干旱氣候下不同養(yǎng)護(hù)方式對混凝土抗裂性能的影響

(1.蘭州交通大學(xué) 甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，蘭州 730070； 2.蘭州交通大學(xué) 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； 3.甘肅路橋第三公路工程有限責(zé)任公司，蘭州 730050；4.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限責(zé)任公司，蘭州 730070 )

1 研究背景

目前，西北地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展較快，高速鐵路、公路等重點交通項目和水利基礎(chǔ)設(shè)施項目的建設(shè)極大地促進(jìn)了西北交通運輸?shù)陌l(fā)展。但是在實際工程建設(shè)中，受干旱氣候影響，混凝土在澆筑的早齡期易產(chǎn)生裂縫。有效控制混凝土開裂，提高其抗裂性能，是保證結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計使用壽命的關(guān)鍵。由于西北地處干旱地區(qū)，氣候惡劣，降水量從東部的約400 mm，向西減少到200 mm，甚至降到50 mm以下，晝夜溫差達(dá)20 ℃以上?；炷翗?gòu)件的澆筑和使用均處于惡劣的環(huán)境中，嚴(yán)重降低混凝土的抗裂性能。在這種惡劣氣候條件下，如何滿足混凝土抗裂要求成為了關(guān)鍵技術(shù)之一。

在早期混凝土裂縫的控制方面，昆建[1]、王鐵夢[2]進(jìn)行了抗裂性試驗并分析了混凝土開裂機理。我國目前混凝土的收縮性能及抗裂性試驗研究方法也有了較詳細(xì)的總結(jié)和評述[3]。許多學(xué)者認(rèn)為調(diào)整配合比、養(yǎng)護(hù)條件、養(yǎng)護(hù)時間對混凝土的抗裂性能有較大影響[4-6]。國內(nèi)外很多學(xué)者對于混凝土裂縫的產(chǎn)生原理、改善方式也做了不少的理論研究和數(shù)理分析[7-9]。但是，西北地區(qū)晝夜溫差大、干旱地區(qū)濕度低、多風(fēng)地區(qū)風(fēng)速大，針對這種惡劣氣候環(huán)境中的混凝土開裂及養(yǎng)護(hù)研究還比較少[10-11]。得出西北干旱地區(qū)混凝土裂縫發(fā)展規(guī)律，采取適當(dāng)措施防止混凝土開裂，將對工程質(zhì)量有重要的指導(dǎo)意義。因此，本文對西北干旱地區(qū)混凝土抗裂性能進(jìn)行研究，得出合適的養(yǎng)護(hù)方式以指導(dǎo)現(xiàn)場施工，為特殊環(huán)境下的混凝土預(yù)防開裂提供科學(xué)依據(jù)。

2 試 驗

2.1 工程背景

白明高速主線起點為內(nèi)蒙古與甘肅交界的白疙瘩，終點為甘肅與新疆交界的明水附近。試驗研究標(biāo)段路線全長13.929 12 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 a，標(biāo)段內(nèi)風(fēng)速≥7 m/s，常年有強風(fēng)，試驗現(xiàn)場晝夜溫差達(dá)25 ℃，相對濕度為20%～30%。

2.2 混凝土配合比

本文研究的混凝土配合比[12]如表1所示。

表1 混凝土配合比(C50)Table 1 Mix proportions of concrete C50 kg/m3

2.3 抗裂性能試驗

本試驗研究養(yǎng)護(hù)方式對混凝土抗裂性能的影響，選擇蒸汽養(yǎng)護(hù)、塑料薄膜包裹養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)3種養(yǎng)護(hù)方式，以澆筑混凝土制作的抗裂圓環(huán)(澆筑成的試件尺寸為內(nèi)徑305 mm，外徑425 mm，壁厚62.5 mm，高度100 mm)試件作為試驗對象，對裂縫寬度、開裂時間、裂縫長度和裂縫數(shù)目的情況進(jìn)行統(tǒng)計，分析抗裂性能的優(yōu)劣性；其次，為了分析現(xiàn)場施工與試驗室的差異，制作節(jié)段箱梁，箱梁橫截面采用與實際梁體相同的尺寸(比例1∶1)，長度為2 m，對比分析箱梁產(chǎn)生的裂縫與抗裂圓環(huán)產(chǎn)生的裂縫，并研究了不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土抗裂性能的差異。

2.4 養(yǎng)護(hù)方式

考慮到特殊的氣候環(huán)境以及施工常用的養(yǎng)護(hù)措施，選擇蒸汽養(yǎng)護(hù)、塑料薄膜包裹養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)做對比試驗，各養(yǎng)護(hù)方式技術(shù)要求如下：

(1)蒸汽養(yǎng)護(hù)(BM)：現(xiàn)場搭建蒸汽養(yǎng)護(hù)棚，借助高溫水蒸汽加熱混凝土，使混凝土在較高溫度(60～65 ℃)和較高濕度(90%以上)的條件下迅速硬化，養(yǎng)護(hù)過程與現(xiàn)場實際養(yǎng)護(hù)過程保持一致。

(2)塑料薄膜包裹養(yǎng)護(hù)(PC)：采用塑料薄膜包裹預(yù)制混凝土箱梁和抗裂環(huán)，保證四周包裹密實，觀測并記錄混凝土開裂時間和開裂數(shù)量。

(3)自然養(yǎng)護(hù)(ZR)：自然養(yǎng)護(hù)是將澆筑后的預(yù)制混凝土箱梁和抗裂環(huán)拆模后置于同施工現(xiàn)場相同的環(huán)境中，進(jìn)行表面灑水養(yǎng)護(hù)。

2.5 試驗方法

(1)混凝土箱梁的澆筑與現(xiàn)場施工一致，在梁場進(jìn)行預(yù)制；同時用同一批混凝土澆筑抗裂圓環(huán)，每種養(yǎng)護(hù)方式各3個[13]。

(2)箱梁與抗裂圓環(huán)澆筑后，24 h后拆除箱梁模板，12 h后拆除抗裂圓環(huán)試模，拆模后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，蒸汽養(yǎng)護(hù)7 d，塑料薄膜和自然養(yǎng)護(hù)14 d。

(3)抗裂圓環(huán)拆模后，即開始進(jìn)行裂縫的觀測，觀測頻率為1次/(0.5 h)，記錄裂縫的出現(xiàn)位置、寬度、長度、數(shù)目和開裂時間，當(dāng)?shù)谝粭l貫通裂縫出現(xiàn)后，結(jié)束觀測。

(4)箱梁拆模后，開始進(jìn)行裂縫的觀測，觀察其表面開裂狀況，記錄其開裂時間、開裂寬度、裂縫長度和裂縫個數(shù)。

3 結(jié)果及分析

3.1 不同養(yǎng)護(hù)方式下抗裂圓環(huán)抗裂試驗結(jié)果

對混凝土抗裂圓環(huán)進(jìn)行編號，如圖1所示。不同養(yǎng)護(hù)方式下抗裂圓環(huán)開裂統(tǒng)計如表2所示，PC2#1表示塑料薄膜包裹養(yǎng)護(hù)下C50混凝土抗裂圓環(huán)2#出現(xiàn)的1號裂縫，其他如此類推。采用HC-CK102裂縫測寬儀進(jìn)行裂縫測試。

圖1 抗裂圓環(huán)抗裂試驗試件Fig.1 Concrete ring specimens for crack resistance test

試件編號裂縫號裂縫平均寬度/mm側(cè)面裂縫高度/mm裂縫位置開裂時間/h10.020頂面374.0BM1#20.060頂面376.030.010頂面384.010.4478側(cè)面、頂面384.0BM2#20.1214側(cè)面、頂面382.030.040頂面382.010.060頂面386.0BM3#20.020頂面386.030.1424側(cè)面、頂面387.011.30100側(cè)面、頂面27.0PC1#20.1646側(cè)面、頂面27.030.080頂面24.011.24100側(cè)面、頂面27.5PC2#20.060頂面24.030.1816側(cè)面、頂面27.0 PC3#11.26100側(cè)面、頂面28.020.0621側(cè)面、頂面28.011.00100側(cè)面、頂面5.6 ZR1#20.040頂面5.630.020頂面5.640.080頂面5.611.50100側(cè)面、頂面6.0 ZR2#20.020頂面6.030.1224側(cè)面、頂面6.040.060頂面6.011.50100側(cè)面、頂面8.3ZR3#20.020頂面8.330.040頂面8.3

圖2為自然養(yǎng)護(hù)條件下混凝土抗裂環(huán)裂縫開展情況。從開裂時間、裂縫數(shù)目(圖2(a))以及裂縫寬度、側(cè)面裂縫高度(圖2(b))分析來看，抗裂效果均較差，在拆模后的8 h之內(nèi)就出現(xiàn)裂縫；且裂縫最終貫穿整個抗裂環(huán)；裂縫數(shù)目達(dá)到11條，裂縫寬度最大為1.50 mm。試驗表明，西北干旱氣候降低了混凝土的抗裂性能，僅僅采取自然養(yǎng)護(hù)的方式，難以滿足混凝土抗裂性要求。

注：圖中數(shù)據(jù)均取最大值圖2 不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土抗裂環(huán)開裂規(guī)律Fig.2 Regularities of cracking in concrete ring specimens cured by different methods

采取蒸汽養(yǎng)護(hù)和塑料薄膜養(yǎng)護(hù)的混凝土抗裂環(huán)，混凝土抗開裂性能均高于自然養(yǎng)護(hù)，但提高的程度有所不同。相比于自然養(yǎng)護(hù)，蒸汽養(yǎng)護(hù)下抗裂環(huán)推遲開裂時間387 h，塑料薄膜養(yǎng)護(hù)推遲28 h，證明蒸汽養(yǎng)護(hù)的保溫保濕效果最佳，避免混凝土開裂的效果最好，塑料薄膜養(yǎng)護(hù)次之。蒸汽養(yǎng)護(hù)下混凝土裂縫寬度最大值較自然養(yǎng)護(hù)的1.50 mm減小到0.44 mm，而塑料薄膜養(yǎng)護(hù)在控制裂縫寬度方面的效果不明顯，混凝土裂縫數(shù)目為9條，比自然養(yǎng)護(hù)下減少3條。另外，蒸汽養(yǎng)護(hù)下混凝土裂縫沒有貫通整個抗裂環(huán)。而薄膜養(yǎng)護(hù)與自然養(yǎng)護(hù)產(chǎn)生的裂縫貫穿整個抗裂環(huán)。

綜上所述，干旱地區(qū)特殊的氣候條件對混凝土抗裂性能產(chǎn)生不利影響，這主要是因為混凝土在養(yǎng)護(hù)期間很難從外界獲得水分補充，而其內(nèi)部水分大量向外散失，產(chǎn)生干縮裂縫。對此，所采取的養(yǎng)護(hù)方式應(yīng)具有良好的保溫保濕性。

3.2 不同養(yǎng)護(hù)方式下箱梁抗裂試驗結(jié)果分析

通過分析混凝土箱梁表面裂縫的開裂情況，評價不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土箱梁抗裂性能的差異。對裂縫的開裂情況統(tǒng)計如表3—表5所示。不同養(yǎng)護(hù)方式下箱梁抗裂試驗結(jié)果如圖3所示。

表3 混凝土箱梁裂縫數(shù)目統(tǒng)計Table 3 Number of cracks in the concrete box girders

表4 混凝土箱梁裂縫寬度統(tǒng)計Table 4 Statistics of crack width of concrete box girders

表5 混凝土箱梁裂縫長度統(tǒng)計Table 5 Statistics of crack length of concrete box girders

圖3 不同養(yǎng)護(hù)方式下箱梁抗裂試驗結(jié)果Fig.3 Test results of crack resistance of box girders cured by different methods

(1)由圖3(a)可得出，自然養(yǎng)護(hù)的箱梁在拆模后1 d內(nèi)，產(chǎn)生6條裂縫，在2～8 d齡期內(nèi)，裂縫數(shù)目增長較快,隨后的齡期裂縫數(shù)目減少。這表明，在混凝土早期齡期內(nèi)易產(chǎn)生裂縫，故在混凝土澆筑早期應(yīng)采取有效措施以減少開裂。自然養(yǎng)護(hù)的箱梁在齡期14 d時裂縫數(shù)目達(dá)到了81條。相比之下，蒸汽養(yǎng)護(hù)的箱梁在拆模后的第7天開始出現(xiàn)裂縫，并且裂縫數(shù)目隨齡期變化不大，第14天時只有3條裂縫，僅為自然養(yǎng)護(hù)裂縫數(shù)目的1/27。薄膜養(yǎng)護(hù)雖起到了控制裂縫發(fā)展的效果，但效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于蒸汽養(yǎng)護(hù)，拆模后第5天開始出現(xiàn)裂縫，第14天裂縫數(shù)目達(dá)到了54條，表明薄膜養(yǎng)護(hù)的保濕作用遠(yuǎn)不如蒸汽養(yǎng)護(hù)。因此，在這種干燥的氣候下，若不采取有效的保溫保濕養(yǎng)護(hù)措施，混凝土箱梁表面會產(chǎn)生較多干縮裂縫，雖暫時不影響箱梁的受力性能，但隨著時間的增加，將致使混凝土耐久性降低。

(2)由圖3(b)和圖3(c)可知，自然養(yǎng)護(hù)和薄膜養(yǎng)護(hù)下裂縫寬度和長度均隨齡期不斷增長。蒸汽養(yǎng)護(hù)下裂縫的長度和寬度隨齡期變化不明顯，第14天時裂縫寬度<0.02 mm，長度<10 mm，較自然養(yǎng)護(hù)和薄膜養(yǎng)護(hù)有很大的改善；自然養(yǎng)護(hù)和薄膜養(yǎng)護(hù)在前10 d內(nèi)，裂縫寬度和長度均隨齡期增長較快，10 d后趨于平緩，這也表明，混凝土早期易產(chǎn)生裂縫。

(3)據(jù)圖3(d)分析可知，自然養(yǎng)護(hù)下混凝土開裂時間最早，拆模1 d后就會開裂，塑料薄膜在推遲開裂時間上效果不佳，僅晚于自然養(yǎng)護(hù)1 d。相比之下，蒸汽養(yǎng)護(hù)可有效防止混凝土早期開裂，大大推遲了開裂時間。

綜上所述，從裂縫數(shù)目、裂縫寬度、裂縫長度和開裂時間分析，西北干旱地區(qū)惡劣氣候環(huán)境降低了箱梁混凝土抗裂性能，需采取必要的措施。在養(yǎng)護(hù)方式選擇方面，蒸汽養(yǎng)護(hù)后的箱梁混凝土抗裂效果最好，薄膜養(yǎng)護(hù)效果次之，自然養(yǎng)護(hù)效果最差。箱梁與抗裂環(huán)所得結(jié)論一致。因此在這種惡劣氣候條件下應(yīng)慎重選擇養(yǎng)護(hù)措施，保證混凝土早期凝結(jié)硬化必需的溫濕度條件。

4 結(jié) 論

(1)改變養(yǎng)護(hù)方式，可以提高混凝土抗裂性能。本試驗得出：蒸汽養(yǎng)護(hù)保溫保濕效果最好，能有效減少干旱環(huán)境下干縮裂縫的產(chǎn)生，建議惡劣氣候環(huán)境下采取蒸汽養(yǎng)護(hù)來提高混凝土抗裂性能。

(2)在混凝土的早齡期內(nèi)，裂縫發(fā)展較快，常規(guī)養(yǎng)護(hù)滿足不了混凝土抗裂要求，必須采取有良好保溫保濕性的養(yǎng)護(hù)措施防止混凝土開裂。