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多风地区施工中提高水泥混凝土路面抗裂性能的方法
摘要: 多风地区的水泥混凝土路面施工极易因失水而产生塑性和干缩裂纹, 降低路面的使用寿命, 甚至导致路面早期破坏。结合水泥混凝土路面的各个施工环节逐一分析, 研究适宜的控制方法, 达到提高水泥混凝土路面抗裂性能的目的。
关键词: 水泥混凝土路面; 抗裂性能; 研究
Abstract:Thewindydistrictofcementconcretepavementconstructionvulnerabletodehydrationandshrinkageoftheplasticcracks,reducingthelifeoftheroad,orevenresultinpavementdamage.Withcementconcretepavementtoanalyzeallaspectsofconstruction,ofsuitablecontrolmethods,toimprovetheperformanceofcementconcretepavementcrackingpurposes.
Keywords:cementconcretepavement;crackresistance;Research朗读
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四川凉山州属干燥多风地区, 该地在每年11月至次年4月为风季, 期间气候干燥, 相对湿度在30%-55%, 风速最大为6级。由四川公路桥梁建设集团承建的西昌～攀枝花高速公路路面工程A4合同段位于凉山州黄联关镇境内, 地处安宁河漫滩, 两侧傍山。据当地居民介绍, 该地为凉山州的一处”风口”, 其风速较之其它地区更大oA4合同段的施工工期在 9月～12月, 按项目部的施工进度安排, 水泥混凝土路面的施工在当年10～12月之间, 且主要工作量集中于11—12月。由于水泥混凝土”风干’’是导致其塑性收缩裂纹的主要原因, 因此, 在风季施工中如何提高水泥混凝土抗裂性能、 防止水泥混凝土开裂成为项目部亟待解决的主要技术问题。
1材料质量控制
一般在水泥混凝土路面施工中, 一般都比较注重碎石、 砂、 水等原材料的质量, 对水泥只要求其强度、 安定性。为提高水泥混凝土的抗裂性能, 除要求碎石、 砂、 水等材料的质量外, 尚应对水泥混凝土路面所用水泥、 混凝土减水剂及养护剂做出更严格的质量控制。
1.1对水泥的质量要求
用于水泥混凝土路面的水泥的质量要求除了其抗折强度和安定性之外, 还需要对以下水泥组分进行规定和控制。
(1)不同混合材料的水泥对水泥混凝土的干缩
和塑性开裂的影响。
当前国内生产的普通硅酸盐水泥主要混合材料分粉煤灰、 高炉矿渣、 火山灰等3种, 就其对水泥混凝土后期干缩的影响而言, 火山灰最严重, 矿渣次之, 粉煤灰则基本无影响。就其对水泥混凝土凝结初期塑性收缩的影响而言, 粉煤灰最严重。在干燥的环境中宜使用粉煤灰水泥, 这对避免水泥混凝土干缩裂纹是有益的。但同时需要在水泥混凝土施工时加强对塑性收缩的控制。
例如, A4合同段的水泥混凝土路面按设计要求应使用大厂旋窑水泥, 因此而选定了运输距离较近的”金沙江’’牌水泥。考虑到掺火山灰的普通硅酸盐水泥易引起水泥混凝土路面的后期干缩裂纹( 此类水泥适用于潮湿环境) , 因此要求厂方将混合材料改为粉煤灰。经在使用中观察, 水泥混凝土路面在硬化期内无干缩现象。
(2)对铝酸三钙(C3A)、 石膏等成分在水泥中含量的规定。
水泥熟料中的C3A常以玻璃体状态存在, 该成份具有以下特性, 即: ①遇水立即反应, 伴随着释放出大量的热量, 且即刻凝结, 因此常采用掺石膏的方法延缓C3A的凝结时间; ②C3A含量越高, 水泥浆体的干缩越大; ③C3A含量高的熟料吸附减水剂量大, 经C3A吸附后留在液相中起塑化和分散作用的减水剂量减少, 减水效果变差。鉴于C3A所具有的
以上性质, 应将路面混凝土所用水泥的C3A含量加以限制, 一般宜限制在8%以内。
掺入石膏是为了调整水泥的凝结时间, 掺量过少将不能起到缓凝作用, 掺量过多则不但不能增强缓凝, 且在水泥水化后期将生成钙矾石, 产生膨胀应力, 严重时还会引起水泥的安定性不良和导致水泥混凝土龟裂。因此应严格控制石膏的掺量, 使其达到满足水泥正常凝结时间的最佳掺量。
当C3A含量较低时, 用以调节水泥凝结时间的石膏用量也相应减少, 这样就能降低水泥早期水化反应速度, 由水泥水化引起的水泥混凝土水分损失得以减少, 有助于降低水泥混凝土坍落度损失和有效防止水泥混凝土假凝。
为了提高水泥混凝土的质量和工作性能, 人们常使用外加剂, 而某些外加剂( 特别是木质磺酸钙) 掺入后, 一经加水拌和, 便很快失水速凝, 这种假凝现象与水泥中掺入的无水石膏有关。因此在水泥混凝土中需要掺用外加剂时, 所使用的水泥只能掺用二水石膏, 不得掺用无水石膏。
(3)对水泥细度的控制。
水泥的粉磨细度对水泥的水化反应有着重要影响, 细度越小, 水泥早期水化反应就越快, 早期强度越高, 但随之而来的是水泥的凝结时间缩短、 需水量增大、 干缩增大。同时, 水泥粉磨细度的提高对水泥混凝土早期抗折强度增长的影响比抗压强度的增长要小, 这对以抗折强度作为水泥混凝土强度评定指标的水泥混凝土路面并不是很有益。因此对水泥混凝土路面而言, 水泥细度并不是越小越好, 还需要综合考虑以上因素。根据在西攀高速公路A4合同段施工中所取得的经验, 当水泥的粉磨细度控制在4%-6%之间时, 将有助于降低水泥的早期水化速度, 能降低水泥混凝土坍落度损失, 同时可保证水泥的早强性能和减少干缩。
(4)使用早强(R)型水泥。
早强水泥并不意味着水泥凝结时间的缩短, 水泥的凝结时间能够经过对细度和铝酸三钙、 石膏等成分在水泥中含量的调整来控制, 还可经过使用缓凝剂调整。早强水泥特别适用于气温低的季节。
由于水泥混凝土路面是长线作业, 其工后养护工作较为困难。使用早强水泥以提高水泥混凝土7d强度, 能够达到相对缩短水泥混凝土路面养护时间的目的。这是因为伴随着水泥强度增长的是水泥水化反应, 水泥混凝土养护是为了保证水泥水化过程中所需的水分。若使水泥在较短龄期内尽可能水化, 使水化产物尽量多地填充水泥浆体中的毛细孔, 减窄其孔径, 阻碍水分的蒸发, 减弱水泥混凝土对气候干燥的敏感性, 这对防止水泥混凝土路面后期干缩
开裂是很有益的。
1.2混凝土减水剂的选用及组分规定
(1)减水剂的性能和水泥适应性。
外加剂是水泥混凝土的一种组分, 其掺入水泥混凝土的目的是使新拌混凝土和硬化混凝土达到人们所需要的优良性能。减水剂作为水泥混凝土外加剂中的一种, 能在维持混凝土坍落度不变的条件下降低混凝土单位用水量, 它可降低新拌混凝土的水灰比和提高和易性, 提高硬化混凝土的强度和耐久性, 同时在保持混凝土强度不变的前提下降低成本。
由于这些特性, 减水剂被越来越多地应用于水泥混凝土工程中。按减水幅度分类, 减水剂可分为普通型( 减水率在5%-10%) 和高效型( 减水率>10%) 等2种, 两者均可用于水泥混凝土路面。
为保证所用的减水剂同所使用的水泥之间有良好的适应性。在混凝土配合比设计前, 应选取多个厂家生产的减水剂做水泥适应性试验。只有与水泥相适应的减水剂才能使用, 否则必须调整水泥配方或另行选定减水剂oA4合同段在前期试验工作中, 共采用了4个厂家生产的减水剂进行水泥适应性试验, 经检验, 有2种减水剂同水泥是不相适应的。
(2)减水剂的种类、 掺量与水泥混凝土坍落度损失的关系。
水泥混凝土坍落度损失主要由水泥早期水化反应的需水, 混凝土拌和、 运输和等待摊铺过程中的水分散失所引起。使用减水剂后的水泥混凝土降低了单位用水量。因此, 在同样的初始坍落度的条件下, 掺有普通减水剂的水泥混凝土坍落度损失速度比不掺减水剂的水泥混凝土要快, 而掺有高效减水剂的水泥混凝土坍落度损失速度比掺普通减水剂的水泥混凝土要快( 见图1) 。

如何降低水泥混凝土的坍落度损失速度呢? 这需要在水泥混凝土试配时确定减水剂的最佳掺量, 这个掺量应基于水泥混凝土坍落度损失速度最小的条件来确定, 且不能局限于厂家提供的建议掺量。关于减水剂的最佳掺量, 将在水泥混凝土配合比设计中详细描述。
(3)使用高效减水剂。
掺用高效减水剂的水泥混凝土能够提高早期强度, 与同水灰比的空白混凝土和掺普通减水剂的混凝土相比, 其3d强度之比分别大于125%和110%o由其早强性能能够得到掺有高效减水剂的混凝土在硬化期内抗干缩裂纹的能力是增强的。因此, 在路面混凝土中宜使用高效减水剂。
1.3对水泥混凝土中含碱量的要求
水泥混凝土中碱的来源是水泥和外加剂。当碱含量较高时, 将会破坏外加剂的塑化能力。当水泥混凝土采用的粗集料是碱活性岩种, 则将会产生碱一集料反应(AAR), 使水泥混凝土膨胀开裂。因此对含碱量应加以限制。英国和德国的研究成果表明, 当水泥混凝土中的总含碱量低于3.0kg/m3时, 不应再造成AAR破坏。
1.4水泥混凝土养护剂的选定
水泥混凝土养护剂主要分为乳化石蜡基、 聚合物单体树脂基和水玻璃基等3大类。就其保水性而言, 乳化石蜡基效果最好, 聚合物单体树脂基次之, 水玻璃型最差; 就耐磨性而言, 水玻璃型最好, 聚合物单体树脂基次之, 乳化石蜡基最差; 就其防雨水冲刷性能而言, 聚合物单体树脂基最差。因此, 其选用应根据施工所在地区的气候和临时交通的特点来决定。例如, 在A4合同段选用的是聚合物型养护剂, 这是因为该合同段所处的地区和施工期间的气候具有干燥、 多风、 少雨水的特点。
2水泥混凝土配合比设计
经过对原材料的控制, 水泥混凝土的抗干缩、 抗化学减缩及工作性能将会得到较大幅度地提高, 但在抗塑性收缩这一方面应主要从水泥混凝土的配合比设计、 施工及初期养护等方面来加以控制。因此在多风地区进行水泥混凝土路面配合比设计时应考虑水泥混凝土的抗裂性能。
水泥混凝土路面的塑性收缩主要来自泌水和水泥～水的最早期水化引起的化学减缩, 后者可经过对原材料的限制及采用低水灰比、 高集浆比及砂率等方面加以控制。而泌水对混凝土抗裂的影响是怎样的呢? 在此, 我们先着手于泌水与塑性收缩之间关系的分析。
2.1水泥混凝土泌水与塑性收缩的关系
泌水是由于水泥混凝土中各组成材料的比重不一致, 使其在成型后凝结初期粗颗粒下沉、 水分上移所产生。蒸发是由气候因素( 如湿度、 温度、 日照、 风速等) 所引起水泥混凝土表面水分蒸发散失所引起。
当水泥混凝土表面泌水速度低于蒸发速度时, 水泥混凝土表层水分蒸发面将深入其表面以内并形成凹面, 由于凹面较凸面所受压力大, 同时因固体颗粒间产生毛细管张力促使颗粒凝聚, 若水泥混凝土表面未充分硬化而不能抵抗这一张力, 则在水泥混凝土表面将会普遍产生塑性收缩裂纹。由此可见, 适量的泌水对水泥混凝土路面抗塑性开裂是有益的。
2.2减水剂的掺量同泌水的关系
如何才能使水泥混凝土尽可能硬化, 增强其抗裂能力呢? 这可经过适当地延长泌水时间和提前养护以降低水泥混凝土蒸发速度来予以控制。而泌水时间可经过对减水剂的掺量调整来调节。
使用减水剂能塑化水泥混凝土并减少其单位用水量。其目的是在保证强度的前提下使水泥混凝土具有相同的坍落度和提高水泥混凝土的和易性。由于减水剂减少了水泥混凝土的用水量, 则水泥混凝土泌水也相应得到减少。而减水剂的掺量同水泥混凝土单位用水量也是紧密联系的。水泥混凝土用水量随减水剂掺量的增加而减少, 直至用水量不再明显变化。由此可见, 水泥混凝土泌水应随减水剂掺量的增加而减少。
2.3减水剂最佳掺量的确定
减水剂的掺量不一定就是生产厂家的建议掺量。我们曾做过这样一组试验, 即将某种萘系高效减水剂( 磺化萘甲醛缩合物) 掺配于水泥中做标准稠度试验, 当减水剂掺量为水泥用量的0.5%( 也是厂家建议的最佳掺量) 时, 减水效果最佳。但按此掺量试配水泥混凝土时, 发现其坍落度在初始时虽大, 但损失得很快, 且没有一个相对稳定的时间段。这样配成的水泥混凝土是很不利于施工的。图2是在减水剂掺量分别为0.5%和0.45%时的水泥混凝土坍落度测定。由图2中能够看出, 当掺量为0.5%时水泥混凝土初始坍落度虽然较大, 但坍落度损失比掺量为0.45%的水泥混凝土要快得多。

因此在水泥混凝土路面设计试配中尚应考虑减水剂对水泥混凝土坍落度损失的影响。这需要在保持水灰比和满足施工坍落度的前提下经过不同水泥用量同减水剂掺量之间的搭配来确定。
3水泥混凝土施工控制
3.1路用碎石的保湿
滑模摊铺的水泥混凝土路面在风季施工中应特别注意对碎石的保湿, 是因为当碎石几乎不含水分时, 将引起水泥混凝土拌和时掺水量增大, 从而增大水泥混凝土的初始坍落度和离析、 泌水, 加速坍落度损失, 影响水泥混凝土的和易性。同时由于碎石的吸水, 而导致水分在水泥混凝土中分布不均匀。若采用人工、 三轴式摊铺机等施工方法时, 由于其从拌和到成型的时间较长, 水泥混凝土振捣时碎石已经充分吸水湿润, 此时基本无影响。而使用滑模摊铺机施工时, 由于其从拌和到成型的时间较短, 碎石吸水饱和极有可能发生在路面摊铺整型之后, 此时其表面所附的水泥浆因失水而失去粘性, 并同碎石剥离, 导致深度裂缝。因此, 在风季施工中需采取洒水湿润的方法对待用碎石提前加以处理, 使其含水量控制在1%-2%之间。洒水时间宜提前, 并以碎石得到均匀湿润为准。
3.2水泥混凝土表层应有足够的砂浆覆盖层
若水泥混凝土路面的表层砂浆覆盖厚度不够( 一般在3～5mm内) , 由于砂浆和碎石间的收缩不一致, 且浮于路面表层的碎石同砂浆之间的粘附能力也将随”风干’’而减弱。此时将开始从路表层的碎石与砂浆接触面处产生开裂, 并由此往下延伸而产生塑性裂缝。根据现场的风速大小, 这种现象常发生在水泥混凝土铺筑后的2～4h内。遇到此种情况
时, 应及时检查水泥混凝土砂率、 碎石级配, 并检查摊铺机的振动和夯实系统等是否仍在正常工作。对已铺的路面可采取及时喷洒养护剂或覆盖塑料薄膜以减少蒸发。
3.3减水剂的掺量调整
在多风地区水泥混凝土路面施工时, 应更加注意减水剂的掺量问题, 这是因为减水剂能提高新拌水泥混凝土的粘结性, 减少用水量。在路面摊铺成型后, 由于气候对水分的蒸发作用( 其中风的影响最为显着) 导致路面表层水分迅速散失而干硬结壳。而水泥混凝土体内需要泌出的水分被封闭, 这些多余的水分将在一定时间内汇聚、 渗透, 造成路面的深度裂
缝。若在水泥混凝土摊铺后发现有此类问题, 应及时调整减水剂掺量。对高效减水剂可按其掺量的5%递减。必须注意, 减水剂掺量的减少将导致水泥混凝土用水量的增加, 从而影响强度。故在多风地区的水泥混凝土配合比设计时, 应按减水剂掺量的预计增减值试配多组混凝土配合比备用。
3.4气候变化与配合比的调整
必须注意, 不同的温度、 湿度, 特别是风速所造成的水泥混凝土水分蒸发均不相同, 而形成抗”风干”裂纹的水泥混凝土要求在其体积内部能产生适量的泌水, 以泌出混凝土表面的水分和强化养护来达到抵抗蒸发的目的。水泥混凝土在此期间不断提高粘聚力, 由此增强抵抗塑性开裂的能力。因此在气候变化之时, 水泥混凝土配合比也应随之加以微调整。而在施工过程中配合比的调整主要来自减水剂掺量的调整。表1介绍了不同气候条件下的混凝土
配合比调整, 可为配合比调整提供一个思路。
表1不同温度、 风力条件下的混凝土配合比调整
类别
温度
风力
水泥凝结速度
混凝土需要泌水量
减水剂掺量
1
低
弱
慢
少
相对增量
2
低
强
慢
多
相对减量
3
高
弱
快
少
相对增量
4
高
强
快
多
相对减量
应注意, 在对减水剂掺量做出调整的同时, 水泥用量也需按配合比相应调整。
3.5路面养护
强化路面养护是提高水泥混凝土抗裂性能的重要手段之一。众所周知, 养护的目的是经过防止水泥混凝土表面水分的过快散失, 使混凝土在水分散失前形成足够的粘聚力以抵抗塑性开裂。养护的方法可分为喷洒养护剂、 覆盖塑料薄膜或覆盖草帘( 或麻袋、 或砂) 等。在多风的气候条件下, 应采用哪种养护方法呢?
3.5.1不同养护方法的区别
喷洒养护剂可使水泥混凝土表面形成一层保护膜以阻碍和减弱表面水分蒸发。覆盖塑料薄膜则能避免风与水泥混凝土表面的直接接触, 并由外界温度或混凝土水化释放热使其表面水分在薄膜内部形成湿气, 由此达到湿气养护的目的。而覆盖麻袋、 草帘或砂等方法在水泥混凝土塑性阶段是不可取的。因为这些材料是靠吸水性和保水性达到湿养护的目的。若在水泥混凝土结硬以前使用, 将由其吸取水泥混凝土表面水分而加速塑性开裂。这样做还将破坏路面美观。因此, 当水泥混凝土尚处于塑性阶段时, 应使用养护剂或塑料薄膜, 或将两者组合使用。
3.5.2适宜的养护时间
在多风季节中的水泥混凝土养护, 应将喷洒养护剂和覆盖塑料薄膜组合使用以达到强化路面养护的目的。养护的时间应适宜, 过早将因水泥混凝土表面水分蒸发受阻形成自由水面, 冲刷混凝土表层水泥浆导致流淌, 影响路面耐磨性、 平整度和表面美观, 过迟则导致混凝土失养开裂。在表2中列出了水泥混凝土路面在不同温度、 风力情况下的养护时间和方法, 供参考。
应注意, 大风条件下的路面养护是较为困难的, 在西攀路A4合同段之因此能够实现在6级风力情况下的路面抗裂, 在水泥混凝土养护方面是因为我们掌握了该地区的起风特点和风向, 若风向不能确定, 覆盖薄膜养护就不能实现。
表2不同温度、 风力情况下的养护时间和方法
类别
温度
℃
风力
初始养护
( 喷洒养护剂)
二次养护
( 覆盖塑料薄膜)
养护时间
遍数
表观现象
1
＜25
＜4级
延迟, 混凝土表面无明显水印
2
混凝土表面人走无印痕
2
＜25
＞4级
提前, 混凝土表面无明显水痕
3
用手轻度按压无凹陷
3
＞25
＜4级
适中, 混凝土表面无明显水印
2
用手重度按压无凹陷
4
＞25
＞4级
提前, 抹面后立即养护
3
用手中度按压无凹陷

4裂纹处理
当水泥混凝土尚处于塑性阶段, 此时产生的裂纹均为塑性裂纹, 对水泥水泥混凝土的深度开裂应采用人工局部凿除后补块的方法处理。对浅度开裂可用石块( 或卵石) 锤击令其愈合, 而后用铁抹做面。
在水泥混凝土硬化后发现的裂纹, 应视其密集程度分别采用罩面、 灌浆等方法予以处理。
5小结
由从施工实践来看, 加强对原材料和施工过程的控制, 细化水泥混凝土的设计配合比, 提高水泥混凝土的抗裂性能都是很有效的。应对已有经验判断总结和交流、 开发, 由此提高我们的水泥混凝土施工的技术水平。
参考文献:
[1]黄士元, 蒋家奋, 杨南如, 周兆桐, 等。近代混凝土技术。[M].陕西科学技术出版社, 1998.
[2]JTJ037.1- , 公路水泥混凝土路面滑模施工技术规程[S].