橋梁混凝土干縮病害機(jī)理與治理措施研究

朱濟(jì)初

摘要：橋梁混凝土在早期的養(yǎng)護(hù)期間會由于干燥收縮造成干縮裂紋，給橋梁的長期穩(wěn)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(jī)理，設(shè)計(jì)三種不同濕度的養(yǎng)護(hù)條件，測量試樣在不同齡期下的收縮應(yīng)變和抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗拉強(qiáng)度等基本力學(xué)性能，得到如下結(jié)論：（1）環(huán)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(fā)展速率越大;（2）封閉養(yǎng)護(hù)較干燥養(yǎng)護(hù)，彈性模量提高了8.2%，抗拉強(qiáng)度提高了18.3%，抗壓強(qiáng)度影響不大。

關(guān)鍵詞：干燥收縮;干縮裂紋;濕度;收縮應(yīng)變;力學(xué)性能

0 引言

在建筑行業(yè)高速發(fā)展的今天，混凝土作為常見的建筑材料已經(jīng)得到普遍的推廣，如橋梁結(jié)構(gòu)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(diǎn)方向，其中混凝土在施工和后期運(yùn)營期間由于干燥收縮和外部荷載等因素易產(chǎn)生干縮病害。干縮一旦形成，混凝土表面就會產(chǎn)生許多裂縫，隨著時間的延長，表面裂縫的深度和數(shù)量都會繼續(xù)發(fā)展，這對混凝土的長期穩(wěn)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(nèi)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(jìn)行機(jī)理和治理措施的研究。混凝土產(chǎn)生收縮變形的主要因素是所處環(huán)境的濕度與其內(nèi)部濕度存在差異，導(dǎo)致在濕度梯度作用下混凝土內(nèi)部水分散失，從而引發(fā)收縮變形。因此對于濕度場的研究一直是人們研究的重點(diǎn)[5-7]，20世紀(jì)80年代國外Kenji Sakata就濕度對混凝土干縮應(yīng)變的影響展開了研究[8]，國內(nèi)黃海達(dá)和蔣正武等通過室內(nèi)試驗(yàn)和理論計(jì)算得到了混凝土常微分濕度控制方程及水灰比和養(yǎng)護(hù)條件對混凝土內(nèi)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(yīng)變的影響，本文設(shè)計(jì)了三種不同的養(yǎng)護(hù)條件，通過對混凝土的早期力學(xué)性質(zhì)和收縮變形進(jìn)行研究，以得到環(huán)境濕度對混凝土收縮病害的影響機(jī)理并研究相應(yīng)的治理措施。

1 收縮機(jī)理和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 收縮機(jī)理

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

自收縮中化學(xué)收縮占混凝土收縮變形的比重最大。化學(xué)收縮是化學(xué)反應(yīng)過后反應(yīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于化學(xué)收縮對材料體積產(chǎn)生的影響。在不考慮水分交換的前提下，自收縮和化學(xué)收縮的關(guān)系圖如圖1所示。干收縮與自收縮不同，干收縮是材料內(nèi)部水分散失到外界引發(fā)的收縮現(xiàn)象。目前關(guān)于干燥收縮的機(jī)理研究認(rèn)為，干燥收縮根據(jù)環(huán)境濕度可分為毛細(xì)管應(yīng)力理論、劈張力理論、表面自由能理論和層間水理論。根據(jù)大部分現(xiàn)場濕度及研究得出毛細(xì)管張力對普通混凝土的影響最大。毛細(xì)管應(yīng)力理論如式（1）所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了探究外界環(huán)境濕度對混凝土材料干收縮以及基本力學(xué)性能的影響，本文預(yù)設(shè)計(jì)三種不同濕度的養(yǎng)護(hù)條件，分別是可遮雨的室外自然條件下的養(yǎng)護(hù)、控制濕度和溫度的養(yǎng)護(hù)條件（濕度為50%左右、溫度為15 ℃左右）、封閉條件下的養(yǎng)護(hù)（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(yàn)所用的試樣均不添加外加劑，試樣的配比參數(shù)如表1所示，混凝土的等級為C40。

試驗(yàn)的主要目的是測量在不同的養(yǎng)護(hù)條件下，試樣在不同齡期下的干縮應(yīng)變和抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗拉強(qiáng)度等基本力學(xué)性能。測量干縮應(yīng)變的試樣尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，每種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下設(shè)置一組試樣，每組3個試樣，一共9個試樣;測量抗壓強(qiáng)度的試樣尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，三種養(yǎng)護(hù)環(huán)境和三個養(yǎng)護(hù)齡期下設(shè)置了9組試樣，每組3個試樣，一共27個試樣;測量不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)齡期28 d時混凝土彈性模量和抗拉強(qiáng)度的試樣尺寸為150 mm×150 mm×300 mm，六組共18個試樣。本次試驗(yàn)總計(jì)54個有效試樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 干縮應(yīng)變分析

本次試驗(yàn)為了測量試樣在不同養(yǎng)護(hù)條件下的干縮應(yīng)變，儀器采用埋入試樣內(nèi)部的振弦式應(yīng)變計(jì)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(yīng)變。即干縮應(yīng)變開始齡期為第3 d，此后每天測量干縮應(yīng)變。通過每組三個試樣的應(yīng)變平均值，選取前10 d不同養(yǎng)護(hù)條件下的應(yīng)變隨養(yǎng)護(hù)條件的變化規(guī)律（如圖2所示）。

從圖2中可以看出，三種養(yǎng)護(hù)條件下，試樣的干縮應(yīng)變均隨著齡期的增加而增長，但是在封閉條件下的應(yīng)變增長速率明顯較慢，其次為室外自然條件下的養(yǎng)護(hù)，最快的是干燥條件下的養(yǎng)護(hù)。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為10 d時，封閉養(yǎng)護(hù)下的收縮應(yīng)變?yōu)?9×10-6，而室外養(yǎng)護(hù)和干燥養(yǎng)護(hù)下的收縮應(yīng)變分別為199×10-6和232×10-6，分別為封閉養(yǎng)護(hù)下的2.5倍和2.9倍。繼續(xù)記錄后期應(yīng)變的變化情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為50 d時，收縮應(yīng)變增長速率均開始變緩，封閉養(yǎng)護(hù)下的收縮應(yīng)變?yōu)?50×10-6，室外養(yǎng)護(hù)和干燥養(yǎng)護(hù)下的收縮應(yīng)變分別為450×10-6和550×10-6，分別為封閉養(yǎng)護(hù)下的1.8倍和2.2倍。綜合上述的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，混凝土在早期養(yǎng)護(hù)時，通過密封表面，能有效地減小混凝土的干縮應(yīng)變，從而減少混凝土內(nèi)部裂紋的數(shù)量，間接地改善其性能。

2.2 抗壓強(qiáng)度分析

通過測量三種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下試樣在齡期分別為7 d、14 d和28 d下的抗壓強(qiáng)度，取每組三個試樣的平均值后，得到的強(qiáng)度變化如圖3所示。從圖中可以看出，三種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下試樣的強(qiáng)度變化趨勢相同，都是前期增長迅速，室外環(huán)境、干燥環(huán)境和封閉環(huán)境下養(yǎng)護(hù)齡期為14 d時的強(qiáng)度能分別達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期28 d時強(qiáng)度的94.8%、94.0%和93.6%。室外自然養(yǎng)護(hù)條件下的試樣在相同齡期下強(qiáng)度最低，這主要是因?yàn)槭彝庾匀粭l件隨著時間的變化，會出現(xiàn)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(huán)境和封閉環(huán)境下，試樣的強(qiáng)度相差不大。這說明只是單一的控制養(yǎng)護(hù)環(huán)境的濕度，對于混凝土早期的強(qiáng)度影響并不是很明顯，但是封閉條件下能保證試樣的強(qiáng)度。

2.3 彈性模量和抗拉強(qiáng)度分析

混凝土由于干縮會產(chǎn)生拉應(yīng)力，而混凝土的抗拉強(qiáng)度本身較低，當(dāng)這個拉應(yīng)力超過混凝土本身的抗拉強(qiáng)度時，混凝土就會產(chǎn)生裂縫。這些裂縫的存在對于混凝土的長期穩(wěn)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(qiáng)度和彈性模量是十分有必要的。通過將試樣在三種養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，測量其彈性模量和抗拉強(qiáng)度，取每組三個試樣的平均值，得到的結(jié)果如圖4所示。

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

3 結(jié)語

通過研究混凝土干燥收縮的機(jī)理，設(shè)計(jì)三種不同濕度的養(yǎng)護(hù)條件，測量試樣在不同齡期下的收縮應(yīng)變和基本力學(xué)性能，得到如下結(jié)論：（1）環(huán)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(fā)展速率越大;（2）封閉養(yǎng)護(hù)較干燥養(yǎng)護(hù)，試樣的彈性模量提高8.2%，抗拉強(qiáng)度提高18.3%，對抗壓強(qiáng)度影響不大。

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