通过改性降低脆性，提高韧性，最重要的一类用于水泥砼路面裂缝修补的是聚硫改性环氧灌浆材料。以环氧树脂100g，聚硫橡胶50g和DMP-30（固化剂）10g混合而成的改性环氧树脂，抗拉强度高达50.6Mpa，延伸率达5%；用环氧树脂6101号100g,聚硫橡胶（分子量1000）30g，生石灰（过160目，600℃活化4h）30g，固化剂1号20g，（KH-550）30g，混合成的改性环氧25℃下45min或基本凝固，3-5h后则可达21-23mpa的抗剪强度，这两种配方的改性环氧树脂在我国实际工程中均有应用，效果良好。另一类改性环氧为914双组份快速固化裂缝修补材料，用711脂环族双缩水骨油脂环氧，712环氧树脂和703固化剂组成的914双组份室温快速固化胶粘剂，25℃下3h抗剪强度最高可达到30mpa左右，采用间苯=酚双缩水甘油醚70g等量间苯=酚和间苯=酚分甲醛树脂混合物的环氧化合物30g，J=烯双环氧20g，无机填料60g，低分子聚酰胺80g，2，4-甲苯=胺20.5g，液体聚硫20.5g，混合成的改性聚硫环氧灌浆材料，在常温下凝胶时间为1.7h，室温抗剪强度达20Mpa。以上几种修补材料在我国试用以后，效果不错，特别是914双组组份快速固化胶粘剂，现在已广泛采用。（2）聚氨脂类灌浆材料聚氨脂类灌浆材料主要是由多异氰酸和聚氨基甲酸脂组成，其具有高度的极性和活泼性，对水泥砼具有极强的粘附性能，而且聚氨脂具有柔性分子链，它的耐震性及抗疲劳性能都很好，并且它还有一个重要的特点是它的耐低温性能好，它比其它任何其它的胶粘性材料都具有更好的耐寒性。因此由它配成的裂缝灌浆材料耐气候性好，适宜于不同季节和地区使用，而且聚胺固化时，几乎没有任何副产品产生，因此不会产生胶接层缺陷。（3）烯类裂缝补材料烯类裂缝修补材料采用烯类聚合物配制而成，通常有两大类：一类是以烯类单体或预聚体作胶粘剂，在固化过程中发生聚合；另一类是以高分子聚合物本身作胶粘剂。用于水泥砼路面裂缝修补的烯类材料主要有两类：其一为氰基丙烯酸酯胶粘剂，主要成分是α-氰基丙烯酸酯，通过增稠剂和增塑剂等改善工作性和抗冲击性能，其特点是粘度低，固化时间短，透明性好，胶结强度强，气密性好，不足之处是价格较高，抗冲击性能较差；另一类为（甲基）丙烯酸酯树脂粘剂，甲基丙烯酸树脂具有三向交联结构，所以耐热性，耐水性、耐介质以及耐大气老化性能较好，收缩率低，强度高，因（甲基）丙烯酸脂树脂粘剂粘度较其它有机高分子材料低，常与水泥复合成树脂改性砼对宽裂缝进行修补，（甲基）丙烯酸酯树脂胶粘剂制备工艺复杂，为调节固化产物的结构性能，需要掺入大量的外加剂。（4）聚合物改性水泥砂浆类裂缝修补材料普通水泥砂浆因收缩大，粘结强度低等原因较少用于裂缝的修补，而通过聚合物乳液改性水泥砂浆能提高其工作性能，减少浆体收缩，提高粘结强度，以及砂浆的综合力学性能，改善防水抗渗能力及抗冻融能力，降低纯聚合物材料的费用等。常用于裂缝修补的聚合物改性水泥砂浆有聚醋酸乙烯乳液改性水泥砂浆，聚丙烯酸酯乳液改性水泥砂浆，环氧树脂改性水泥砂浆，不饱和聚酯树脂改性水泥砂浆及丁苯胶乳改性水泥砂浆等。2．4．裂缝修补方法砼路面的裂缝情况比较复杂。修补时要根据具体的情况采取相应的修补措施．对砼路面裂缝的修补可采用压注灌浆法、扩缝灌浆法、直接灌浆法和条带罩面法。2