强风干寒地区混凝土抗裂性能试验研究

，，,，，

(1.兰州交通大学 a.甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室；b.道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室， 兰州 730070； 2.甘肃路桥建设集团有限公司，兰州 730070)

1 研究背景

为促使我国经济迅速发展，完善我国西部公路铁路网，通过“一带一路”规划交通、基础设施建设等行业，提出以交通基础设施为突破，实现亚洲互联互通。随着交通基础设施建设重心的西移，在西部沙漠地区修建高等级公路铁路的过程中有大量的混凝土构件，混凝土构件的制备和使用均处于恶劣的环境中，给其早期施工裂缝控制带来潜在危害。导致早期混凝土裂缝产生的影响因素[1-2]有很多，大量工程实践表明，混凝土容易在施工期产生裂缝，其中很多是由混凝土强度增长过程中养护不到位造成的。分析不同强度等级混凝土的抗裂性能，增强特殊环境下对不同强度等级混凝土的养护意识，对早期施工裂缝的防控有指导作用。

杨孟刚等[3]、王能[4]对于早期混凝土裂缝的控制进行了详细的研究和分析，不同等级混凝土的强度随龄期发展不同[5-6]，明确混凝土强度发展规律并结合实际构件裂缝发展趋势分析二者之间的联系对实际应用有很大帮助。不同的养护方式对早期混凝土强度增长及防止裂缝产生有重要影响，特别是早期的养护方式、养护温度、养护湿度、养护时间等的控制，对混凝土的强度发展、耐久性等均有着重要影响[7-8]。舒志坚[9]对于早期不同养护方式下混凝土各项性能作了详细的研究。

一些国外的学者对混凝土裂缝的产生进行了比较详细的理论分析和数值模拟[10-12]。在强风干寒地区这种特殊的气候环境下，混凝土力学性能有其特殊性，混凝土强度[13]是否达标和混凝土是否会产生裂缝是实际工程验收和实际工程质量评判的重要指标[14]。如果能明确混凝土裂缝的开展规律，可指导现场施工，大大提高施工质量，保证混凝土结构安全。因此，本文对强风干寒地区混凝土裂缝与养护之间的相互影响规律进行研究，以期为特殊环境下的混凝土研究和施工提供科学依据。

2 抗裂性能试验

2.1 工程实例

格尔木至库尔勒铁路，是成库铁路的北段，西连欧亚大陆桥南通道的南疆铁路，辐射新疆南疆地区，东连青藏铁路和规划中的川青铁路，辐射西藏、青海和内地地区，开辟南疆地区与青海、西藏、西南地区间区域交流的便捷通道。项目新建正线1 251.79 km，本试验段起讫桩号DK841+200—DK865+700，跨越范围分为台特玛湖湖积平原区及台特玛湖湖区。设计采用高性能混凝土，标段风沙严重，人烟稀少，气候恶劣，其中DK841+200—DK858+200段风沙流区墩高10 m，台特玛湖湖区墩高4 m，以利风沙通过。小里程起桥处桥下净高为3 m左右。

2.2 混凝土配合比

混凝土的配合比[15]见表1，其中水泥采用产自新疆天山的P·O42.5低碱水泥, 掺合料采用巴州泛宇建材科技有限公司生产的F类I级材料，粗骨料和细骨料采用若羌县新奥达盛砂石料场生产的骨料，减水剂采用中建材中岩科技有限公司生产的聚羧酸减水剂，水采用若羌自来水。混凝土的强度等级为C35和C50。C35的水胶比0.38、坍落度180 mm、含气量2.5%；C50的水胶比0.31、坍落度175 mm、含气量4.3%。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete kg/m3

2.3 桥墩及抗裂圆环抗裂性能测试

为了探究混凝土抗裂性能且避免其他因素造成干扰，对主要影响因素进行控制,如避免墩身混凝土浇筑间隔时间过长；抗裂试模与墩身采用同一批混凝土；抗裂试模与墩身同时间浇筑；抗裂试模与墩身浇筑后处于相同的环境条件中；浇筑后的混凝土采取相同的养护方式等。其中对混凝土浇筑后强度增长及早期混凝土抗裂影响最大的因素为养护方式的选择。因此，在控制多种养护方式的前提下，探究不同养护方式下不同强度等级混凝土的抗裂性能，综合评价混凝土抗裂性及分析混凝土养护措施的选择与抗裂性能之间的关系。

2.3.1 不同养护方式下桥墩抗裂性能观测

桥墩不同养护方式布置及桥墩截面尺寸如图1所示。现场桥墩混凝土浇筑方式采用泵送混凝土，墩身高7 m，地表以上高6 m(图1(a))，墩帽高2 m。根据原设计要求，从桥墩底面算起，向上2 m以内采用C50混凝土，2 m以上及墩帽采用C35混凝土。

图1 桥墩不同养护方式布置及桥墩截面尺寸Fig.1 Arrangement of curing methods and sectional dimensions of bridge pier

C50与C35混凝土区段均采取土工布包裹养护、外养护剂养护、自然养护、保温保湿养护4种养护方式，同一强度混凝土区段分别采用这4种养护方式进行养护。通过控制外部养护条件，对比在采取相同的养护方式下，不同强度等级混凝土表面开裂情况，最终得到4种养护条件下2种强度等级混凝土的抗裂性能测试情况，综合评价混凝土抗裂性并分析养护方式与抗裂性能之间的规律。

混凝土浇筑拆模后，按如图位置进行养护措施的布置，每种养护方式龄期为14 d，养护开始后进行混凝土表面裂缝观测，并一直监测裂缝的后续开展情况。

2.3.2 不同养护方式下抗裂环抗裂性能观测

单纯依靠现场桥墩的开裂情况去探究混凝土的抗裂性能还不够具有说服力，很可能因为混凝土的浇筑不合理，振捣不密实等人为因素造成试验规律的失真，因此采用圆环法进一步研究混凝土抗裂性并验证养护方式的选择与抗裂性能之间的关系。圆环法的步骤为：

(1)在浇筑墩身的同时浇筑抗裂圆环，抗裂圆环所用C50与C35混凝土与墩身属同一批次，抗裂圆环与墩身采取相同的养护方式，养护龄期14 d，不同强度的每种养护方式对应3个抗裂试模。

(2)抗裂试模浇筑15 h后拆模，拆模后在前2 d内每隔1 h进行1次裂缝观测，之后可每隔2～3 h观测1次，记录每个抗裂圆环的开裂情况。

2.4 试验方案及方法

现场试验桥墩与实际工程桥墩完全一样，采用泵送混凝土，在浇筑桥墩的同时用同批次的混凝土浇筑425 mm×62.5 mm×100 mm(圆环直径×圆环厚度×圆环高度)的抗裂圆环，C50与C35抗裂圆环共24个。

桥墩、抗裂圆环同时浇筑，桥墩48 h后拆模，抗裂圆环15 h后拆模，拆模后的试件均按4种养护方式进行养护，养护龄期均为14 d。

桥墩从拆模后起，观测不同养护区域混凝土裂缝的开展情况，记录裂缝的位置、长度及宽度。

抗裂圆环15 h拆模后，放置在桥墩旁边的空地，保持环境气候的一致性，拆模后前2～3 d内每隔1 h进行1次裂缝的观测，记录裂缝的位置、长度及宽度，之后可每隔2～3 h进行1次裂缝观测，当抗裂圆环出现第1条贯通裂缝时停止此抗裂圆环的观测。

表2抗裂环开裂信息统计
Table2Statisticalinformationofringcracks

养护方式试模编号裂缝编号平均裂缝宽度/mm裂缝长度/mm裂缝位置开裂时刻裂缝贯通时刻土工布养护T-C35-AT-C35-BT-C35-CT-C50-AT-C50-BT-C50-CA10.1931.5表面14日15:00未贯通B10.2136.7表面14日8:0025日15:00C10.2415.5表面15日8:00未贯通A10.3750.8侧面13日9:0015日14:00B10.4590.8侧面13日9:0014日14:00B20.3164.8侧面14日8:00未贯通B30.2841.5侧面14日8:00未贯通C10.3241.2侧面14日13:0022日18:00外养护剂养护W-C35-AW-C35-BW-C35-CW-C50-AW-C50-BW-C50-CA10.3045.2表面13日16:0021日16:00B10.2655.5表面13日12:0014日14:00C10.0427.4表面14日15:00未贯通A10.5235.0侧面13日9:0014日16:00A20.2911.1表面13日13:00未贯通B10.4356.0侧面13日9:0013日15:00C10.1923.1侧面14日15:0016日13:00自然养护Z-C35-AZ-C35-BZ-C35-CZ-C50-AZ-C50-BZ-C50-CA10.3520.4表面13日8:0013日16:00B10.2531.6表面12日16:00未贯通B20.2563.7表面侧面13日9:0013日16:00C10.4135.4表面12日19:0013日7:00A10.32162.5表面侧面12日18:0012日18:00B10.5530.2侧面12日18:0013日6:00C10.6842.5侧面12日17:0012日20:00C20.2323.6表面12日15:00未贯通保温保湿养护B-C35-AB-C35-BB-C35-CB-C50-AB-C50-BB-C50-CA1—————B10.2014.1表面15日13:00未贯通C10.0610.4表面16日14:00未贯通A10.2471.0侧面14日12:00未贯通A20.2542.0侧面13日12:0017日11:00B10.2078.0侧面14日15:00未贯通B20.82100.6侧面14日12:0014日11:00C10.3429.7侧面14日16:0021日11:00

注：试模编号中的第1个字母代表养护方式，B为保温保湿养护；Z为自然养护；W为外养护剂养护；T为土工布养护

3 试验结果及分析

3.1 不同强度等级混凝土抗裂圆环抗裂性综合分析

采用HC-CK102裂缝测宽仪对混凝土进行裂缝检测评定，检测裂缝如图2所示。

图2 C50抗裂圆环试模观测Fig.2 Observation results of C50 concrete anti-cracking ring samples

本次试验抗裂圆环拆模时间均为2016年10月12日12:00，通过环表面裂缝的最早开裂时间及第1条裂缝贯通时间为指标判定抗裂性能的优劣。根据抗裂圆环的开裂原理，同时出现2条及2条以上裂缝时，其中1条裂缝贯通，环内应力得到释放后其余裂缝不再变化，贯通裂缝长度为固定值162.5 mm。抗裂环开裂信息统计情况见表2。

从表2可以看出：

(1)采用土工布养护强度为C35的3个抗裂圆环裂缝最早开裂时间大部分晚于强度C50的3个抗裂圆环，其中C35抗裂圆环T-C35-A和T-C35-C均出现1条裂缝且养护结束后裂缝未贯通，C50抗裂圆环均有贯通裂缝；从贯通裂缝的贯通时间来看，C50抗裂圆环早于C35抗裂圆环。从裂缝的最早开裂时间与第1条裂缝贯通的时间来评判，土工布养护下C35混凝土抗裂性优于C50混凝土。

(2)采用外养护剂养护强度等级为C35的3个抗裂圆环裂缝最早开裂时间与C50的3个抗裂圆环几乎在相同时间开裂，其中C35抗裂圆环W-C35-A出现1条裂缝至养护结束后裂缝未贯通；从贯通裂缝的贯通时间来看，C50抗裂圆环早于C35抗裂圆环。综合2个评判指标，外养护剂养护下C35混凝土抗裂性优于C50混凝土。

(3)采用自然养护强度等级为C35和C50的抗裂圆环均在混凝土浇筑当天或者第2天早晨开裂，每个抗裂圆环均出现贯通裂缝，裂缝的贯通时间相差不大，从裂缝的开裂时间及裂缝的贯通时间来看,不能判断2种强度等级混凝土的抗裂性能优劣。

(4)采用保温保湿养护强度等级为C35的3个抗裂圆环裂缝最早开裂时间均晚于强度C50的3个抗裂圆环，且C35抗裂圆环裂缝均未贯通。从裂缝的开裂时间及裂缝的贯通程度评判，保温保湿养护下C35混凝土抗裂性优于C50混凝土。

(5)从4种养护方式下2种强度等级混凝土抗裂圆环的开裂对比来看，采取保温保湿养护的C35和C50混凝土抗裂圆环开裂时间和裂缝的发展速度明显晚于其他3种养护方式。不采取任何措施的自然养护在强风干寒这种特殊环境下，浇筑当天或者第2天就会出现不同程度的开裂并且出现贯通裂缝。因此，同种强度等级混凝土采取不同的养护方式时抗裂性能存在差异，合适的养护方式会延缓裂缝的开裂时间。

3.2 不同强度等级混凝土抗裂圆环抗裂性对比分析

为了进一步研究混凝土养护方式与抗裂性能之间的关系，取每种养护方式抗裂圆环所有裂缝的有效值，去除最大值和最小值的客观因素，对比分析不同强度等级混凝土裂缝的最早开裂时间、开裂宽度、裂缝最终贯通时间，分析抗裂性能的差异，如图3所示。

图3 不同养护方式下裂缝宽度与开裂龄期Fig.3 Crack width and cracking age of concrete cured with different curing methods

由图3可知：

(1)在强风干寒地区每种养护方式下C35混凝土裂缝宽度均小于C50混凝土裂缝宽度，宽度分别为同种养护方式下C50混凝土裂缝宽度的63.6%，60.5%，56.8%，58.8%。当控制外界因素及养护方式相同时，若单一考虑强度等级对裂缝的影响时，则随着强度等级的增加，C50混凝土裂缝宽度比C35混凝土裂缝宽度增加近1倍多，因此建议在使用高强度等级混凝土的结构工程中，低强度等级混凝土的养护方式可能并不适用，要提高养护效果，优化养护措施，也可适当添加能改善混凝土抗裂性能的外掺料。

(2)从裂缝的开裂时间与贯通时间的角度考虑，自然养护与外养护剂养护C35混凝土最早开裂时间与裂缝贯通时间均晚于C50混凝土，但相差不大，原因在于处于强风干寒地区这种恶劣的气候环境下，2种养护未能提供混凝土良好的养护条件，抗裂圆环的开裂存在一部分外界条件的影响。土工布养护与保温保湿养护C35混凝土最早开裂时间与裂缝贯通时间晚于C50混凝土，且C35混凝土裂缝的发展明显滞后于C50混凝土，甚至保温保湿养护下的C35抗裂圆环即使一开始出现裂缝，但最终未贯通。因此养护方式的选择对防止混凝土开裂或控制裂缝的发展有重要影响，合理的养护会降低混凝土在强度发展过程中开裂的可能性。

3.3 不同强度混凝土桥墩抗裂性分析

混凝土桥墩的养护如图1所示，实时检测桥墩表面裂缝的开裂情况，墩身表面裂缝信息汇总见表3。

表3 桥墩开裂信息统计Table 3 Statistical information of cracks on bridge piers

通过桥墩表面裂缝宽度与裂缝的最早开裂时间2个评价指标评判不同强度等级混凝土抗裂性能差异。不同养护区域裂缝开裂情况见图4。

图4 不同养护区域裂缝开裂情况Fig.4 Crack width and cracking age in areas with different curing methods

由图4可知：

(1)强风干寒地区强度等级为C35的土工布养护区域和保温保湿养护区域未出现裂缝，其他养护区域均有裂缝的出现。从裂缝宽度角度考虑，C50混凝土养护区域裂缝宽度均大于C35混凝土养护区域裂缝宽度，按照《混凝土结构工程质量验收规范》(GB 50204—2015)中裂缝宽度<0.2 mm的规定，在已出现的裂缝中，C50养护剂养护区域裂缝、C35自然养护区域裂缝、C50自然养护区域裂缝均不符合规范所规定的限值。因此较C35混凝土，采用C50混凝土时在实际构件中因为强度等级的提高更容易出现裂缝，且引发病害裂缝的可能性更高，在实际工程中应予以重视。

(2)如果能明确混凝土出现裂缝的时间范围，在实际工程中对裂缝的防止与控制有很大帮助。从图4可以分析出，不同养护区域内所出现的裂缝当中最晚的为墩身拆模后144 h，其他均分布在墩身拆模后的5 d之内，也是墩身混凝土早期强度增长最快的时间范围，这与抗裂圆环裂缝规律分析是一致的。不同养护方式下裂缝出现的早晚有明显区别，土工布与保温保湿养护下C50混凝土区域裂缝出现较晚，C35区域不产生裂缝，自然养护与养护剂养护区域裂缝产生较快，同种养护方式不同强度等级混凝土区域C50裂缝产生均早于C35裂缝。从实际混凝土桥墩裂缝开展情况表明，容易在混凝土早期强度增长过程中产生裂缝，混凝土强度等级越高，裂缝出现的时间会越早，这与抗裂圆环裂缝产生规律一致，因此在强风干寒地区这种恶劣的气候条件下，采取合理的养护措施，加强混凝土早期裂缝的防控对实际工程质量的提高有重要意义。

4 结 论

(1)在强风干寒地区，当混凝土外界影响因素相同时，混凝土强度越高，混凝土越容易开裂。C35混凝土裂缝的最早开裂时间晚于C50混凝土,C35混凝土裂缝宽度绝大多数小于C50混凝土，要注重高强度等级混凝土的裂缝防控。

(2)在强风干寒地区，养护方式对防止早期混凝土强度增长过程中产生裂缝有重要影响，同种强度混凝土采用的不同养护方式中保温保湿养护方式防止混凝土开裂效果最佳。不同强度混凝土采用同种养护方式时，强度等级高的混凝土容易产生裂缝。在采取的4种养护措施中，从裂缝的开裂宽度与裂缝最早开裂时间来看，保温保湿养护下混凝土抗裂性能最优，其次为土工布养护、外养护剂养护、自然养护。

(3)强风干寒地区早期混凝土桥墩强度增长过程中容易产生裂缝，裂缝的开裂时间大部分分布在混凝土拆模的前5 d之内，因此要加强混凝土早期养护，采取必要的防止裂缝产生的防控措施。