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(jī)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(hù)設(shè)備；最后制備高性能混凝土試驗(yàn)梁，開展室內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果試驗(yàn)，驗(yàn)證智能噴霧養(yǎng)護(hù)技術(shù)的實(shí)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(hù)技術(shù)；收縮開裂機(jī)理 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U448 文章編號(hào)：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(tái)、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(shí)，水化放熱可使內(nèi)部溫度升高達(dá)到80℃以上。混凝土是熱的不良導(dǎo)體，在后期降溫階段會(huì)產(chǎn)生很大的收縮，內(nèi)部溫度較高的混凝土對(duì)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(qiáng)度時(shí)，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(chǎng)，引起溫度應(yīng)力，進(jìn)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(gè)斷面都受拉應(yīng)力時(shí)，就會(huì)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(wèn)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(xiàng)性能的發(fā)展都依賴于水泥的水化作用過(guò)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(shí)內(nèi)部顆粒堆積密實(shí)，孔隙較少，水化產(chǎn)生較少的產(chǎn)物即可填充孔隙達(dá)到較高強(qiáng)度，早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。高效外加劑和超細(xì)礦物質(zhì)的添加使其水化程度進(jìn)一步增大，密實(shí)性更好，強(qiáng)度也隨之提高。但隨著水化過(guò)程的進(jìn)行，大體積混凝土水化過(guò)程中混凝土內(nèi)部溫度急劇升高，此時(shí)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(shí)，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(shí)，混凝土中的毛細(xì)水、自由水以及部分吸附水會(huì)產(chǎn)生蒸發(fā)的現(xiàn)象，若水蒸氣的壓力達(dá)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(guò)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(huì)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(dá)到最高的過(guò)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(gè)溫度降低的過(guò)程中，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，就會(huì)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(huì)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(jìn)行濕度交換，其內(nèi)部的相對(duì)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(guò)程必然會(huì)消耗混凝土內(nèi)部的水分，當(dāng)外界水分不能及時(shí)供給到混凝土內(nèi)部或當(dāng)水泥水化過(guò)程中的耗水速率大于外界水分通過(guò)毛細(xì)管道向混凝土內(nèi)部的補(bǔ)給速率時(shí)，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(guò)程中無(wú)法對(duì)腹板和梁肋外側(cè)進(jìn)行有效曬水養(yǎng)護(hù)，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(hù)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(jìn)行，促進(jìn)混凝土逐步成熟和硬化，使高性能混凝土的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)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(hù)設(shè)備開發(fā)

2.1 高性能混凝土噴霧養(yǎng)護(hù)優(yōu)勢(shì)分析

養(yǎng)護(hù)的最終目的是要給混凝土補(bǔ)充損失的水分。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)高性能混凝土的養(yǎng)護(hù)方式主要有水養(yǎng)護(hù)、密封養(yǎng)護(hù)及特殊養(yǎng)護(hù)方法三種?；炷两Y(jié)構(gòu)的質(zhì)量和耐久性，其中噴霧養(yǎng)護(hù)可從混凝土養(yǎng)護(hù)的最佳開始時(shí)間開始養(yǎng)護(hù)，可調(diào)節(jié)補(bǔ)水量以適應(yīng)相應(yīng)的混凝土齡期，不會(huì)對(duì)混凝土表面造成沖刷，同時(shí)干燥的混凝土表面對(duì)噴霧的吸收效果比直接灑水好，因此是養(yǎng)護(hù)效果最好、最易控制的養(yǎng)護(hù)方式。

2.2 智能噴霧養(yǎng)護(hù)設(shè)備開發(fā)

本文針對(duì)山區(qū)大跨徑特大橋高性能混凝土的高空保濕養(yǎng)護(hù)實(shí)際要求，根據(jù)連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂的施工特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外混凝土噴霧養(yǎng)護(hù)理論，開發(fā)了一套可無(wú)線遠(yuǎn)程控制的混凝土智能噴霧養(yǎng)護(hù)設(shè)備。

3 高性能混凝土智能噴霧養(yǎng)護(hù)效果試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)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(yàn)梁，原材料與混凝土配合比與實(shí)際工程一致，采用C55高性能混凝土澆筑。試驗(yàn)梁澆筑初凝后拆模，架設(shè)智能噴霧養(yǎng)護(hù)設(shè)備；（2）試驗(yàn)梁總長(zhǎng)5m，對(duì)其中一側(cè)3m進(jìn)行智能噴霧養(yǎng)護(hù)，另一側(cè)2m進(jìn)行傳統(tǒng)曬水養(yǎng)護(hù)，對(duì)比驗(yàn)證養(yǎng)護(hù)效果；（3）運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備通過(guò)溫度與濕度檢測(cè)傳感器自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)（養(yǎng)護(hù)循環(huán)次數(shù)與養(yǎng)護(hù)時(shí)間間隔）；（4）養(yǎng)護(hù)至14日時(shí)停止養(yǎng)護(hù)，觀測(cè)梁體表面裂縫，基于裂縫分維值定量化評(píng)價(jià)智能噴霧養(yǎng)護(hù)與傳統(tǒng)曬水兩種養(yǎng)護(hù)效果。

3.2 試驗(yàn)梁的制備

采用混合砂，即機(jī)制砂和山砂混合用，進(jìn)行級(jí)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(xì)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(hù)效果評(píng)價(jià)

（1）對(duì)混凝土表面進(jìn)行近景攝影，繪制梁兩側(cè)面控制點(diǎn)坐標(biāo)，以間距20cm為控制步長(zhǎng)，將所有控制點(diǎn)在圖像上標(biāo)出，對(duì)每個(gè)邊長(zhǎng)為20cm的正方形進(jìn)行編號(hào)（編號(hào)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(hù)的試驗(yàn)梁；第二組數(shù)字代表用智能噴霧養(yǎng)護(hù)設(shè)備進(jìn)行養(yǎng)護(hù)的試驗(yàn)梁）。（2）利用攝影相機(jī)對(duì)每個(gè)正方形拍照，圖像匯總后，根據(jù)每個(gè)近景攝影的圖片，得到試驗(yàn)梁裂縫的一總體表觀信息表；（3）對(duì)試驗(yàn)梁兩側(cè)各結(jié)構(gòu)面不同尺度裂縫所占的格數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

對(duì)每種尺度下含有裂縫的格子數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，若各個(gè)點(diǎn)的連接曲線滿足線性關(guān)系，則說(shuō)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(lái)進(jìn)行研究。對(duì)上述坐標(biāo)點(diǎn)用最小二乘法進(jìn)行最佳線性擬合之后的直線的斜率就是試驗(yàn)梁表觀裂縫分布的分維值，利用最小二乘法進(jìn)行最佳線性擬合。各直線上方的函數(shù)式用來(lái)表示經(jīng)過(guò)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(hù)條件下的分維值匯總整理，對(duì)數(shù)據(jù)分析可知：用智能噴霧養(yǎng)護(hù)設(shè)備進(jìn)行養(yǎng)護(hù)的試驗(yàn)梁節(jié)段，2個(gè)側(cè)面的表面裂縫的分維值均小于自然灑水養(yǎng)護(hù)的分維值，表明高性能混凝土應(yīng)用噴霧養(yǎng)護(hù)技術(shù)比傳統(tǒng)曬水養(yǎng)護(hù)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(hù)設(shè)備的養(yǎng)護(hù)效果優(yōu)于傳統(tǒng)曬水養(yǎng)護(hù)方式的。另外，通過(guò)對(duì)比自然灑水養(yǎng)護(hù)表面裂縫分布圖像與智能噴霧養(yǎng)護(hù)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(guò)傳統(tǒng)灑水養(yǎng)護(hù)后試驗(yàn)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(jì)后的分維值數(shù)據(jù)是吻合的，說(shuō)明采用智能自動(dòng)化噴霧養(yǎng)護(hù)設(shè)備對(duì)試驗(yàn)梁的養(yǎng)護(hù)，對(duì)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(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)研究表明：（1）應(yīng)用混凝土噴霧養(yǎng)護(hù)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(hù)效率。通過(guò)開展室內(nèi)噴霧養(yǎng)護(hù)效果試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)運(yùn)行效果較好；（2）自動(dòng)化智能噴霧養(yǎng)護(hù)設(shè)備可根據(jù)混凝土所處的山區(qū)環(huán)境條件實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)養(yǎng)護(hù)頻率，噴霧形狀，因此工程應(yīng)用性能良好，可在施工中進(jìn)行推廣；（3）利用分形幾何方法，可對(duì)具有隨機(jī)性、非線性的混凝土裂縫進(jìn)行定量化描述。通過(guò)計(jì)算裂縫的分維值，可定量地計(jì)算噴霧養(yǎng)護(hù)后的高性能混凝土收縮開裂程度相對(duì)灑水養(yǎng)護(hù)減少了9%～15%，試驗(yàn)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(hù)對(duì)減少開裂、防止裂縫集中出現(xiàn)非常有效。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭保林，孔祥明.保濕養(yǎng)護(hù)方法對(duì)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(qiáng)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）