山區連續剛構橋懸臂施工期高性能混凝土噴霧養護技術研究

周業榮　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連續剛構橋高性能混凝土早期收縮開裂的主要因素；其次開發了一套連續剛構橋懸臂施工期高性能混凝土的智能噴霧養護設備；最后制備高性能混凝土試驗梁，開展室內養護效果試驗，驗證智能噴霧養護技術的實際應用效果。

關鍵詞：山區連續剛構橋；懸臂施工；高性能混凝土；噴霧養護技術；收縮開裂機理 文獻標識碼：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 山區連續剛構橋高性能混凝土的早期開裂影響因素分析

1.1 連續剛構橋墩頂工程特性

連續剛構橋墩頂0#塊、承臺、首節墩身等均屬大體積高性能混凝土，其工程特性為：（1）主梁結構斷面尺寸大，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，內部溫度和環境溫度差異造成溫度梯度增大，升溫速度加快。

連續剛構橋大體積混凝土尺寸厚而大，水泥水化散熱困難，當大體積混凝土澆筑后混凝土初凝時，水化放熱可使內部溫度升高達到80℃以上。混凝土是熱的不良導體，在后期降溫階段會產生很大的收縮，內部溫度較高的混凝土對表層低溫混凝土產生約束應力，當溫度約束應力大于所處齡期混凝土的極限抗拉強度時，混凝土表層首先產生表面裂縫，而表面裂縫是深層裂縫和貫穿裂縫產生的充分條件。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，混凝土內形成非線性溫度場，引起溫度應力，進而在表面裂縫的端部的溫度應力集中區域引起裂縫向縱深發展。當整個斷面都受拉應力時，就會形成貫穿性裂縫。貫穿性裂縫不僅使結構內力重新分布，還導致混凝土內部的鋼筋裸露、加速腐蝕，為橋梁整體結構的破壞埋下隱患。因此，控制連續剛構橋大體積混凝土的根本問題就是在要在源頭上預防其表面裂縫的產生。

1.2 高性能混凝土水化作用與早期裂縫間的關系

混凝土各項性能的發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，這樣多余水分擴散形成的孔隙減少，同時內部顆粒堆積密實，孔隙較少，水化產生較少的產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部溫度急劇升高，此時混凝土彈性模量很小，引起的壓應力較小。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部收縮產生較大拉應力可導致混凝土開裂。另外，當混凝土內外溫度梯度很大時，混凝土中的毛細水、自由水以及部分吸附水會產生蒸發的現象，若水蒸氣的壓力達到一定值，混凝土將產生爆裂。

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生早期裂縫的有效措施。

1.3 山區氣候條件與高性能混凝土早期裂縫間的關系

1.3.1 早期溫度收縮開裂。連續剛構橋高性能混凝土澆筑后會發生急劇的水化作用，使內部溫度不斷升高，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，混凝土內部熱量與外界環境發生熱交換后內部溫度可逐漸降低。在這個溫度降低的過程中，混凝土內部產生拉應力，拉應力超過混凝土的抗拉強度，就會產生溫降收縮裂縫。

山區晝夜溫差大，可導致混凝土內外表面、外表面與外界環境之間均產生較大的溫差，由溫差引起的溫度梯度會使高性能混凝土產生溫度收縮開裂。

1.3.2 早期干燥收縮開裂。混凝土澆筑后即開始與外界環境進行濕度交換，其內部的相對濕度不斷降低，產生濕度梯度。尤其在混凝土的表面，濕度梯度極大，可引發收縮變形裂縫。另外，混凝土內部水泥水化過程必然會消耗混凝土內部的水分，當外界水分不能及時供給到混凝土內部或當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部的補給速率時，混凝土由此引發收縮開裂。

山區地形復雜，局部風特性與平原區有較大差異，剛構橋主梁迎風面積較大，加之懸臂施工過程中無法對腹板和梁肋外側進行有效曬水養護，導致橋梁混凝土結構表面的水分流失速度加快，易引起高性能混凝土發生早期干燥收縮開裂。

上述分析表明，在山區連續剛構橋高性能混凝土澆筑初凝后需要開展有效的早期養護措施，將高性能混凝土的濕度和溫度控制在合適的范圍之內，保持水泥等膠凝材料的水化作用持續進行，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計要求，減少早期收縮裂縫的產生。

2 連續剛構橋懸臂施工期高性能混凝土噴霧養護設備開發

2.1 高性能混凝土噴霧養護優勢分析

養護的最終目的是要給混凝土補充損失的水分。目前，國內外對高性能混凝土的養護方式主要有水養護、密封養護及特殊養護方法三種。混凝土結構的質量和耐久性，其中噴霧養護可從混凝土養護的最佳開始時間開始養護，可調節補水量以適應相應的混凝土齡期，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，因此是養護效果最好、最易控制的養護方式。

2.2 智能噴霧養護設備開發

本文針對山區大跨徑特大橋高性能混凝土的高空保濕養護實際要求，根據連續剛構橋懸臂的施工特點，結合國內外混凝土噴霧養護理論，開發了一套可無線遠程控制的混凝土智能噴霧養護設備。

3 高性能混凝土智能噴霧養護效果試驗研究

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實際工程為背景制備室內試驗梁，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，架設智能噴霧養護設備；（2）試驗梁總長5m，對其中一側3m進行智能噴霧養護，另一側2m進行傳統曬水養護，對比驗證養護效果；（3）運行過程中，設備通過溫度與濕度檢測傳感器自動調節運行參數（養護循環次數與養護時間間隔）；（4）養護至14日時停止養護，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護與傳統曬水兩種養護效果。

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護效果評價

（1）對混凝土表面進行近景攝影，繪制梁兩側面控制點坐標，以間距20cm為控制步長，將所有控制點在圖像上標出，對每個邊長為20cm的正方形進行編號（編號由兩組數字位置組成：第一組數字代表用自然灑水養護的試驗梁；第二組數字代表用智能噴霧養護設備進行養護的試驗梁）。（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）對試驗梁兩側各結構面不同尺度裂縫所占的格數進行統計。

對每種尺度下含有裂縫的格子數進行統計，若各個點的連接曲線滿足線性關系，則說明混凝土結構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。各直線上方的函數式用來表示經過擬合后的直線斜率代表裂縫分布的分維值D，將兩種養護條件下的分維值匯總整理，對數據分析可知：用智能噴霧養護設備進行養護的試驗梁節段，2個側面的表面裂縫的分維值均小于自然灑水養護的分維值，表明高性能混凝土應用噴霧養護技術比傳統曬水養護的早期開裂程度下降了13%，證明了本文開發的智能噴霧養護設備的養護效果優于傳統曬水養護方式的。另外，通過對比自然灑水養護表面裂縫分布圖像與智能噴霧養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。

通過傳統灑水養護后試驗梁表面的早期收縮裂縫的分布密集程度高，分形多而復雜，與采用分形幾何學統計后的分維值數據是吻合的，說明采用智能自動化噴霧養護設備對試驗梁的養護，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構的耐久性和強度。

4 結語

經研究表明：（1）應用混凝土噴霧養護技術，可提高山區連續剛構橋懸臂施工期的養護效率。通過開展室內噴霧養護效果試驗，驗證了該系統運行效果較好；（2）自動化智能噴霧養護設備可根據混凝土所處的山區環境條件實時調節養護頻率，噴霧形狀，因此工程應用性能良好，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護后的高性能混凝土收縮開裂程度相對灑水養護減少了9%～15%，試驗梁表面裂縫分布的密集程度和復雜程度減少了50%，因此噴霧養護對減少開裂、防止裂縫集中出現非常有效。

參考文獻

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（責任編輯：黃銀芳）