2020年巖土工程師答疑:水泥裂縫產(chǎn)生的原因?

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問題：

水泥裂縫產(chǎn)生的原因?

答疑：

對于道路上的半剛性基層，要求其具有較小的收縮性。半剛性材料的收縮包括二個方面，一是由于水分子減少而產(chǎn)生的干縮，二是由于溫度降低而產(chǎn)生的溫度收縮。

基層材料的干縮和溫度收縮是引起基層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生橫向裂縫的主要原因。對瀝青面層的開縫特別是反射裂縫的發(fā)生有很大影響，另外一個原因是在車輛荷載作用下產(chǎn)生的裂縫。

1、干縮性裂縫：干縮性裂縫的情況有兩種，一是水泥穩(wěn)定碎石壓實(shí)成型到正常養(yǎng)護(hù)期(一般為7 d)的干縮;二是養(yǎng)護(hù)期滿后到施工瀝青封層或透層、攤鋪瀝青混凝土面層這段時間的干縮。其機(jī)理基本上是一樣的，只是其損害的程度有所不同。

水泥穩(wěn)定碎石壓實(shí)成型到正常養(yǎng)護(hù)期(一般為7d )期間，由于混合料本身的水份和養(yǎng)護(hù)灑水的水分蒸發(fā)以及混合料內(nèi)部水化作用發(fā)生的毛細(xì)管作用、分子間吸附作用力和碳化收縮作用等，引起基層混合料體積在一定程度趨于減小而收縮，出現(xiàn)拉裂的現(xiàn)象。如果這段時間天氣正常，氣溫沒有太大變化，混合料(基層)從最佳含水量到較干燥的干縮過程可稱之為一次性的干縮，其產(chǎn)生的裂縫是有限的。

從基層養(yǎng)護(hù)期滿后到施工瀝青封層或透層油、攤鋪瀝青混凝土面層之間，如果這段時間間隔較長，自然天氣從睛到雨，從雨到睛，風(fēng)吹日曬雨淋，基層料從“較干燥→飽水狀態(tài)→較干燥→飽水狀態(tài)”反復(fù)循環(huán)作用，水分反復(fù)的“蒸發(fā)、飽和、蒸發(fā)、飽和”，多次重復(fù)干縮過程，必然會使基層出現(xiàn)較嚴(yán)重的拉裂現(xiàn)象，在薄弱地方就表現(xiàn)為裂縫，這種破壞在多雨的地區(qū)特別明顯。養(yǎng)生結(jié)束后，如其上為瀝青面層，應(yīng)先清掃基層，立即噴灑透層或粘層瀝青、在清掃干凈的基層上，也可先做下封層，以防止基層干縮開裂

2、溫縮性裂縫：也就是熱脹冷縮產(chǎn)生的裂縫。萬物都具有熱脹冷縮的性質(zhì)，水泥穩(wěn)定碎石基層屬半剛性體，也不會例外。在水泥路面設(shè)計和施工中，設(shè)置伸縮縫的做法規(guī)范中已有明確的規(guī)定，并且在施工和實(shí)際中得到廣泛的應(yīng)用，取得了顯著的成效。但長期以來，在水泥穩(wěn)定碎石基層的設(shè)計規(guī)范或施工技術(shù)規(guī)范中卻沒有提出來，這有待于進(jìn)一步探索。

水泥無機(jī)結(jié)合料內(nèi)部的不同礦物顆粒組成的固相、液相和氣相體，在溫差作用中必然會使其產(chǎn)生熱脹冷縮的體積變化，從而引起溫縮性裂縫。

(1)固相礦物不同的脹縮性：碎石原材料礦物(主要為SiO2、AI2O3)組成的熱脹冷縮系數(shù)為810-6/℃，水泥穩(wěn)定碎石生成的新膠結(jié)礦物主要成分為C-S-H凝膠體，熱脹冷縮系數(shù)一般為10～2010-6/℃。由于兩者組成的固相復(fù)合穩(wěn)定材料的礦物具有不同的熱脹冷縮性，在溫度變化時其脹縮值是不相同的

(2)液相(水)的熱脹縮性：自由水、毛細(xì)水、結(jié)構(gòu)水、結(jié)晶水存在于混合料內(nèi)部的孔隙中和膠體中，水的熱脹縮系數(shù)為7010-6/℃。當(dāng)溫度升高時，可以產(chǎn)生相當(dāng)大的擴(kuò)張力使顆粒間距增大而產(chǎn)生膨脹。

(3)氣相的熱脹縮性：混合料毛細(xì)孔、內(nèi)部孔隙充盈著氣體。夏天時水穩(wěn)層內(nèi)部結(jié)構(gòu)氣體體積受熱充分膨脹，結(jié)構(gòu)內(nèi)的顆粒相應(yīng)充滿擴(kuò)張力。冬季時，原膨脹的氣體體積收縮，顆粒內(nèi)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力減小，產(chǎn)生收縮力，體積變小。當(dāng)擴(kuò)張力超過臨界值時，水穩(wěn)層就會產(chǎn)生起拱;當(dāng)收縮力超過結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力時，便產(chǎn)生橫向裂縫。

3、荷載性裂縫

荷載性裂縫一般發(fā)生在基層的底部，由于車輛荷載的反復(fù)作用，裂縫逐漸向上擴(kuò)展至表面，車輪荷載作用下產(chǎn)生的裂縫反映在面層，往往不是單獨(dú)的、稀疏的或較有規(guī)則的裂縫，而是稠密的，有時是相互聯(lián)系的。

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