周業(yè)榮　姬彥軍　李福林

摘要：文章基于混凝土的早期收縮開裂機理，首先闡釋了引起山區(qū)連續(xù)剛構(gòu)橋高性能混凝土早期收縮開裂的主要因素；其次開發(fā)了一套連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工期高性能混凝土的智能噴霧養(yǎng)護設(shè)備；最后制備高性能混凝土試驗梁，開展室內(nèi)養(yǎng)護效果試驗，驗證智能噴霧養(yǎng)護技術(shù)的實際應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：山區(qū)連續(xù)剛構(gòu)橋；懸臂施工；高性能混凝土；噴霧養(yǎng)護技術(shù)；收縮開裂機理 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U448 文章編號：1009-2374（2016）01-0101-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.051

1 山區(qū)連續(xù)剛構(gòu)橋高性能混凝土的早期開裂影響因素分析

1.1 連續(xù)剛構(gòu)橋墩頂工程特性

連續(xù)剛構(gòu)橋墩頂0#塊、承臺、首節(jié)墩身等均屬大體積高性能混凝土，其工程特性為：（1）主梁結(jié)構(gòu)斷面尺寸大，混凝土用量大；（2）混凝土單位體積水泥用量大，水泥水化放熱較多，絕熱溫度升大，中心溫度峰值較高，內(nèi)部溫度和環(huán)境溫度差異造成溫度梯度增大，升溫速度加快。

連續(xù)剛構(gòu)橋大體積混凝土尺寸厚而大，水泥水化散熱困難，當(dāng)大體積混凝土澆筑后混凝土初凝時，水化放熱可使內(nèi)部溫度升高達到80℃以上?；炷潦菬岬牟涣紝?dǎo)體，在后期降溫階段會產(chǎn)生很大的收縮，內(nèi)部溫度較高的混凝土對表層低溫混凝土產(chǎn)生約束應(yīng)力，當(dāng)溫度約束應(yīng)力大于所處齡期混凝土的極限抗拉強度時，混凝土表層首先產(chǎn)生表面裂縫，而表面裂縫是深層裂縫和貫穿裂縫產(chǎn)生的充分條件。表面裂縫形成之后，大體積混凝土的中心溫度還是處于較高水平，外界溫度低，降溫速率快，混凝土內(nèi)形成非線性溫度場，引起溫度應(yīng)力，進而在表面裂縫的端部的溫度應(yīng)力集中區(qū)域引起裂縫向縱深發(fā)展。當(dāng)整個斷面都受拉應(yīng)力時，就會形成貫穿性裂縫。貫穿性裂縫不僅使結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新分布，還導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的鋼筋裸露、加速腐蝕，為橋梁整體結(jié)構(gòu)的破壞埋下隱患。因此，控制連續(xù)剛構(gòu)橋大體積混凝土的根本問題就是在要在源頭上預(yù)防其表面裂縫的產(chǎn)生。

1.2 高性能混凝土水化作用與早期裂縫間的關(guān)系

混凝土各項性能的發(fā)展都依賴于水泥的水化作用過程。高性能混凝土采用較低水灰比，減少用水量，這樣多余水分?jǐn)U散形成的孔隙減少，同時內(nèi)部顆粒堆積密實，孔隙較少，水化產(chǎn)生較少的產(chǎn)物即可填充孔隙達到較高強度，早期強度增長較快。高效外加劑和超細礦物質(zhì)的添加使其水化程度進一步增大，密實性更好，強度也隨之提高。但隨著水化過程的進行，大體積混凝土水化過程中混凝土內(nèi)部溫度急劇升高，此時混凝土彈性模量很小，引起的壓應(yīng)力較小。待水化速率減小，溫度回落時，彈模變大，在約束條件下混凝土內(nèi)部收縮產(chǎn)生較大拉應(yīng)力可導(dǎo)致混凝土開裂。另外，當(dāng)混凝土內(nèi)外溫度梯度很大時，混凝土中的毛細水、自由水以及部分吸附水會產(chǎn)生蒸發(fā)的現(xiàn)象，若水蒸氣的壓力達到一定值，混凝土將產(chǎn)生爆裂。

因此，采取有效的降溫措施降低高性能混凝土在澆筑后水化過程中的溫度變化幅度，是減少高性能混凝土產(chǎn)生早期裂縫的有效措施。

1.3 山區(qū)氣候條件與高性能混凝土早期裂縫間的關(guān)系

1.3.1 早期溫度收縮開裂。連續(xù)剛構(gòu)橋高性能混凝土澆筑后會發(fā)生急劇的水化作用，使內(nèi)部溫度不斷升高，混凝土處于快速升溫的階段，在澆筑完畢至溫度達到最高的過程中，一直存在熱交換，混凝土內(nèi)部熱量與外界環(huán)境發(fā)生熱交換后內(nèi)部溫度可逐漸降低。在這個溫度降低的過程中，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度，就會產(chǎn)生溫降收縮裂縫。

山區(qū)晝夜溫差大，可導(dǎo)致混凝土內(nèi)外表面、外表面與外界環(huán)境之間均產(chǎn)生較大的溫差，由溫差引起的溫度梯度會使高性能混凝土產(chǎn)生溫度收縮開裂。

1.3.2 早期干燥收縮開裂?；炷翝仓蠹撮_始與外界環(huán)境進行濕度交換，其內(nèi)部的相對濕度不斷降低，產(chǎn)生濕度梯度。尤其在混凝土的表面，濕度梯度極大，可引發(fā)收縮變形裂縫。另外，混凝土內(nèi)部水泥水化過程必然會消耗混凝土內(nèi)部的水分，當(dāng)外界水分不能及時供給到混凝土內(nèi)部或當(dāng)水泥水化過程中的耗水速率大于外界水分通過毛細管道向混凝土內(nèi)部的補給速率時，混凝土由此引發(fā)收縮開裂。

山區(qū)地形復(fù)雜，局部風(fēng)特性與平原區(qū)有較大差異，剛構(gòu)橋主梁迎風(fēng)面積較大，加之懸臂施工過程中無法對腹板和梁肋外側(cè)進行有效曬水養(yǎng)護，導(dǎo)致橋梁混凝土結(jié)構(gòu)表面的水分流失速度加快，易引起高性能混凝土發(fā)生早期干燥收縮開裂。

上述分析表明，在山區(qū)連續(xù)剛構(gòu)橋高性能混凝土澆筑初凝后需要開展有效的早期養(yǎng)護措施，將高性能混凝土的濕度和溫度控制在合適的范圍之內(nèi)，保持水泥等膠凝材料的水化作用持續(xù)進行，促進混凝土逐步成熟和硬化，使高性能混凝土的強度達到設(shè)計要求，減少早期收縮裂縫的產(chǎn)生。

2 連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工期高性能混凝土噴霧養(yǎng)護設(shè)備開發(fā)

2.1 高性能混凝土噴霧養(yǎng)護優(yōu)勢分析

養(yǎng)護的最終目的是要給混凝土補充損失的水分。目前，國內(nèi)外對高性能混凝土的養(yǎng)護方式主要有水養(yǎng)護、密封養(yǎng)護及特殊養(yǎng)護方法三種。混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和耐久性，其中噴霧養(yǎng)護可從混凝土養(yǎng)護的最佳開始時間開始養(yǎng)護，可調(diào)節(jié)補水量以適應(yīng)相應(yīng)的混凝土齡期，不會對混凝土表面造成沖刷，同時干燥的混凝土表面對噴霧的吸收效果比直接灑水好，因此是養(yǎng)護效果最好、最易控制的養(yǎng)護方式。

2.2 智能噴霧養(yǎng)護設(shè)備開發(fā)

本文針對山區(qū)大跨徑特大橋高性能混凝土的高空保濕養(yǎng)護實際要求，根據(jù)連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂的施工特點，結(jié)合國內(nèi)外混凝土噴霧養(yǎng)護理論，開發(fā)了一套可無線遠程控制的混凝土智能噴霧養(yǎng)護設(shè)備。

3 高性能混凝土智能噴霧養(yǎng)護效果試驗研究

3.1 試驗方案

方案如下：（1）以在建麻昭高速公路牛家溝特大橋?qū)嶋H工程為背景制備室內(nèi)試驗梁，原材料與混凝土配合比與實際工程一致，采用C55高性能混凝土澆筑。試驗梁澆筑初凝后拆模，架設(shè)智能噴霧養(yǎng)護設(shè)備；（2）試驗梁總長5m，對其中一側(cè)3m進行智能噴霧養(yǎng)護，另一側(cè)2m進行傳統(tǒng)曬水養(yǎng)護，對比驗證養(yǎng)護效果；（3）運行過程中，設(shè)備通過溫度與濕度檢測傳感器自動調(diào)節(jié)運行參數(shù)（養(yǎng)護循環(huán)次數(shù)與養(yǎng)護時間間隔）；（4）養(yǎng)護至14日時停止養(yǎng)護，觀測梁體表面裂縫，基于裂縫分維值定量化評價智能噴霧養(yǎng)護與傳統(tǒng)曬水兩種養(yǎng)護效果。

3.2 試驗梁的制備

采用混合砂，即機制砂和山砂混合用，進行級配調(diào)整，含泥量0.4%，泥塊含量0.2%，石粉含量4%，表觀密度2650kg/m3，堆集密度1680kg/m3，空隙率37%，細度模數(shù)為2.8，屬于中砂。

3.3 基于分形幾何理論的高性能混凝土智能噴霧早期養(yǎng)護效果評價

（1）對混凝土表面進行近景攝影，繪制梁兩側(cè)面控制點坐標(biāo)，以間距20cm為控制步長，將所有控制點在圖像上標(biāo)出，對每個邊長為20cm的正方形進行編號（編號由兩組數(shù)字位置組成：第一組數(shù)字代表用自然灑水養(yǎng)護的試驗梁；第二組數(shù)字代表用智能噴霧養(yǎng)護設(shè)備進行養(yǎng)護的試驗梁）。（2）利用攝影相機對每個正方形拍照，圖像匯總后，根據(jù)每個近景攝影的圖片，得到試驗梁裂縫的一總體表觀信息表；（3）對試驗梁兩側(cè)各結(jié)構(gòu)面不同尺度裂縫所占的格數(shù)進行統(tǒng)計。

對每種尺度下含有裂縫的格子數(shù)進行統(tǒng)計，若各個點的連接曲線滿足線性關(guān)系，則說明混凝土結(jié)構(gòu)表面裂縫滿足自相似性，可以用分形幾何理論來進行研究。對上述坐標(biāo)點用最小二乘法進行最佳線性擬合之后的直線的斜率就是試驗梁表觀裂縫分布的分維值，利用最小二乘法進行最佳線性擬合。各直線上方的函數(shù)式用來表示經(jīng)過擬合后的直線斜率代表裂縫分布的分維值D，將兩種養(yǎng)護條件下的分維值匯總整理，對數(shù)據(jù)分析可知：用智能噴霧養(yǎng)護設(shè)備進行養(yǎng)護的試驗梁節(jié)段，2個側(cè)面的表面裂縫的分維值均小于自然灑水養(yǎng)護的分維值，表明高性能混凝土應(yīng)用噴霧養(yǎng)護技術(shù)比傳統(tǒng)曬水養(yǎng)護的早期開裂程度下降了13%，證明了本文開發(fā)的智能噴霧養(yǎng)護設(shè)備的養(yǎng)護效果優(yōu)于傳統(tǒng)曬水養(yǎng)護方式的。另外，通過對比自然灑水養(yǎng)護表面裂縫分布圖像與智能噴霧養(yǎng)護表面裂縫分布圖像，可證明分維值的大小可反映出混凝土表面損傷開裂程度、密集程度之間的差異。

通過傳統(tǒng)灑水養(yǎng)護后試驗梁表面的早期收縮裂縫的分布密集程度高，分形多而復(fù)雜，與采用分形幾何學(xué)統(tǒng)計后的分維值數(shù)據(jù)是吻合的，說明采用智能自動化噴霧養(yǎng)護設(shè)備對試驗梁的養(yǎng)護，對于控制高性能混凝土早期收縮裂縫的效果是比較好的，有利于提高橋梁高性能混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和強度。

4 結(jié)語

經(jīng)研究表明：（1）應(yīng)用混凝土噴霧養(yǎng)護技術(shù)，可提高山區(qū)連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工期的養(yǎng)護效率。通過開展室內(nèi)噴霧養(yǎng)護效果試驗，驗證了該系統(tǒng)運行效果較好；（2）自動化智能噴霧養(yǎng)護設(shè)備可根據(jù)混凝土所處的山區(qū)環(huán)境條件實時調(diào)節(jié)養(yǎng)護頻率，噴霧形狀，因此工程應(yīng)用性能良好，可在施工中進行推廣；（3）利用分形幾何方法，可對具有隨機性、非線性的混凝土裂縫進行定量化描述。通過計算裂縫的分維值，可定量地計算噴霧養(yǎng)護后的高性能混凝土收縮開裂程度相對灑水養(yǎng)護減少了9%～15%，試驗梁表面裂縫分布的密集程度和復(fù)雜程度減少了50%，因此噴霧養(yǎng)護對減少開裂、防止裂縫集中出現(xiàn)非常有效。

參考文獻

[1] 郭保林，孔祥明.保濕養(yǎng)護方法對混凝土微觀結(jié)構(gòu)影響的研究[J].混凝土世界，2010，26（10）.

[2] 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范（JTG/T F50-2011）[S].北京：人民交通出版社，2011.

[3] Z Y Shi，S S.Law，L M.Zhang.Structural damage detection from modal strain energy change[J].Journal of Engineering Mechanics，2000，126（12）.

[4] 周強新.混凝土結(jié)構(gòu)表觀損傷特征的數(shù)據(jù)模型研究

[D].武漢理工大學(xué)，2008.

（責(zé)任編輯：黃銀芳）