梁板式高樁碼頭港區(qū)厚板混凝土道路裂縫成因與防治

余細強 龐振鑫 保利長大工程有限公司

港口作為臨海城市綜合運輸?shù)闹匾獦屑~，已成為全球貨物供應鏈上不可替代的重要節(jié)點。梁板式高樁碼頭是我國港口建設以來應用最為廣泛結(jié)構(gòu)之一，大型高樁碼頭建設工程通常包含碼頭泊位本身、與碼頭相連的引橋以及后方供貨物裝卸、裝運和臨時堆放的陸域堆場三個主要部分。港區(qū)道路作為供流動機械設備、大型運輸車輛的通道，交通繁重，往往具有重載交通特性。水泥混凝土路面是港區(qū)道路最常見形式，但由于水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)層影響因素多、控制難度大、材料質(zhì)量對外部環(huán)境敏感等缺點，使港區(qū)道路路面開裂成為了目前普遍存在的質(zhì)量病害。裂縫的存在不僅影響了外觀質(zhì)量，尤其在港區(qū)重載車輛、雨水的長期作用下還會造成不同形式的破壞，如：裂縫加劇、板塊錯臺、網(wǎng)狀開裂等，致使水泥混凝土道路維修困難的弱點在港口進一步凸顯。

港區(qū)水泥混凝土路面開裂是長期困擾工程技術(shù)人員難題，本文基于陽江港碼頭工程實例進行研究，通過現(xiàn)場觀測對裂縫的成因進行分析，并將提出的預防措施和處理方法應用于道路的施工中，總結(jié)了一系列切實有效的預防混凝土路面開裂措施，為港區(qū)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)施工提供了質(zhì)量保證。

1.港區(qū)道路的結(jié)構(gòu)形式

陽江港碼頭工程港區(qū)道路結(jié)構(gòu)層由面層、基層、底基層從上至下依次組成，荷載傳遞路徑明確。首先由面層直接承受車輛在行駛過程中車輪軸載重的動態(tài)荷載作用和自然因素影響，此時，面層作為道路結(jié)構(gòu)的直接承重層。然后，由設置在面層之下的基層作為主要承重結(jié)構(gòu)，與面層一起將荷載傳布到底基層。最后通過作為次要承重結(jié)構(gòu)的底基層將承受的荷載作用傳遞至路基，從而減小路基頂面的壓應力。如圖1所示，其中，底基層采用級配碎石材料，為柔性材料結(jié)構(gòu)層，具有滲透性好、適應性強、加強承載力、分散路基應力以及改善基層水溫狀態(tài)等特點。而基層采用水泥穩(wěn)定碎石半剛性材料，具有成本低、整體性好等特點，但對濕度、溫度較敏感。港區(qū)道路因交通流量大、車輛速度快以及常年受重載超載運輸車輛的作用，因此對路面結(jié)構(gòu)的強度和行車安全性都有較高的要求。為了確保港區(qū)道路的正常使用年限，其面層往往較平常公路面層厚，本文研究的陽江港碼頭工程，其港區(qū)道路混凝土設計強度為C35，厚度為40cm。

圖1 港區(qū)道路結(jié)構(gòu)

港區(qū)道路為多層板面結(jié)構(gòu)，在澆筑混凝土面層時，水泥漿會滲入混合料基層表面一定深度，凝固后使基層與面層粘結(jié)成整體。但隨著混凝土產(chǎn)生的收縮、溫度變形以及混凝土面層被分割多塊尺寸均勻的矩形板后導致粘結(jié)層破壞，從而使面層與基層相互分離，因此，港區(qū)道路結(jié)構(gòu)層之間呈彼此分離狀態(tài)。

港區(qū)道路排水系統(tǒng)因道路直接與堆場銜接，所以通常采用路表引流匯集排水的方式，通過路拱橫坡將雨水匯集到分布在路面兩側(cè)的篦井中。雨水井一般設置在路中間，篦井通過橫向排水管與雨水井連接，雨水井間再通過豎向排水管相連形成了港區(qū)道路排水網(wǎng)，但由于排水井的存在，造成了其所處的路面板塊呈凹形。

上述對港區(qū)道路結(jié)構(gòu)特點分析表明，港區(qū)道路路面屬于大體積混凝土面層，大體積混凝路面在施工、養(yǎng)生階段導致界面破壞作用的應力有：干縮、溫縮以及由溫度產(chǎn)生的翹曲應力，其中，干縮和溫縮應力起主要作用。開放交通后，車輛荷載成為造成路面結(jié)構(gòu)破壞的主要應力，當面層受載后，動態(tài)荷載、隨機荷載及自重等將層層傳遞至無限深的路基，無論是哪一結(jié)構(gòu)層質(zhì)量出現(xiàn)問題都將影響路面使用功能。此外，港區(qū)道路功能層間層層分離，即面層與基層間存在一定的縫隙，這將進一步加劇基層水毀的危害。

2.港區(qū)道路混凝土裂縫的特征

水泥混凝土開裂形式多樣，由于時間上的差異，水泥混凝土路面開裂按時間段可分為早期、使用階段和后期階段，早期裂縫的產(chǎn)生往往是加劇自身和導致其他階段板塊破壞的重要因素。根據(jù)裂縫深度和貫穿板厚度的差異，大致上分為表面裂縫和板塊貫穿裂縫兩種形式。按影響成因及外部因素可分為沉降裂縫、干縮裂縫、溫度裂縫、施工裂縫等。另外，按裂縫在水泥混凝土路面的延伸方向，除縱橫向裂縫外還存在斜向裂縫、交叉裂縫和圓弧形裂縫等。

在陽江港碼頭工程港區(qū)道路對裂縫分布觀測中，裂縫以橫向裂縫和縱向裂縫為主，其中，橫向裂縫的出現(xiàn)位置主要為篦井、雨水井處，即路面板塊港區(qū)道路凹形處。并且此種裂縫的出現(xiàn)時間通常為澆筑完后的1～3d，通過道路側(cè)面觀查，橫向裂縫貫穿板厚導致斷板，其寬度可達1～3mm。而縱向裂縫主要集中在路面板塊中間部位，裂縫開始時為細微裂縫，但隨著交通的開放，裂縫就會沿著板塊沿長度方向發(fā)展直至縱向貫穿整個板塊并不斷加寬。

3.路面裂縫產(chǎn)生的原因

為了深入探究陽江港碼頭工程港區(qū)道路開裂的原因，因此對個別開裂板塊進行了鑿除，鑿除后發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)開裂板塊所處基層完好，個別基層表面存在裂縫，且其裂縫與板塊裂縫位置幾乎重疊。本文結(jié)合港區(qū)道路結(jié)構(gòu)以及開裂特征，分析如下：

（1）路基發(fā)生沉降導致港區(qū)道路開裂。我國沿海碼頭后方區(qū)域原地質(zhì)土層絕大多數(shù)為淤泥、淤泥質(zhì)土、黏土等軟土地質(zhì)，軟基處理固結(jié)后再通過換填、碾壓形成道路堆場陸域路基，并在施工路面結(jié)構(gòu)前先對排水系統(tǒng)管網(wǎng)進行開挖、埋設及回填土壓實等工序。因此，當軟基處理效果達不到預期，或者管網(wǎng)開挖處回填土采用開挖出的原狀軟土，以及管網(wǎng)開挖回填處壓實度不滿足要求都可能導致路基發(fā)生不均勻沉降，之后反射至底基層與基層，最終使水泥混凝土路面產(chǎn)生裂縫。

（2）基層裂縫與水毀作用導致港區(qū)道路開裂。良好的基層結(jié)構(gòu)應滿足剛度、強度和平整度要求，能為道路板面提供均勻的底部支承，并應具有足夠的水穩(wěn)定性和抗沖刷能力。一方面，當半剛性基層由于施工不規(guī)范而產(chǎn)生干縮、溫縮裂縫，其強度在外界因素下加劇下降，隨著時間推移、行車荷載作用下導致基層裂縫不斷擴大，致使裂縫反射上層或混凝土面板在受荷時承受超過自身彎拉強度的應力，從而促使路面產(chǎn)生裂縫；另一方面，港區(qū)道路在投入使用過程中，密封性的不良導致水分進入路面結(jié)構(gòu)層，作用在結(jié)構(gòu)層內(nèi)的水對基層造成了沖刷破壞，使其強度降低，進而影響路面結(jié)構(gòu)承載力。此外，在港區(qū)繁多的重載車輛反復作用下，基層與面層間的水就會形成具有較大壓力與速度的水流，水流不斷沖刷基層混合料并使其從縫隙中噴出，最終導致板塊脫空從而使港區(qū)道路開裂。

（3）水泥混凝土路面澆筑完成后產(chǎn)生較大的溫度應力導致開裂。前述介紹過在重載交通下的港區(qū)道路面層具有較厚的特性，一次性施工面積較大，屬于大體積混凝土施工范疇，而溫度裂縫普遍被認為是大體積混凝土構(gòu)件的主要病害之一。水泥混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì)，澆筑完成的混凝土路面，由于水泥水化熱作用而不斷放出熱量使施工完成的路面溫度上升。大量試驗研究表明：在水泥混凝土硬化可承受的范圍內(nèi)，混凝土結(jié)構(gòu)溫度上升1℃，每米就會膨脹1mm。溫度變形對大體積混凝土質(zhì)量控制極為不利，因為當路面體積較大時，水泥產(chǎn)生熱量會聚集路面內(nèi)部不易散發(fā)，導致混凝土路面內(nèi)部溫度越積越高，使其內(nèi)部混凝土產(chǎn)生了顯著的膨脹變形。此外，混凝土路面在濕水覆蓋養(yǎng)護的條件下，隨著夜晚外部氣溫降低而收縮，因內(nèi)外溫差過大水泥混凝土路面就會產(chǎn)生較大的拉應力，當超過混凝土當時的極限抗拉強度時就會導致水泥混凝土路面開裂。

（4）水泥混凝土路面澆筑前未充分潤濕基層及養(yǎng)護不當導致路面開裂。混凝土路面澆筑前首先對基層面清理和潤濕，這是混凝土路面澆筑前必不可少的工序。但由于水泥穩(wěn)定碎石基層具有較強的吸水能力，在基層未充分潤濕就澆筑的情況下，基層將會對澆筑完成后的混凝土路面底部進行“吸水”，從而造成混凝土內(nèi)部水分減少；受港口海洋環(huán)境影響，若混凝土澆筑完后沒有及時覆蓋、充分養(yǎng)護，其表面的水分蒸發(fā)將加快，以至于超過了混凝土泌水的速度，致使表面干燥收縮較快。因此，由基層未充分潤濕及養(yǎng)護不及時造成的混凝土水分流失，在得不到補充的情況下，都將進一步加劇內(nèi)外溫度差和干燥收縮從而導致路面開裂。

（5）水泥混凝土路面因截面突變導致應力集中導致路面開裂。裂縫分布觀測表明，橫向裂縫在港區(qū)道路兩側(cè)篦井與中間雨水井處呈現(xiàn)規(guī)則性開裂（圖2）。針對這一現(xiàn)象進行了大量的試驗段工作，結(jié)果表明，當已經(jīng)凝結(jié)硬化的混凝土路面溫度開始下降時，混凝土路面會產(chǎn)生收縮，此時，需要在混凝土路面切割縮縫誘導收縮導致開裂的位置及方向。但由于雨水井、雙篦雨水井修建在路面上，造成水泥混凝土路面截面形狀發(fā)生改變從而導致應力集中在截面突變處。因此，若當路面切縫深度較淺、切縫不及時或切縫位置離篦井、雨水井較遠時，切縫的引導裂縫效果較截面突變處的引導裂縫效果差，最終致使開裂位置出現(xiàn)在井邊。

圖2 井邊裂縫

4.港區(qū)厚板道路開裂預防措施關(guān)鍵點

結(jié)合陽江港碼頭工程港區(qū)道路開裂原因分析，路面裂縫的產(chǎn)生既有內(nèi)部因素又有外部因素，因此，預防措施的制定與實施應綜合考慮。本文在一般的混凝土質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合港區(qū)道路結(jié)構(gòu)和裂縫開裂特點提出以下幾點預防措施關(guān)鍵點：

（1）提高路基承載力。良好的基底承載力是保證路基穩(wěn)定性和減小工后沉降的關(guān)鍵與前提。所以，應加強港口陸域軟基處理施工監(jiān)控與固結(jié)質(zhì)量檢測工作，選用水穩(wěn)性好、強度高的粒料材料作為路基表層并提升壓實度。對管網(wǎng)開挖處，選用優(yōu)質(zhì)填土材料回填或原狀土摻灰處理之后再用壓實機具壓實，以防止出現(xiàn)路基壓實度不均現(xiàn)象，使路基承載力滿足要求。

（2）提高基層施工技術(shù)，確保其承載力與穩(wěn)定性。在施工過程中，應從配合比、攪拌、運輸卸料、攤鋪、碾壓及養(yǎng)護加以控制，并做好后期的檢測工作。多年工程經(jīng)驗表明，碾壓工藝是決定基層質(zhì)量的關(guān)鍵，集料在檢測含水率接近最佳含水率情況下壓實，宜采用重型壓路機先靜后動使基層形成密實骨架結(jié)構(gòu)，再采用膠輪壓路機將表面粒料揉搓緊密的機械組合方式。若混合料在養(yǎng)生過程中出現(xiàn)裂縫，需對基層裂縫采用灌縫、鋪灑熱改性瀝青等方式處理。

（3）控制切縫的時間與深度，確保填縫質(zhì)量。一方面，大體積混凝土路面更應嚴格控制澆筑后的切縫時間和深度，及時解除板塊路面應力限制，釋放應力從而避免路面開裂。以切縫時間不大于10h，切縫深度為1/3～2/5板厚的標準進行控制，并對篦井、雨水井位置按設傳力桿假縫型設計縮縫，從而誘導截面突變導致的裂縫在縮縫處開裂。另一方面，為保證港區(qū)道路的密封性，應嚴格控制填縫質(zhì)量，并根據(jù)路面上填縫料的損壞情況及時清縫和補灌，防止接縫處滲水致使基層水損，提高港區(qū)道路壽命。

（4）優(yōu)化路面板塊施工工藝、強化施工管理、規(guī)范施工行為對預防裂縫具有積極作用。例如：使用先進的攤鋪設備；確保澆筑前基層的養(yǎng)護潤濕與澆筑后的養(yǎng)生、溫度控制按要求實施；正確使用傳力桿、拉桿；控制混凝土坍落度，振搗到位，同時確保澆筑連續(xù)性；禁止工人隨意加大拌合用水等等。混凝土路面早期裂縫與施工因素密切相關(guān)，并非單純的技術(shù)問題，防止裂縫的產(chǎn)生很大程度上取決于科學的施工管理、正確的施工操作規(guī)程。

5.結(jié)論

本文結(jié)合港區(qū)道路結(jié)構(gòu)形式，路面開裂特點，深入的分析了導致港區(qū)道路開裂的原因，并將提出的預防措施和處理方法應用于港區(qū)道路施工中，總結(jié)了一系列切實有效控制混凝土路面開裂的關(guān)鍵措施，為同類工程道路的裂縫防治提供了施工技術(shù)借鑒與參考。主要結(jié)論與建議如下：

（1）導致混凝土路面裂縫產(chǎn)生的因素，既有單一，也有多種。因此，在對裂縫的原因進行分析時，應綜合分析與研究。

（2）無論是哪一結(jié)構(gòu)層質(zhì)量出現(xiàn)問題都將影響路面使用功能。因此，層層施工質(zhì)量嚴格控制把關(guān)是鋪筑出高質(zhì)量港區(qū)道路的關(guān)鍵。

（3）港區(qū)道路養(yǎng)護期，因篦井、雨水井等構(gòu)件造成路面應力集中而產(chǎn)生裂縫的現(xiàn)象，可通過及時切縫消除。

（4）優(yōu)化施工工藝，加強溫度控制、及時養(yǎng)護、強化施工管理等對預防裂縫的產(chǎn)生具有積極作用。