梁板式高桩码头港区厚板混凝土道路裂缝成因与防治

余细强 庞振鑫 保利长大工程有限公司

港口作为临海城市综合运输的重要枢纽，已成为全球货物供应链上不可替代的重要节点。梁板式高桩码头是我国港口建设以来应用最为广泛结构之一，大型高桩码头建设工程通常包含码头泊位本身、与码头相连的引桥以及后方供货物装卸、装运和临时堆放的陆域堆场三个主要部分。港区道路作为供流动机械设备、大型运输车辆的通道，交通繁重，往往具有重载交通特性。水泥混凝土路面是港区道路最常见形式，但由于水泥混凝土路面结构层影响因素多、控制难度大、材料质量对外部环境敏感等缺点，使港区道路路面开裂成为了目前普遍存在的质量病害。裂缝的存在不仅影响了外观质量，尤其在港区重载车辆、雨水的长期作用下还会造成不同形式的破坏，如：裂缝加剧、板块错台、网状开裂等，致使水泥混凝土道路维修困难的弱点在港口进一步凸显。

港区水泥混凝土路面开裂是长期困扰工程技术人员难题，本文基于阳江港码头工程实例进行研究，通过现场观测对裂缝的成因进行分析，并将提出的预防措施和处理方法应用于道路的施工中，总结了一系列切实有效的预防混凝土路面开裂措施，为港区水泥混凝土路面结构施工提供了质量保证。

1.港区道路的结构形式

阳江港码头工程港区道路结构层由面层、基层、底基层从上至下依次组成，荷载传递路径明确。首先由面层直接承受车辆在行驶过程中车轮轴载重的动态荷载作用和自然因素影响，此时，面层作为道路结构的直接承重层。然后，由设置在面层之下的基层作为主要承重结构，与面层一起将荷载传布到底基层。最后通过作为次要承重结构的底基层将承受的荷载作用传递至路基，从而减小路基顶面的压应力。如图1所示，其中，底基层采用级配碎石材料，为柔性材料结构层，具有渗透性好、适应性强、加强承载力、分散路基应力以及改善基层水温状态等特点。而基层采用水泥稳定碎石半刚性材料，具有成本低、整体性好等特点，但对湿度、温度较敏感。港区道路因交通流量大、车辆速度快以及常年受重载超载运输车辆的作用，因此对路面结构的强度和行车安全性都有较高的要求。为了确保港区道路的正常使用年限，其面层往往较平常公路面层厚，本文研究的阳江港码头工程，其港区道路混凝土设计强度为C35，厚度为40cm。

图1 港区道路结构

港区道路为多层板面结构，在浇筑混凝土面层时，水泥浆会渗入混合料基层表面一定深度，凝固后使基层与面层粘结成整体。但随着混凝土产生的收缩、温度变形以及混凝土面层被分割多块尺寸均匀的矩形板后导致粘结层破坏，从而使面层与基层相互分离，因此，港区道路结构层之间呈彼此分离状态。

港区道路排水系统因道路直接与堆场衔接，所以通常采用路表引流汇集排水的方式，通过路拱横坡将雨水汇集到分布在路面两侧的篦井中。雨水井一般设置在路中间，篦井通过横向排水管与雨水井连接，雨水井间再通过竖向排水管相连形成了港区道路排水网，但由于排水井的存在，造成了其所处的路面板块呈凹形。

上述对港区道路结构特点分析表明，港区道路路面属于大体积混凝土面层，大体积混凝路面在施工、养生阶段导致界面破坏作用的应力有：干缩、温缩以及由温度产生的翘曲应力，其中，干缩和温缩应力起主要作用。开放交通后，车辆荷载成为造成路面结构破坏的主要应力，当面层受载后，动态荷载、随机荷载及自重等将层层传递至无限深的路基，无论是哪一结构层质量出现问题都将影响路面使用功能。此外，港区道路功能层间层层分离，即面层与基层间存在一定的缝隙，这将进一步加剧基层水毁的危害。

2.港区道路混凝土裂缝的特征

水泥混凝土开裂形式多样，由于时间上的差异，水泥混凝土路面开裂按时间段可分为早期、使用阶段和后期阶段，早期裂缝的产生往往是加剧自身和导致其他阶段板块破坏的重要因素。根据裂缝深度和贯穿板厚度的差异，大致上分为表面裂缝和板块贯穿裂缝两种形式。按影响成因及外部因素可分为沉降裂缝、干缩裂缝、温度裂缝、施工裂缝等。另外，按裂缝在水泥混凝土路面的延伸方向，除纵横向裂缝外还存在斜向裂缝、交叉裂缝和圆弧形裂缝等。

在阳江港码头工程港区道路对裂缝分布观测中，裂缝以横向裂缝和纵向裂缝为主，其中，横向裂缝的出现位置主要为篦井、雨水井处，即路面板块港区道路凹形处。并且此种裂缝的出现时间通常为浇筑完后的1～3d，通过道路侧面观查，横向裂缝贯穿板厚导致断板，其宽度可达1～3mm。而纵向裂缝主要集中在路面板块中间部位，裂缝开始时为细微裂缝，但随着交通的开放，裂缝就会沿着板块沿长度方向发展直至纵向贯穿整个板块并不断加宽。

3.路面裂缝产生的原因

为了深入探究阳江港码头工程港区道路开裂的原因，因此对个别开裂板块进行了凿除，凿除后发现绝大多数开裂板块所处基层完好，个别基层表面存在裂缝，且其裂缝与板块裂缝位置几乎重叠。本文结合港区道路结构以及开裂特征，分析如下：

（1）路基发生沉降导致港区道路开裂。我国沿海码头后方区域原地质土层绝大多数为淤泥、淤泥质土、黏土等软土地质，软基处理固结后再通过换填、碾压形成道路堆场陆域路基，并在施工路面结构前先对排水系统管网进行开挖、埋设及回填土压实等工序。因此，当软基处理效果达不到预期，或者管网开挖处回填土采用开挖出的原状软土，以及管网开挖回填处压实度不满足要求都可能导致路基发生不均匀沉降，之后反射至底基层与基层，最终使水泥混凝土路面产生裂缝。

（2）基层裂缝与水毁作用导致港区道路开裂。良好的基层结构应满足刚度、强度和平整度要求，能为道路板面提供均匀的底部支承，并应具有足够的水稳定性和抗冲刷能力。一方面，当半刚性基层由于施工不规范而产生干缩、温缩裂缝，其强度在外界因素下加剧下降，随着时间推移、行车荷载作用下导致基层裂缝不断扩大，致使裂缝反射上层或混凝土面板在受荷时承受超过自身弯拉强度的应力，从而促使路面产生裂缝；另一方面，港区道路在投入使用过程中，密封性的不良导致水分进入路面结构层，作用在结构层内的水对基层造成了冲刷破坏，使其强度降低，进而影响路面结构承载力。此外，在港区繁多的重载车辆反复作用下，基层与面层间的水就会形成具有较大压力与速度的水流，水流不断冲刷基层混合料并使其从缝隙中喷出，最终导致板块脱空从而使港区道路开裂。

（3）水泥混凝土路面浇筑完成后产生较大的温度应力导致开裂。前述介绍过在重载交通下的港区道路面层具有较厚的特性，一次性施工面积较大，属于大体积混凝土施工范畴，而温度裂缝普遍被认为是大体积混凝土构件的主要病害之一。水泥混凝土具有热胀冷缩性质，浇筑完成的混凝土路面，由于水泥水化热作用而不断放出热量使施工完成的路面温度上升。大量试验研究表明：在水泥混凝土硬化可承受的范围内，混凝土结构温度上升1℃，每米就会膨胀1mm。温度变形对大体积混凝土质量控制极为不利，因为当路面体积较大时，水泥产生热量会聚集路面内部不易散发，导致混凝土路面内部温度越积越高，使其内部混凝土产生了显著的膨胀变形。此外，混凝土路面在湿水覆盖养护的条件下，随着夜晚外部气温降低而收缩，因内外温差过大水泥混凝土路面就会产生较大的拉应力，当超过混凝土当时的极限抗拉强度时就会导致水泥混凝土路面开裂。

（4）水泥混凝土路面浇筑前未充分润湿基层及养护不当导致路面开裂。混凝土路面浇筑前首先对基层面清理和润湿，这是混凝土路面浇筑前必不可少的工序。但由于水泥稳定碎石基层具有较强的吸水能力，在基层未充分润湿就浇筑的情况下，基层将会对浇筑完成后的混凝土路面底部进行“吸水”，从而造成混凝土内部水分减少；受港口海洋环境影响，若混凝土浇筑完后没有及时覆盖、充分养护，其表面的水分蒸发将加快，以至于超过了混凝土泌水的速度，致使表面干燥收缩较快。因此，由基层未充分润湿及养护不及时造成的混凝土水分流失，在得不到补充的情况下，都将进一步加剧内外温度差和干燥收缩从而导致路面开裂。

（5）水泥混凝土路面因截面突变导致应力集中导致路面开裂。裂缝分布观测表明，横向裂缝在港区道路两侧篦井与中间雨水井处呈现规则性开裂（图2）。针对这一现象进行了大量的试验段工作，结果表明，当已经凝结硬化的混凝土路面温度开始下降时，混凝土路面会产生收缩，此时，需要在混凝土路面切割缩缝诱导收缩导致开裂的位置及方向。但由于雨水井、双篦雨水井修建在路面上，造成水泥混凝土路面截面形状发生改变从而导致应力集中在截面突变处。因此，若当路面切缝深度较浅、切缝不及时或切缝位置离篦井、雨水井较远时，切缝的引导裂缝效果较截面突变处的引导裂缝效果差，最终致使开裂位置出现在井边。

图2 井边裂缝

4.港区厚板道路开裂预防措施关键点

结合阳江港码头工程港区道路开裂原因分析，路面裂缝的产生既有内部因素又有外部因素，因此，预防措施的制定与实施应综合考虑。本文在一般的混凝土质量控制的基础上，结合港区道路结构和裂缝开裂特点提出以下几点预防措施关键点：

（1）提高路基承载力。良好的基底承载力是保证路基稳定性和减小工后沉降的关键与前提。所以，应加强港口陆域软基处理施工监控与固结质量检测工作，选用水稳性好、强度高的粒料材料作为路基表层并提升压实度。对管网开挖处，选用优质填土材料回填或原状土掺灰处理之后再用压实机具压实，以防止出现路基压实度不均现象，使路基承载力满足要求。

（2）提高基层施工技术，确保其承载力与稳定性。在施工过程中，应从配合比、搅拌、运输卸料、摊铺、碾压及养护加以控制，并做好后期的检测工作。多年工程经验表明，碾压工艺是决定基层质量的关键，集料在检测含水率接近最佳含水率情况下压实，宜采用重型压路机先静后动使基层形成密实骨架结构，再采用胶轮压路机将表面粒料揉搓紧密的机械组合方式。若混合料在养生过程中出现裂缝，需对基层裂缝采用灌缝、铺洒热改性沥青等方式处理。

（3）控制切缝的时间与深度，确保填缝质量。一方面，大体积混凝土路面更应严格控制浇筑后的切缝时间和深度，及时解除板块路面应力限制，释放应力从而避免路面开裂。以切缝时间不大于10h，切缝深度为1/3～2/5板厚的标准进行控制，并对篦井、雨水井位置按设传力杆假缝型设计缩缝，从而诱导截面突变导致的裂缝在缩缝处开裂。另一方面，为保证港区道路的密封性，应严格控制填缝质量，并根据路面上填缝料的损坏情况及时清缝和补灌，防止接缝处渗水致使基层水损，提高港区道路寿命。

（4）优化路面板块施工工艺、强化施工管理、规范施工行为对预防裂缝具有积极作用。例如：使用先进的摊铺设备；确保浇筑前基层的养护润湿与浇筑后的养生、温度控制按要求实施；正确使用传力杆、拉杆；控制混凝土坍落度，振捣到位，同时确保浇筑连续性；禁止工人随意加大拌合用水等等。混凝土路面早期裂缝与施工因素密切相关，并非单纯的技术问题，防止裂缝的产生很大程度上取决于科学的施工管理、正确的施工操作规程。

5.结论

本文结合港区道路结构形式，路面开裂特点，深入的分析了导致港区道路开裂的原因，并将提出的预防措施和处理方法应用于港区道路施工中，总结了一系列切实有效控制混凝土路面开裂的关键措施，为同类工程道路的裂缝防治提供了施工技术借鉴与参考。主要结论与建议如下：

（1）导致混凝土路面裂缝产生的因素，既有单一，也有多种。因此，在对裂缝的原因进行分析时，应综合分析与研究。

（2）无论是哪一结构层质量出现问题都将影响路面使用功能。因此，层层施工质量严格控制把关是铺筑出高质量港区道路的关键。

（3）港区道路养护期，因篦井、雨水井等构件造成路面应力集中而产生裂缝的现象，可通过及时切缝消除。

（4）优化施工工艺，加强温度控制、及时养护、强化施工管理等对预防裂缝的产生具有积极作用。