趙文斌，劉建勛,張戎令,2，孫照玉,康 健

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070;2.道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，蘭州 730070)

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強風(fēng)、干寒、大溫差地區(qū)混凝土箱梁早期抗裂性分析

趙文斌1，劉建勛1,張戎令1,2，孫照玉1,康 健1

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070;2.道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，蘭州 730070)

為研究強風(fēng)、干寒、大溫差地區(qū)混凝土箱梁早期抗裂性能，對施工現(xiàn)場可行的養(yǎng)護方式進行了抗裂性能及強度對比，最終在現(xiàn)場選擇蒸汽養(yǎng)護進行混凝土箱梁養(yǎng)護。為進一步明確在蒸汽養(yǎng)護下混凝土箱梁的早期抗裂性，對箱梁水化熱溫度場和早期混凝土收縮應(yīng)變進行了測試，最終明確在大溫差、強風(fēng)、干寒地區(qū)不穩(wěn)定的蒸汽養(yǎng)護下條件下混凝土箱梁在早期水化熱及收縮作用下不產(chǎn)生裂縫，同時給出了混凝土水化熱的分布規(guī)律以及收縮應(yīng)力分布規(guī)律。

強風(fēng)干寒； 混凝土箱梁； 早期裂縫； 水化熱

1 引 言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入實施有力的促進了西部地發(fā)展。近期提出的“一帶一路”規(guī)劃涉及交通、基建等6大行業(yè)，提出以交通基礎(chǔ)設(shè)施為突破，實現(xiàn)亞洲互聯(lián)互通。在此大背景下，必將在西部地區(qū)修建更多高等級公路，以促進各項政策的落實。在我國西部山區(qū)修建高等級公路，而這些線路大多區(qū)段直接穿越大風(fēng)、干寒、晝夜大溫差地區(qū)，將不可避免地會產(chǎn)生預(yù)制混凝土箱梁開裂的問題，開裂會導(dǎo)致混凝土強度降低、抗凍、抗?jié)B減弱等危害。因而研究這種特殊氣候條件下混凝土預(yù)制箱梁溫度應(yīng)力對于開裂的影響有其必要性。

混凝土結(jié)構(gòu)澆筑完成后,在其硬化過程中會產(chǎn)生大量的熱量,熱量在混凝土中不斷積累,導(dǎo)致溫度升高。由于混凝土導(dǎo)熱性比較差,且外界環(huán)境溫度較低,混凝土外層表面通過對流和其他方式與周圍環(huán)境進行熱量交換。因此混凝土形成隨時間變化的內(nèi)部溫度高、外部表層溫度低的狀態(tài)。由此產(chǎn)生的溫度梯度可導(dǎo)致硬化過程中混凝土產(chǎn)生溫度應(yīng)力,其大小若超過混凝土抗拉強度,會導(dǎo)致混凝土開裂。同時，混泥土前期收縮也會導(dǎo)致混凝土箱梁開裂。楊孟剛[1]、王能[2]等學(xué)者對于早期混凝土箱梁溫度場進行了觀測，對溫度裂縫的控制也進行了詳細的研究和分析。對于混凝土箱梁前期水化熱的分析葉見曙[3]、王衛(wèi)鋒[4]等學(xué)者進行了詳細的溫度觀測與研究分析。黃蔚[5]、劉興法[6]等一些國外的學(xué)者對于溫度應(yīng)力與裂縫的關(guān)系進行了比較詳細的理論分析和數(shù)值模擬[7-10]，同時汪劍[11]、陳衡[12]等學(xué)者對箱梁溫度場與應(yīng)力場進行了研究和分析。袁明虎[13]、杜耀虎[14]對于混凝土早期溫度裂縫的影響因素進行了詳細的研究和分析。但是對于大溫差、干寒、強風(fēng)地區(qū)早期箱梁溫度場分析較少。在這種環(huán)境下不管是蒸養(yǎng)還是灑水或其他養(yǎng)護方式都難以控制其溫度，而溫度不確定性的變化必然引起溫度應(yīng)力變化幅度加大，從而導(dǎo)致混凝土開裂以及在種氣候下混凝土收縮更加劇烈。因此本文首先通過對大溫差、干寒、強風(fēng)地區(qū)的可行性養(yǎng)護方式進行抗裂性對比分析，選擇合適的養(yǎng)護方式，然后分析在這種養(yǎng)護方式下早期水化熱溫度應(yīng)力是否會導(dǎo)致混凝土箱梁開裂。為在這種特殊氣候防止混凝土箱梁開裂提供參考和理論指導(dǎo)。

2 試 驗

2.1 工程背景

白明高速，主線起點為內(nèi)蒙與甘肅交界的白疙瘩，終點為甘肅與新疆交界的明水附近。BM01合同段起訖樁號：K1808+000.0—K1822+000,全長13.92912 km，共設(shè)置大、中橋3座，涵洞14道，通道10處。設(shè)計采用高性能混凝土，設(shè)計年限100年,標(biāo)段內(nèi)風(fēng)速≥7 m/s，常年有強風(fēng)，晝夜溫差大，濕度常年低于35%。

2.2 混凝土配合

表1 混凝土配合比(C50)Tab.1 Concrete mix proportion

2.3 溫度傳感器及混凝土應(yīng)變計布置圖及說明

(1)圖1為梁跨中截面溫度傳感器的布置圖，可看出腹板、底板、頂板分別沿厚度方向布置3個溫度傳感計為了測試內(nèi)外溫度差，縱向的FL2-F3-FL1(fL2-f3-fL2)的布置為測梁體縱向的溫度差，橫向FL1-H3-fL2為測梁體橫向溫度分布規(guī)律。

(2)在混凝土箱梁跨中兩側(cè)腹板沿縱向和橫向分別布置3個混凝土應(yīng)變計，如圖2所示?？蓽y得混凝凝土箱梁跨中截面橫向和縱向的混凝土的收縮應(yīng)變規(guī)律。

圖1 溫度傳感計布置圖Fig.1 Temperature sensor gauge layout

圖2 混凝土應(yīng)變計布置Fig.2 Concrete strain gauge layout

2.4 試驗方案

(1)在大溫差、干寒、強風(fēng)地區(qū)利用在不同養(yǎng)護方式(SL：塑料薄膜養(yǎng)護、FS：覆沙養(yǎng)護、TG：土工布覆蓋養(yǎng)護、BZ：標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護、ZQ：蒸汽養(yǎng)護、DQ：大氣養(yǎng)護、SH：灑水養(yǎng)護)下混凝土抗裂環(huán)的抗裂性對比分析以及混凝土強度發(fā)展過程，最終給出合適的養(yǎng)護方式。然后分析在給出的養(yǎng)護方式下混凝土箱梁早期水化熱溫度場及混凝土收縮與裂縫的關(guān)系。

(2)不同養(yǎng)護方式下抗裂環(huán)試塊選擇養(yǎng)護7 d，開裂時間從拆模開始算起?；炷量箟毫⒎襟w試塊養(yǎng)護，除標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d外均養(yǎng)護 7 d，測試不同齡期(3 d、5 d、7 d、14 d、28 d、56 d)混凝土抗壓強度。同時，測試養(yǎng)護28 d下抗裂環(huán)的開裂情況，并長期觀察。

圖3 混凝土抗裂環(huán)Fig.3 Crack resistance of concrete rings

(3)選擇20 m預(yù)制箱梁進行試驗，按上圖1及圖2在箱梁跨中布置溫傳感器及混凝土應(yīng)變計，溫度計在澆筑前綁扎于鋼筋網(wǎng)上，混凝土應(yīng)變計在拆完模板之后貼于箱梁表面。

2.5 試驗方法

試驗的各組混凝土試塊都是根據(jù)表1中的配合比一次性制作完成，混凝土抗壓試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，抗裂環(huán)尺寸為425 mm×305 mm×100 mm，見圖3。根據(jù)(GB/T50081-2002)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測試各齡期混凝土試塊強度，觀察抗裂環(huán)裂情況并且記錄縱向裂縫貫穿時間及裂縫寬度。

3 結(jié)果與討論

3.1 抗裂及強度對比分析

圖4 不同養(yǎng)護下抗裂環(huán)開裂情況Fig.4 Crack ring cracked under different curing conditions

圖5 不同養(yǎng)護下混凝土強度變化曲線Fig.5 Strength development of concrete underdifferent curing curve

(1)從圖4可知，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護的開裂時間最長且裂縫寬度相對較小(最小值僅為0.06 mm)。蒸汽養(yǎng)護、塑料薄膜養(yǎng)護、覆沙養(yǎng)護、土工布覆蓋養(yǎng)護、大氣養(yǎng)護、灑水養(yǎng)護開裂時間分別可達到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)達到開裂時間的71%、27%、54%、37%、5.9%、8.6%，相比之下排除大氣養(yǎng)護、灑水養(yǎng)護及薄膜養(yǎng)護。而對于開裂寬度，除標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護以外其他養(yǎng)護方式基本與開裂時間成反比，這是因為前期混凝土抗裂環(huán)應(yīng)力大量的積累，時間越長積累的應(yīng)力就越大，釋放就更劇烈。而標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d的抗裂環(huán)在長期觀察下，不產(chǎn)生裂縫。

(2)從圖5分析可知，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d混凝土強度可達到53 MPa,土工布養(yǎng)護強度最差28 d時強度為46.5 MPa。蒸汽養(yǎng)護、塑料薄膜養(yǎng)護、覆沙養(yǎng)護、土工布覆蓋養(yǎng)護、大氣養(yǎng)護、灑水養(yǎng)護28 d強度分別可達到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d強度的99%、97.8%、97%、88%、93.6%、95.6%。

(3)綜合考慮強度及抗裂性，蒸汽養(yǎng)護抗裂時間為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護的71%，開裂寬度超過了51.11%。強度為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護的99%?？沽循h(huán)的抗裂分析只是通過對比分析給出一個相對抗裂性的好壞，仍未具體的對箱梁早期抗裂進行分析。因此需要對在這種特殊氣候下混凝土箱梁抗裂性做進一步分析。

3.2 混凝土箱梁水化熱溫度場分析

對于測試的水化熱溫度,由于數(shù)據(jù)較多，因此通過數(shù)據(jù)對比,本文中只給出一部分典型數(shù)據(jù)用于說明問題。

圖6 箱梁溫差典型分布圖Fig.6 Typical distribution of temperature differences of box girder

圖7 腹板、底板、頂板各中心典型溫度分布Fig.7 Web plate,bottom plate,roof temperature distribution typical of the centres

圖8 混凝土箱梁溫度橫向分布典型曲線Fig.8 Transverse distribution of concrete box girders temperature curves

圖9 混凝土箱梁溫度縱向分布典型曲Fig.9 Concrete box beam longitudinal temperature distribution curves

(1)從圖6可以看出每個測點水化熱時程曲線基本都是同一時間達到峰值，溫度滯差不大，但是水化熱溫度滯后于蒸養(yǎng)棚內(nèi)溫度。梁體從混凝土入模后40～44 h之內(nèi)達到溫度峰值，而梁體在自然環(huán)境下水化熱達到峰值需要72 h，說明蒸汽養(yǎng)護促進了水化反應(yīng)速度。在整個水化反應(yīng)過程中最大水化人溫度為36.4 ℃，說明這種低氣溫使降低了水化反應(yīng)溫度。從圖4可看出梁體內(nèi)外最大溫差只有4.6 ℃，小于規(guī)范要求20 ℃,升溫梯度及降溫梯度分別為0.5 ℃/h和0.23 ℃/h遠小于規(guī)范要求，因此溫度不會造成混凝土箱梁開裂，并且從現(xiàn)場觀測在養(yǎng)護期間也無裂縫產(chǎn)生。

(2)從圖6可以直觀地看出蒸汽養(yǎng)護的溫度一直在波動，而梁體的溫度也隨之波動，這將會影響到混凝土的水化過程，導(dǎo)致水化過程中溫度差過大產(chǎn)生溫度裂縫。雖然在大溫差、強風(fēng)的氣候環(huán)境下蒸汽養(yǎng)護很難保證恒溫，但在場施工過程中還是應(yīng)該盡量保證蒸汽養(yǎng)護的溫度達到恒溫或者使其溫度變化幅度不易過大。

(3)根據(jù)圖7可以分析出頂板溫度要比其它地方溫度要高，而底板的溫度最低。這是因為蒸養(yǎng)時上部溫度要高于底部溫度，同時底板位于箱梁底座之上難以充分養(yǎng)護。而兩側(cè)腹板不受外界溫度差異性的影響，因此腹板兩側(cè)溫度差異較小。

(4)根據(jù)圖8和圖9可以分析出箱梁橫向溫度差較小介于0～2 ℃之間，可以忽略溫度應(yīng)力對裂縫的影響。而縱向溫度差較大，可達到5～6 ℃這是因為在腹板與頂板連接處混凝土的體積較大，水化反應(yīng)會更劇烈更長久從而導(dǎo)致溫度相對較高，同時由于底板水化熱較慢促使縱向溫度差較大。溫差最大6 ℃小于20 ℃也不會產(chǎn)生混凝土裂縫。

3.3 混凝土箱梁收縮分析

對于混凝土應(yīng)變計所測得應(yīng)變，為了直觀的觀察應(yīng)力的時程曲線，因此通過公式σ=E×ε將混凝土的應(yīng)變轉(zhuǎn)化為應(yīng)力，做出箱梁混凝應(yīng)力變化的典型時程曲線如圖10和圖11。

(1)從圖10和圖11可以分析出，水化熱達到峰值的時間也是混凝土應(yīng)力最大的時間，最大應(yīng)力2.32 MPa小于C50混凝土抗拉標(biāo)準(zhǔn)值2.63 MPa，因此在整個蒸養(yǎng)過程中不產(chǎn)生收縮裂縫。

(2)從圖10和圖11可以分析出，混凝土箱梁在水化過程中橫向的應(yīng)力大于縱向的應(yīng)力，而且沿腹板縱向向上應(yīng)力是不斷增大，這與水化熱的變化相一致，不管是橫向應(yīng)力還縱向應(yīng)力都小于混凝土抗拉強度，因此不產(chǎn)生裂縫。

圖10 腹板縱向應(yīng)力典型分布曲線Fig.10 Distribution curve of longitudinal stress typical of the Web graph

圖11 腹板橫向應(yīng)力縱向典型分布圖Fig.11 Typical distribution of transverse stress of the Web graph

4 結(jié) 論

(1)在大溫差、干寒、強風(fēng)地區(qū)不同養(yǎng)護方式下混凝土抗裂性能由強到弱的順序分別是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護、蒸汽養(yǎng)護、覆沙養(yǎng)護、土工布包裹養(yǎng)護、薄膜養(yǎng)護、灑水養(yǎng)護、大氣養(yǎng)護;

(2)在大溫差、干寒、強風(fēng)地區(qū)不穩(wěn)定的蒸汽養(yǎng)護下混凝土水化熱兩天達到峰值，混凝土箱梁早期溫度為31 ℃，最大溫差為6 ℃小于20 ℃不產(chǎn)生裂縫，從現(xiàn)場的觀測，混凝土箱梁業(yè)未產(chǎn)生裂縫。同時，給出了這種環(huán)境下混凝土箱梁溫度分布規(guī)律;

(3)在大溫差、干寒、強風(fēng)地區(qū)不穩(wěn)定的蒸汽養(yǎng)護下混凝土早期收縮最大應(yīng)力為2.32 MPa小于抗拉設(shè)計值2.63 MPa，因此不產(chǎn)生收縮裂縫。同時給出了混凝土箱梁早期應(yīng)力分布規(guī)律;

(4)在大溫差、干寒、強風(fēng)地區(qū)蒸汽養(yǎng)護過程中蒸汽溫度變化幅度不易過大，盡量保持恒溫。同時應(yīng)考慮到大風(fēng)對蒸養(yǎng)棚的破壞，選取合理的蒸養(yǎng)方式。

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Strongly Windy and Dry Cold Large Temperature Difference Analysis on Early Cracking of Concrete Box Girder

ZHAOWen-bin1,LIUJian-xun1,ZHANGRong-ling1,2,SUNZhao-yu1,KANGJian1

(1.School of Civil Engineering Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2.Road and Bridge Engineering Disaster Prevention and Control Technology National Local Joint Engineering Laborator，Lanzhou 730070,China)

In order to study the early cracking performance of concrete box girder in strong winds, dry-cold and large temperature difference regions,feasible conservation ways of construction site were implemented to compare the crack resistance and strength.Eventually, steam curing was selected to maintain the concrete box girder in construction site.For further clarify the early crack resistance of concrete box girder under steam curing,box girder hydration heat temperature field and early concrete shrinkage strain were tested.Final results showed that under the early heat of hydration and shrinkage, there is no crack on concrete box girder under the condition of unstable steam curing in strong winds, dry-cold and large temperature difference regions,while to out has concrete hydration hot of distribution law and stress distribution law.

strong dry cold;concrete box girder;early crack;heat of hydration

長江學(xué)者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃滾動支持(IRT15R29)；隴原青年創(chuàng)新人才扶持計劃；青年人才托舉工程計劃；甘肅省交通運輸廳科研項目

趙文斌(1990-)，男，碩士.主要從事特殊氣候條件下混凝土箱梁裂縫控制及預(yù)防研究.

劉建勛，教授級高工.

TQ177

A

1001-1625(2016)10-3253-05