山区连续刚构桥悬臂施工期高性能混凝土喷雾养护技术研究

周业荣　姬彦军　李福林

摘要：文章基于混凝土的早期收缩开裂机理，首先阐释了引起山区连续刚构桥高性能混凝土早期收缩开裂的主要因素；其次开发了一套连续刚构桥悬臂施工期高性能混凝土的智能喷雾养护设备；最后制备高性能混凝土试验梁，开展室内养护效果试验，验证智能喷雾养护技术的实际应用效果。

关键词：山区连续刚构桥；悬臂施工；高性能混凝土；喷雾养护技术；收缩开裂机理 文献标识码：A

中图分类号：U448 文章编号：1009-2374（2016）01-0101-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.051

1 山区连续刚构桥高性能混凝土的早期开裂影响因素分析

1.1 连续刚构桥墩顶工程特性

连续刚构桥墩顶0#块、承台、首节墩身等均属大体积高性能混凝土，其工程特性为：（1）主梁结构断面尺寸大，混凝土用量大；（2）混凝土单位体积水泥用量大，水泥水化放热较多，绝热温度升大，中心温度峰值较高，内部温度和环境温度差异造成温度梯度增大，升温速度加快。

连续刚构桥大体积混凝土尺寸厚而大，水泥水化散热困难，当大体积混凝土浇筑后混凝土初凝时，水化放热可使内部温度升高达到80℃以上。混凝土是热的不良导体，在后期降温阶段会产生很大的收缩，内部温度较高的混凝土对表层低温混凝土产生约束应力，当温度约束应力大于所处龄期混凝土的极限抗拉强度时，混凝土表层首先产生表面裂缝，而表面裂缝是深层裂缝和贯穿裂缝产生的充分条件。表面裂缝形成之后，大体积混凝土的中心温度还是处于较高水平，外界温度低，降温速率快，混凝土内形成非线性温度场，引起温度应力，进而在表面裂缝的端部的温度应力集中区域引起裂缝向纵深发展。当整个断面都受拉应力时，就会形成贯穿性裂缝。贯穿性裂缝不仅使结构内力重新分布，还导致混凝土内部的钢筋裸露、加速腐蚀，为桥梁整体结构的破坏埋下隐患。因此，控制连续刚构桥大体积混凝土的根本问题就是在要在源头上预防其表面裂缝的产生。

1.2 高性能混凝土水化作用与早期裂缝间的关系

混凝土各项性能的发展都依赖于水泥的水化作用过程。高性能混凝土采用较低水灰比，减少用水量，这样多余水分扩散形成的孔隙减少，同时内部颗粒堆积密实，孔隙较少，水化产生较少的产物即可填充孔隙达到较高强度，早期强度增长较快。高效外加剂和超细矿物质的添加使其水化程度进一步增大，密实性更好，强度也随之提高。但随着水化过程的进行，大体积混凝土水化过程中混凝土内部温度急剧升高，此时混凝土弹性模量很小，引起的压应力较小。待水化速率减小，温度回落时，弹模变大，在约束条件下混凝土内部收缩产生较大拉应力可导致混凝土开裂。另外，当混凝土内外温度梯度很大时，混凝土中的毛细水、自由水以及部分吸附水会产生蒸发的现象，若水蒸气的压力达到一定值，混凝土将产生爆裂。

因此，采取有效的降温措施降低高性能混凝土在浇筑后水化过程中的温度变化幅度，是减少高性能混凝土产生早期裂缝的有效措施。

1.3 山区气候条件与高性能混凝土早期裂缝间的关系

1.3.1 早期温度收缩开裂。连续刚构桥高性能混凝土浇筑后会发生急剧的水化作用，使内部温度不断升高，混凝土处于快速升温的阶段，在浇筑完毕至温度达到最高的过程中，一直存在热交换，混凝土内部热量与外界环境发生热交换后内部温度可逐渐降低。在这个温度降低的过程中，混凝土内部产生拉应力，拉应力超过混凝土的抗拉强度，就会产生温降收缩裂缝。

山区昼夜温差大，可导致混凝土内外表面、外表面与外界环境之间均产生较大的温差，由温差引起的温度梯度会使高性能混凝土产生温度收缩开裂。

1.3.2 早期干燥收缩开裂。混凝土浇筑后即开始与外界环境进行湿度交换，其内部的相对湿度不断降低，产生湿度梯度。尤其在混凝土的表面，湿度梯度极大，可引发收缩变形裂缝。另外，混凝土内部水泥水化过程必然会消耗混凝土内部的水分，当外界水分不能及时供给到混凝土内部或当水泥水化过程中的耗水速率大于外界水分通过毛细管道向混凝土内部的补给速率时，混凝土由此引发收缩开裂。

山区地形复杂，局部风特性与平原区有较大差异，刚构桥主梁迎风面积较大，加之悬臂施工过程中无法对腹板和梁肋外侧进行有效晒水养护，导致桥梁混凝土结构表面的水分流失速度加快，易引起高性能混凝土发生早期干燥收缩开裂。

上述分析表明，在山区连续刚构桥高性能混凝土浇筑初凝后需要开展有效的早期养护措施，将高性能混凝土的湿度和温度控制在合适的范围之内，保持水泥等胶凝材料的水化作用持续进行，促进混凝土逐步成熟和硬化，使高性能混凝土的强度达到设计要求，减少早期收缩裂缝的产生。

2 连续刚构桥悬臂施工期高性能混凝土喷雾养护设备开发

2.1 高性能混凝土喷雾养护优势分析

养护的最终目的是要给混凝土补充损失的水分。目前，国内外对高性能混凝土的养护方式主要有水养护、密封养护及特殊养护方法三种。混凝土结构的质量和耐久性，其中喷雾养护可从混凝土养护的最佳开始时间开始养护，可调节补水量以适应相应的混凝土龄期，不会对混凝土表面造成冲刷，同时干燥的混凝土表面对喷雾的吸收效果比直接洒水好，因此是养护效果最好、最易控制的养护方式。

2.2 智能喷雾养护设备开发

本文针对山区大跨径特大桥高性能混凝土的高空保湿养护实际要求，根据连续刚构桥悬臂的施工特点，结合国内外混凝土喷雾养护理论，开发了一套可无线远程控制的混凝土智能喷雾养护设备。

3 高性能混凝土智能喷雾养护效果试验研究

3.1 试验方案

方案如下：（1）以在建麻昭高速公路牛家沟特大桥实际工程为背景制备室内试验梁，原材料与混凝土配合比与实际工程一致，采用C55高性能混凝土浇筑。试验梁浇筑初凝后拆模，架设智能喷雾养护设备；（2）试验梁总长5m，对其中一侧3m进行智能喷雾养护，另一侧2m进行传统晒水养护，对比验证养护效果；（3）运行过程中，设备通过温度与湿度检测传感器自动调节运行参数（养护循环次数与养护时间间隔）；（4）养护至14日时停止养护，观测梁体表面裂缝，基于裂缝分维值定量化评价智能喷雾养护与传统晒水两种养护效果。

3.2 试验梁的制备

采用混合砂，即机制砂和山砂混合用，进行级配调整，含泥量0.4%，泥块含量0.2%，石粉含量4%，表观密度2650kg/m3，堆集密度1680kg/m3，空隙率37%，细度模数为2.8，属于中砂。

3.3 基于分形几何理论的高性能混凝土智能喷雾早期养护效果评价

（1）对混凝土表面进行近景摄影，绘制梁两侧面控制点坐标，以间距20cm为控制步长，将所有控制点在图像上标出，对每个边长为20cm的正方形进行编号（编号由两组数字位置组成：第一组数字代表用自然洒水养护的试验梁；第二组数字代表用智能喷雾养护设备进行养护的试验梁）。（2）利用摄影相机对每个正方形拍照，图像汇总后，根据每个近景摄影的图片，得到试验梁裂缝的一总体表观信息表；（3）对试验梁两侧各结构面不同尺度裂缝所占的格数进行统计。

对每种尺度下含有裂缝的格子数进行统计，若各个点的连接曲线满足线性关系，则说明混凝土结构表面裂缝满足自相似性，可以用分形几何理论来进行研究。对上述坐标点用最小二乘法进行最佳线性拟合之后的直线的斜率就是试验梁表观裂缝分布的分维值，利用最小二乘法进行最佳线性拟合。各直线上方的函数式用来表示经过拟合后的直线斜率代表裂缝分布的分维值D，将两种养护条件下的分维值汇总整理，对数据分析可知：用智能喷雾养护设备进行养护的试验梁节段，2个侧面的表面裂缝的分维值均小于自然洒水养护的分维值，表明高性能混凝土应用喷雾养护技术比传统晒水养护的早期开裂程度下降了13%，证明了本文开发的智能喷雾养护设备的养护效果优于传统晒水养护方式的。另外，通过对比自然洒水养护表面裂缝分布图像与智能喷雾养护表面裂缝分布图像，可证明分维值的大小可反映出混凝土表面损伤开裂程度、密集程度之间的差异。

通过传统洒水养护后试验梁表面的早期收缩裂缝的分布密集程度高，分形多而复杂，与采用分形几何学统计后的分维值数据是吻合的，说明采用智能自动化喷雾养护设备对试验梁的养护，对于控制高性能混凝土早期收缩裂缝的效果是比较好的，有利于提高桥梁高性能混凝土结构的耐久性和强度。

4 结语

经研究表明：（1）应用混凝土喷雾养护技术，可提高山区连续刚构桥悬臂施工期的养护效率。通过开展室内喷雾养护效果试验，验证了该系统运行效果较好；（2）自动化智能喷雾养护设备可根据混凝土所处的山区环境条件实时调节养护频率，喷雾形状，因此工程应用性能良好，可在施工中进行推广；（3）利用分形几何方法，可对具有随机性、非线性的混凝土裂缝进行定量化描述。通过计算裂缝的分维值，可定量地计算喷雾养护后的高性能混凝土收缩开裂程度相对洒水养护减少了9%～15%，试验梁表面裂缝分布的密集程度和复杂程度减少了50%，因此喷雾养护对减少开裂、防止裂缝集中出现非常有效。

参考文献

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（责任编辑：黄银芳）