水泥混凝土橋面鋪裝層開裂控制研究

成壯

（山西路橋第六工程有限公司，山西 晉中 030600）

0 引言

水泥混凝土橋面鋪裝層產生早期病害的原因較為復雜，鋪裝層開裂受到材料、環境、荷載等多種影響因素的制約。當橋面鋪裝層按照無裂縫的標準設計時，橋面結構設計趨于安全保守。車流輪跡位置發生開裂時，鋪裝層結構內部荷載的傳遞將止于裂縫位置，這會導致橋面鋪裝層內部彎矩增大，結構設計也將處于不安全的狀態，導致路用性能下降[1]。就實際工程而言，橋面鋪裝層產生裂縫早期，雖然鋪裝層結構受裂縫影響有限，預期各項功能下降不太顯著，但隨著時間推移，受到上部荷載長期作用，鋪裝層裂縫將持續擴展，還會引發其他各類病害的產生和發展，橋面行車舒適性顯著降低，縮短了橋梁使用壽命。

1 工程概況

某高速公路橋梁工程，該橋梁上部結構選用變截面連續梁設計，采用預應力混凝土結構，跨徑布置為：35m+60m+35m，設計使用年限為100年。對該項目所處環境進行全面調研、勘察，混凝土設計遵照《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）要求[2]，按I類環境設計和施工，其最低混凝土強度等級為C50，變截面箱梁采用C55混凝土施工。該橋梁建設地位于主城區、縣級市交通要道，對于當地經濟發展、文化交流、城市建設有著顯著意義。

橋面鋪裝層采用12cm厚C55防水水泥混凝土，并且采取適當排水、防水措施以提高橋面鋪裝層結構耐久性。在橋面板結構層之上，水泥混凝土正式鋪裝前布置一道防水層。在橋面整平、澆筑后，整平層之上出現大量沿橫向貫穿的裂縫，如圖1所示。

圖1 整平層開裂

2 裂縫調查與檢測

水泥混凝土鋪裝層開裂通常是受多種因素的影響。為了獲得較為客觀、準確的裂縫調查結果，技術人員通過建立完善的裂縫評價體系，對鋪裝層出現的各類裂縫做出準確的研判[3]。具體而言，裂縫的調查與檢測主要包括：裂縫類型及性質、裂縫成因、裂縫危害程度等。

2.1 裂縫調查

在前期裂縫調查環節，需建立詳盡的調查計劃，并嚴格遵照計劃開展工作。在裂縫成因未得到科學研判前，應盡可能獲取橋梁工程建設相關的各類信息。調查環節需要充分考慮當地環境、水文地質條件等外界因素，上述條件和因素通過裂縫檢測無法獲得，需專門進行調查；其次，調查的重點應以裂縫產生的影響因素為中心展開，有針對性地收集相關信息，厘清不同信息之間的主次關系，避免調查的盲目性?？紤]到該橋梁仍處于施工、養護階段，因此本研究裂縫的調查工作主要以設計、施工及材料三方面內容為重點，需要調查的具體內容主要包括以下幾個方面：

（1）調查水泥混凝土橋梁鋪裝層設計方案中橋面整平層施工相關參數的設置，如結構層厚度、混凝土用量、配筋量及保護層厚度等。

（2）調查水泥混凝土橋面鋪裝層的混凝土配比、外加劑類型及用量、強度等級、工作性等。

（3）調查水泥混凝土橋面鋪裝施工資料，主要包括施工方案、施工日志等。施工日志調查內容主要包括混凝土初凝時間、澆筑時長、環境溫度、養護技術及拌和物運輸方式等。

2.2 裂縫檢測

按照視覺上的差別，可將裂縫分為可見裂縫及間接可見裂縫兩類；按照開展寬度，可將裂縫分為三類裂縫，如表1所示?？梢娏芽p在良好的光照條件下，若其具有較好的表面平整度，則可通過肉眼辨別，其寬度一般大于0.1mm；若裂縫寬度小于0.05mm，通常借助肉眼很難辨別出來，可用水浸潤后辨別表面的痕跡來判斷；而寬度在0.05～0.1mm的裂縫，雖然其仍屬于可見裂縫的范疇，但一般需要觀察者貼近鋪裝層結構外表面或借助放大鏡進行辨別，如圖2所示。

圖2 裂縫寬度檢測示意

對該橋梁箱梁結構整體進行全面勘察、辨別后，僅在整平層位置發現部分可見裂縫分布，而在其他位置未發現可見裂縫，由此可以初步判定整平層裂縫產生受到施工、材料兩個因素的影響。

3 裂縫類型

對該橋面鋪裝層全面勘察檢測后，基本掌握了裂縫的分布及數量，同時也可大致了解裂縫的類型。已有研究表明[4]，橋梁裂縫的產生主要是由于非荷載因素導致的，其占比近80%，而由荷載導致的開裂僅為20%左右，其各自特點如表2所示。

表2 不同裂縫的主要特點

該橋橋面鋪裝層在裂縫調查期間仍處于施工階段，因此鋪裝層中出現的裂縫基本可判定為非荷載因素導致，其產生的主要原因在于混凝土材料收縮。已有研究表明[5]，非荷載因素引發的裂縫寬度也可能較大，且大多表現為貫穿性開裂。此外，這一現象在水灰比低、強度等級高的混凝土結構中更為突出，收縮效應更加顯著。非荷載因素引起的裂縫主要對結構耐久性產生影響，對其安全性的影響比較有限。

4 裂縫成因分析

對該橋面鋪裝層裂縫開展全面調查、檢測后，確定該橋面鋪裝層實際施工情況與設計方案相符，且整平層材料的力學性能滿足設計和施工要求。整平層裂縫主要呈現為圖3所示形態，且大多集中于橋面板的中部地帶，沿橫橋向分布。相鄰裂縫的間距約為3m，裂縫最大寬度約為1mm。

圖3 整平層裂縫分布示意

針對該橋面鋪裝層存在的裂縫進行綜合分析，其成因可歸納如下。

整平層裂縫的類型主要為非荷載裂縫，綜合考慮裂縫分布及形態，在整平層澆筑初期，水泥由于水化作用釋放較多熱量，熱量逐步向外擴散。在澆筑施工后的2～3d內，結構內外溫差達到峰值。同時，該橋整平層混凝土澆筑在9月末實施，此時環境溫度處于較高水平且晝夜溫差較大，最大溫差可達10℃。這會導致結構內外溫差進一步加大，負溫度梯度顯著，混凝土內出現壓應力、外表面出現拉應力。若這一應力水平超過材料極限強度，則結構將發生開裂。其次，整平層為薄壁結構，受到材料干縮、化學收縮的影響后，結構表面的應力水平將進一步提升。若外部約束欠缺，則結構將會發生自由變形，鋪裝層結構不會出現開裂。但在實際工程中，混凝土澆筑不可避免地會存在時間差，且附加有外部約束，這就導致整平層內部產生裂縫。

總體而言，對于該橋面整平層開裂現象的成因分析如下：混凝土澆筑早期由于水化反應引起結構發生化學收縮、溫度收縮。橋面鋪裝層所用混凝土水膠比較低，在水化反應早期放較多熱量，且伴隨出現不可忽視的收縮。鋪裝層表面面積較大、散熱效率高，因此水化反應產生的熱量釋放出來后主要集中在內層，這就導致鋪裝層中產生較大的內外溫度差。溫度收縮、化學收縮都會顯著提升下承層的約束作用，進一步加大橋面鋪裝層的變形量，促使混凝土收縮應力提升。當化學收縮、溫度收縮的疊加效應大于材料極限強度時，鋪裝層即發生開裂，裂縫的間距約為3～4m，且呈現出自上而下擴展的趨勢，這與溫度裂縫的特征較為相似。橫向貫通裂縫的形態與收縮裂縫較為接近，其裂縫產生、發展較早，且干縮裂縫占比較小，因此可以判定該裂縫產生原因主要以化學收縮為主。干縮導致的裂縫大多比較平直，且間距分布規律，大多為6m，但在該橋面鋪裝層中裂縫分布較為密集。因此，最終可判定該橋面鋪裝層裂縫為溫度收縮、化學收縮疊加作用下產生的裂縫。

5 裂縫的影響程度

混凝土開裂是橋梁建設中不可避免的病害類型，根據裂縫產生的后果和影響程度的不同，裂縫可大致劃分4個等級，如表3所示。

表3 基于影響程度的裂縫等級分類

根據上述裂縫調查情況分析可知，該橋面鋪裝層主要存在一般裂縫、嚴重裂縫，對該橋路用性能有顯著的不利影響，且降低了水泥混凝土橋面鋪裝層結構的耐久性，有產生反射裂縫的風險?；谖覈F行規范要求，不滿足驗收的基本條件，需進行深度修復，確保橋面鋪裝層結構的安全性、耐久性達到設計和施工要求。

6 裂縫處理

在初步確定水泥混凝土橋面鋪裝層裂縫成因后，結合裂縫影響程度的分析，建議采用以下處治措施：

（1）在混凝土澆筑工序結束后，及時覆蓋鋪裝層，以免外表面散熱過快導致內外溫差增大加快裂縫的發展。此外，也可通過灑水的方式進行養護，保證水化放熱過程能夠快速結束，并減少由于干縮導致的開裂問題。

（2）在混凝土養護至預期強度后，仍應按照原有條件繼續養護一段時間。對于部分嚴重的裂縫，還可通過壓力灌漿的方式進行處理。

（3）釋放結構內的應力差，在新的變形差產生前完成鋪裝層施工，以免下承層中裂縫進一步擴展和延伸。

采取上述措施對水泥混凝土橋面鋪裝層進行處理后，需多次檢測裂縫狀態，直至通車運營未檢測到反射裂縫，即表示裂縫的處理效果較好。

7 結語

本文以我國某橋梁水泥混凝土橋面鋪裝層工程實例為基礎展開分析，研究結果表明：高強度等級混凝土在水化早期放出大量熱，導致鋪裝層內外產生較大溫差，促使早期溫度裂縫的產生與擴展。因此，在防治措施中可采取覆蓋、灑水等方式來緩解內外溫差的增大，從而避免早期裂縫的產生。