水泥路面表面裂纹产生机理及成因分析

【摘要】表面裂纹虽然不构成水泥路面的结构性损坏，但扩展后危害很大。在现行规范的基础上，根据现场调查经验，对水泥路面的纹裂、网裂、粗集料冻融裂纹、碱集料反应裂纹的形态、测量方法、破损分级进行了梳理，对部分指标进行了调整。对这些表面裂纹的形成机理和产生原因进行了深入剖析，可为水泥路面的设计和施工提供借鉴，以避免表面裂纹的出现，延长水泥路面的使用寿命。

【关键词】水泥路面；表面破损；裂纹；机理；成因

水泥混凝土路面的表面裂纹损坏包括纹裂、网裂、粗集料冻融裂纹、碱集料反应裂纹等。这些破坏有的发生在水泥混凝土路面施工的早期，有的发生在运营期间，虽然表面裂纹暂时没有贯穿面板，但随着荷载及温度的作用，裂纹会逐渐扩展，引起面板断裂。本文结合在施工实践中发现的各种裂纹，剖析其产生机理及成因，对于预防早期裂纹的产生，对于提高水泥路面的性能及使用寿命有着重要的意义。

1. 表面纹裂和网裂

1.1 形态

纹裂、网裂均发生于面板表面层，裂缝深度未贯通板厚，没有构成结构性损坏。纹裂为混凝土板表面出现的一连串浅而细小的裂纹，网裂的主裂缝通常是纵向的，与细小的横向裂纹及随机裂缝交叉，如图1所示。

在现场调查中应记录纹裂、网裂的破损面积，量测以平方米为单位。如果纹裂、网裂不伴随着起皮，则可不进行分级。如果起皮，则裂纹面积小于板面积的10%时为中度破损，大于10%为重度起皮。

1. 2 产生机理

表面纹裂和网裂产生的机理在于塑性收缩、早期干缩以及温缩。

水泥在水化过程中会由于湿度的变化使混凝土的体积发生变化，主要是水泥-水体系的体积减少，这种体积的减缩叫做混凝土的塑性收缩。当混凝土表面未充分硬化，收缩力大于基体的抗拉强度时，就会使表面产生开裂，即产生塑性收缩裂缝，从而破坏面层表面的整体性，降低其耐久性。

干燥收缩裂缝是由于湿度变化引起的收缩，表面干缩裂缝往往发生在在混凝土水化硬化的早期，主要是由于失水引起。水泥混凝土中的水分在硬化过程中失去时，水泥浆体就会收缩，这种收缩受到混凝土中骨料的限制，很易产生裂缝。

混凝土具有热胀冷缩的性质，当外部环境或内部温度发生变化时，混凝土内部薄弱区的损伤会由于温差的变化不断加剧。在混凝土强度增长的时间段内，水泥的水化反应是一个放热反应，这种反应将使混凝土内部温度升高，产生体积膨胀，待水化反应减慢以后，混凝土体积会收缩，引起应力变化而使混凝土出现裂纹。

1.3. 产生成因

水泥路面早期裂缝的形成与材料、施工、设计有关。受材料影响大概占25%，施工引起的开裂占早期裂缝成因的80%左右，设计不当约占5%。

（1） 原材料原因

如果水泥安定性差，水泥中的游离氧化钙（f-CaO）在凝结过程中水化很慢，水泥凝结硬化后还在继续起水化作用，当f-CaO超过一定限量时，就会破坏己经硬化的水泥石或使抗拉强度下降，引起水泥浆体膨胀、开裂甚至溃散。

水泥的细度越细，混凝土越易开裂。细度大的水泥水化快，产生较大的水消耗，易引起混凝土的自干燥收缩；水泥细度太细会使毛细管细化，毛细管失水时将产生较大的张力。所以水泥的细度要同时满足不同等级公路的使用性能要求，并非越细越好，比表面积应控制在3000m2/kg左右。

水泥的水化热高，收缩大，产生过大的内应力，也易导致板的开裂。当水泥中铝酸三钙含量太大时会使混凝土凝缩时间缩短，失水加快而导致开裂。

碎石、中粗砂含泥量和有机质含量越高，混凝土越易开裂。这是由于骨料表面所带的泥和有机质妨碍了骨料与浆体之间的咬合粘结，弱化了骨料的界面结构，降低了混凝土的强度。因而在相同收缩应变的情况下，混凝土更易开裂。

（2）材料配合比设计不当

配合比设计中，对混凝土性能影响最重要的因素是单位用水量及水灰比。水泥完全水化的最低水灰比约为0.26～0.29，偏大的水灰比，会增大水泥水化初期集料表面的水膜厚度，影响混凝土强度。水灰比越大，水化物晶体颗粒愈大，其结合面取向愈加单一，在剪应力作用下更易错位。水灰比较大的地方毛细孔也越大，引起的干缩裂缝也较多。

（3） 施工原因

施工时温度掌控不当，会引起纹裂和网裂。混凝土拌和时，如果水泥或集料温度过高，会使混凝土拌和物的温度很高，在冷却、硬化过程中会使温差收缩加大，导致开裂；在气温高，湿度小，风速大的不利条件下，养生不及时或养护措施不当，会使混凝土表面水分蒸发太快，从而形成干缩裂缝。

2. 碱集料反应裂纹

2. 1形态

活性集料同水泥或外加剂中的碱发生碱-硅或碱-碳酸反应，出现凝胶或膨胀导致水泥面板破坏，引起类似于网裂但较一般网裂要深的开裂，见图2。

记录各破损程度的网裂涉及的面积，量测以平方米为单位，破损分为3个等级。

轻度--板出现网裂，面层可能变色，但未出现起皮和接缝碎裂。

中度--出现起皮和（或）接缝碎裂，沿裂缝和接缝有白色细屑。

重度--出现起皮和（或）接缝碎裂的范围发展到影响行车安全或危害轮胎，路表面有大量白色细屑。

2.2 形成机理

水泥混凝土中的碱集料反应有碱-硅酸反应和碱-碳酸盐反应两种形式[5]。碱-硅酸反应是混凝土粗集料中含有非晶质的活性二氧化硅（SiO2）与水泥中存在的碱性氧化物（Na2O、K2O）水解后生成的产物（KOH、NaOH）反应，在集料表面生成碱-硅酸凝胶体，这种胶体物质遇水膨胀后引起混凝土破坏；碱-碳酸盐反应是水泥中的碱与粗集料中的白云石之间在水的作用下反應引起体积膨胀，使混凝土开裂。与碱-硅酸反应不同的是，碱-碳酸盐反应继续产生碱，继续反复与白云石反应。

2.3 产生成因

（1）水泥含碱量大。某些地方生产的水泥含碱量大，水泥含碱量大都在1.2%以上，有的高达1.6%，加上高含碱量外加剂的使用，使单位混凝土中的含碱量增大，提供了生产碱集料反应的内在条件。

（2）相对湿度较大。当相对湿度低于80%时，混凝土不会发生碱集料反应，即相对干燥的外部环境对防止或减轻碱集料反应是有利的。如果路面排水不畅，接缝损坏，路基潮湿毛细水上升，会使得混凝土路面处于湿度较大的环境中，为碱集料反应提供了外部条件。

（3）集料的碱活性成分较高。当混凝土集料中含有较高的碱活性成分时，水泥的含碱量如果超过0.6%时，易发生碱集料反应。

3. 粗集料冻融裂纹（D裂纹）

3.1 形态

粗集料冻融裂纹是在混凝土表面接近纵横向接缝、自由边边缘或裂缝处出现的许多密布的半月型细裂纹，表面常有氢氧化钙残留物，使裂纹周围变成暗色，最终导致接缝或裂缝0.3～0.6m范围内的混凝土崩解。这种裂缝通常要到道路运营几年，甚至十几年后才会发现。

粗集料冻融裂纹的破损程度分级如下：

轻微--裂纹出现在缝或自由边附近0.3m范围内，裂纹较为细小，缝未发生碎裂，在0.3m范围内无修补痕迹。

中等--裂纹明显可见，出现在缝或自由边附近，范围大于0.3m，受影响区内的裂缝出现轻微或中等碎裂，部分小碎块散失或被填补。

严重--裂纹进一步发展，范围大于0.3m，有的达到0.6m，受影响区内裂缝出现严重碎裂，不少材料散失。散失的碎块面积达到0.1m2甚至更大，有的已经被修补。

3.2 形成机理

按照膨胀压和渗透压理论，吸水饱和混凝土在冻融过程中遭受的破坏力主要由两部分组成：其一是膨胀压力，当混凝土中的毛细孔在某负温下发生物态变化，由水转化成冰时体积膨胀，受毛细孔的约束而产生拉应力；其二是渗透压力，由于表面张力作用，混凝土中毛细孔水的冰点随着孔径的减少而降低，因而在粗孔中的水结冰后，由冰与过冷水的饱和蒸汽气压差和过冷水之间盐分浓度差引起水分迁移而形成渗透压。另外，过冷水迁移渗透结果必然会使毛细孔中冰的体积不断增大，从而形成更大的膨胀压力。当混凝土受冻时，这两种压力会损伤混凝土内部的微观结构。经过多次冻融循环后，损伤逐步积累不断扩大，当混凝土的膨胀压力超过其抗拉强度后，就会出现冻融循环破坏。

3.3 产生成因

（1） 粗集料质量是D-裂缝破坏产生的主要原因。粗集料性能不好，不能较好的承受冻融循环膨胀压力：粗集料最大公称粒径较大时产生的膨胀压力较大，产生裂纹的机率增大。饱和的粗集料在受冻时会向外排水，所以液相压力来自于砂浆，也来自粗集料颗粒本身，如果这个压力超过了粗集料的强度，它会破坏或脱离混凝土体，导致混凝土破坏。

（2） 冰冻地区及季节性寒冷地区发生粗集料冻融裂纹的机率很大，当路面排水不畅，使得水分积聚，更易引起粗集料饱水而产生冻融裂纹。

（3） 寒冷地区在撒用除冰盐时，路表的冰碴化冻会使其下方的混凝土突然受冷，温度陡降，在局部产生反复的冻融循环，加剧了冻融裂纹的产生。

4. 结论

（1）在现行规范的基础上，对纹裂和网裂、粗集料冻融裂纹的分级进行了调整，使其更符合工程测量需求。

（2）纹裂和网裂形成的机理在于塑性收缩、失水干缩和温度变化收缩，产生的原因与施工、材料及设计有关，其中施工原因为主要成因。

（3）碱集料反应裂纹的出现的机理是發生了碱-硅酸反应和碱-碳酸盐反应，与水泥含碱量大、集料碱活性成分高以及环境湿度大有关。

（4）粗集料冻融裂纹产生的机理在于发生了膨胀压力和渗透压力，产生的主要原因在于粗集料质量、环境温度以及除冰盐的过量使用。

参考文献：

1 JTJ073.1-2001，公路水泥路面养护技术规范[S].北京：人民交通出版社，2001.

2 姚祖康，水泥混凝土路面设计理论和方法[M].北京：人民交通出版社，2003.

3 李世华，道路桥梁维修技术手册[M].中国建筑工业出版社，2003.

作者简介

李鹏宇（1984.8.23），男，学历：西北工业大学工商管理学学士，单位：中铁三局集团第五工程有限公司，