橋梁混凝土干縮病害機理與治理措施研究

朱濟初

摘要：橋梁混凝土在早期的養護期間會由于干燥收縮造成干縮裂紋，給橋梁的長期穩定性和耐久性埋下安全隱患。文章通過研究混凝土干燥收縮的機理，設計三種不同濕度的養護條件，測量試樣在不同齡期下的收縮應變和抗壓強度、彈性模量和抗拉強度等基本力學性能，得到如下結論：（1）環境濕度對混凝土早期收縮變形影響顯著，濕度越小，變形越大，發展速率越大;（2）封閉養護較干燥養護，彈性模量提高了8.2%，抗拉強度提高了18.3%，抗壓強度影響不大。

關鍵詞：干燥收縮;干縮裂紋;濕度;收縮應變;力學性能

0 引言

在建筑行業高速發展的今天，混凝土作為常見的建筑材料已經得到普遍的推廣，如橋梁結構中混凝土就占很大比重。混凝土的性能一直是人們研究的重點方向，其中混凝土在施工和后期運營期間由于干燥收縮和外部荷載等因素易產生干縮病害。干縮一旦形成，混凝土表面就會產生許多裂縫，隨著時間的延長，表面裂縫的深度和數量都會繼續發展，這對混凝土的長期穩定性將是極其不利的[1-2]。

混凝土的收縮變形具有包含干燥收縮在內的五種形式[3-4]，其中干收縮對混凝土的影響較為顯著，本文主要針對混凝土干燥收縮引起的裂縫病害進行機理和治理措施的研究。混凝土產生收縮變形的主要因素是所處環境的濕度與其內部濕度存在差異，導致在濕度梯度作用下混凝土內部水分散失，從而引發收縮變形。因此對于濕度場的研究一直是人們研究的重點[5-7]，20世紀80年代國外Kenji Sakata就濕度對混凝土干縮應變的影響展開了研究[8]，國內黃海達和蔣正武等通過室內試驗和理論計算得到了混凝土常微分濕度控制方程及水灰比和養護條件對混凝土內部濕度變化的影響情況[9-11]。

為了研究濕度場對于混凝土干縮應變的影響，本文設計了三種不同的養護條件，通過對混凝土的早期力學性質和收縮變形進行研究，以得到環境濕度對混凝土收縮病害的影響機理并研究相應的治理措施。

1 收縮機理和試驗設計

1.1 收縮機理

目前的研究表明，混凝土收縮變形產生的主要原因有兩種：一種是由于材料內部的初濕度和外界環境的濕度存在差異，導致材料內水分的遷移和散失，從而引發的干收縮;另一種是自收縮，這種收縮是材料內部的水化反應引起的，這個過程會消耗自身的水分。

自收縮中化學收縮占混凝土收縮變形的比重最大。化學收縮是化學反應過后反應物絕對體積的降低，而自收縮是水分散失前后混凝土宏觀體積的降低。自收縮影響遠遠小于化學收縮對材料體積產生的影響。在不考慮水分交換的前提下，自收縮和化學收縮的關系圖如圖1所示。干收縮與自收縮不同，干收縮是材料內部水分散失到外界引發的收縮現象。目前關于干燥收縮的機理研究認為，干燥收縮根據環境濕度可分為毛細管應力理論、劈張力理論、表面自由能理論和層間水理論。根據大部分現場濕度及研究得出毛細管張力對普通混凝土的影響最大。毛細管應力理論如式（1）所示。

1.2 試驗設計

為了探究外界環境濕度對混凝土材料干收縮以及基本力學性能的影響，本文預設計三種不同濕度的養護條件，分別是可遮雨的室外自然條件下的養護、控制濕度和溫度的養護條件（濕度為50%左右、溫度為15 ℃左右）、封閉條件下的養護（鋁箔膠帶和塑料袋密封）。為了排除其余眾多因素的影響，本次試驗所用的試樣均不添加外加劑，試樣的配比參數如表1所示，混凝土的等級為C40。

試驗的主要目的是測量在不同的養護條件下，試樣在不同齡期下的干縮應變和抗壓強度、彈性模量和抗拉強度等基本力學性能。測量干縮應變的試樣尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，每種養護環境下設置一組試樣，每組3個試樣，一共9個試樣;測量抗壓強度的試樣尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，三種養護環境和三個養護齡期下設置了9組試樣，每組3個試樣，一共27個試樣;測量不同養護環境下養護齡期28 d時混凝土彈性模量和抗拉強度的試樣尺寸為150 mm×150 mm×300 mm，六組共18個試樣。本次試驗總計54個有效試樣。

2 試驗結果分析

2.1 干縮應變分析

本次試驗為了測量試樣在不同養護條件下的干縮應變，儀器采用埋入試樣內部的振弦式應變計和JMZX-3001綜合測試儀。澆筑48 h后拆模，此時開始記錄試樣的干縮應變。即干縮應變開始齡期為第3 d，此后每天測量干縮應變。通過每組三個試樣的應變平均值，選取前10 d不同養護條件下的應變隨養護條件的變化規律（如圖2所示）。

從圖2中可以看出，三種養護條件下，試樣的干縮應變均隨著齡期的增加而增長，但是在封閉條件下的應變增長速率明顯較慢，其次為室外自然條件下的養護，最快的是干燥條件下的養護。當養護齡期為10 d時，封閉養護下的收縮應變為79×10-6，而室外養護和干燥養護下的收縮應變分別為199×10-6和232×10-6，分別為封閉養護下的2.5倍和2.9倍。繼續記錄后期應變的變化情況，發現當養護齡期為50 d時，收縮應變增長速率均開始變緩，封閉養護下的收縮應變為250×10-6，室外養護和干燥養護下的收縮應變分別為450×10-6和550×10-6，分別為封閉養護下的1.8倍和2.2倍。綜合上述的結果可以發現，混凝土在早期養護時，通過密封表面，能有效地減小混凝土的干縮應變，從而減少混凝土內部裂紋的數量，間接地改善其性能。

2.2 抗壓強度分析

通過測量三種養護環境下試樣在齡期分別為7 d、14 d和28 d下的抗壓強度，取每組三個試樣的平均值后，得到的強度變化如圖3所示。從圖中可以看出，三種養護環境下試樣的強度變化趨勢相同，都是前期增長迅速，室外環境、干燥環境和封閉環境下養護齡期為14 d時的強度能分別達到養護齡期28 d時強度的94.8%、94.0%和93.6%。室外自然養護條件下的試樣在相同齡期下強度最低，這主要是因為室外自然條件隨著時間的變化，會出現很多不確定的因素，如晝夜溫差較大，濕度隨天氣變化較明顯等，而干燥環境和封閉環境下，試樣的強度相差不大。這說明只是單一的控制養護環境的濕度，對于混凝土早期的強度影響并不是很明顯，但是封閉條件下能保證試樣的強度。

2.3 彈性模量和抗拉強度分析

混凝土由于干縮會產生拉應力，而混凝土的抗拉強度本身較低，當這個拉應力超過混凝土本身的抗拉強度時，混凝土就會產生裂縫。這些裂縫的存在對于混凝土的長期穩定性和耐久性是一個巨大的安全隱患，因此研究混凝土的抗拉強度和彈性模量是十分有必要的。通過將試樣在三種養護條件下養護28 d，測量其彈性模量和抗拉強度，取每組三個試樣的平均值，得到的結果如圖4所示。

從圖4可以看出，封閉條件養護下試樣的彈性模量和抗拉強度均最高，分別為34.0 GPa和3.51 MPa，與室外養護和干燥養護相比，彈性模量分別上升了3.2%和8.2%;抗拉強度分別上升了10.9%和18.3%。因此，早期混凝土通過密封養護，能有效地提高試樣的彈性模量和抗拉強度。

3 結語

通過研究混凝土干燥收縮的機理，設計三種不同濕度的養護條件，測量試樣在不同齡期下的收縮應變和基本力學性能，得到如下結論：（1）環境濕度對混凝土早期收縮變形影響顯著，濕度越小，變形越大，發展速率越大;（2）封閉養護較干燥養護，試樣的彈性模量提高8.2%，抗拉強度提高18.3%，對抗壓強度影響不大。

參考文獻：

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