干旱气候下不同养护方式对混凝土抗裂性能的影响

(1.兰州交通大学 甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，兰州 730070； 2.兰州交通大学 道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，兰州 730070； 3.甘肃路桥第三公路工程有限责任公司，兰州 730050；4.甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司，兰州 730070 )

1 研究背景

目前，西北地区基础设施发展较快，高速铁路、公路等重点交通项目和水利基础设施项目的建设极大地促进了西北交通运输的发展。但是在实际工程建设中，受干旱气候影响，混凝土在浇筑的早龄期易产生裂缝。有效控制混凝土开裂，提高其抗裂性能，是保证结构满足设计使用寿命的关键。由于西北地处干旱地区，气候恶劣，降水量从东部的约400 mm，向西减少到200 mm，甚至降到50 mm以下，昼夜温差达20 ℃以上。混凝土构件的浇筑和使用均处于恶劣的环境中，严重降低混凝土的抗裂性能。在这种恶劣气候条件下，如何满足混凝土抗裂要求成为了关键技术之一。

在早期混凝土裂缝的控制方面，昆建[1]、王铁梦[2]进行了抗裂性试验并分析了混凝土开裂机理。我国目前混凝土的收缩性能及抗裂性试验研究方法也有了较详细的总结和评述[3]。许多学者认为调整配合比、养护条件、养护时间对混凝土的抗裂性能有较大影响[4-6]。国内外很多学者对于混凝土裂缝的产生原理、改善方式也做了不少的理论研究和数理分析[7-9]。但是，西北地区昼夜温差大、干旱地区湿度低、多风地区风速大，针对这种恶劣气候环境中的混凝土开裂及养护研究还比较少[10-11]。得出西北干旱地区混凝土裂缝发展规律，采取适当措施防止混凝土开裂，将对工程质量有重要的指导意义。因此，本文对西北干旱地区混凝土抗裂性能进行研究，得出合适的养护方式以指导现场施工，为特殊环境下的混凝土预防开裂提供科学依据。

2 试 验

2.1 工程背景

白明高速主线起点为内蒙古与甘肃交界的白疙瘩，终点为甘肃与新疆交界的明水附近。试验研究标段路线全长13.929 12 km，共设置大、中桥3座，涵洞14道，通道10处。设计采用高性能混凝土，设计年限100 a，标段内风速≥7 m/s，常年有强风，试验现场昼夜温差达25 ℃，相对湿度为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 抗裂性能试验

本试验研究养护方式对混凝土抗裂性能的影响，选择蒸汽养护、塑料薄膜包裹养护和自然养护3种养护方式，以浇筑混凝土制作的抗裂圆环(浇筑成的试件尺寸为内径305 mm，外径425 mm，壁厚62.5 mm，高度100 mm)试件作为试验对象，对裂缝宽度、开裂时间、裂缝长度和裂缝数目的情况进行统计，分析抗裂性能的优劣性；其次，为了分析现场施工与试验室的差异，制作节段箱梁，箱梁横截面采用与实际梁体相同的尺寸(比例1∶1)，长度为2 m，对比分析箱梁产生的裂缝与抗裂圆环产生的裂缝，并研究了不同养护方式下混凝土抗裂性能的差异。

2.4 养护方式

考虑到特殊的气候环境以及施工常用的养护措施，选择蒸汽养护、塑料薄膜包裹养护、自然养护做对比试验，各养护方式技术要求如下：

(1)蒸汽养护(BM)：现场搭建蒸汽养护棚，借助高温水蒸汽加热混凝土，使混凝土在较高温度(60～65 ℃)和较高湿度(90%以上)的条件下迅速硬化，养护过程与现场实际养护过程保持一致。

(2)塑料薄膜包裹养护(PC)：采用塑料薄膜包裹预制混凝土箱梁和抗裂环，保证四周包裹密实，观测并记录混凝土开裂时间和开裂数量。

(3)自然养护(ZR)：自然养护是将浇筑后的预制混凝土箱梁和抗裂环拆模后置于同施工现场相同的环境中，进行表面洒水养护。

2.5 试验方法

(1)混凝土箱梁的浇筑与现场施工一致，在梁场进行预制；同时用同一批混凝土浇筑抗裂圆环，每种养护方式各3个[13]。

(2)箱梁与抗裂圆环浇筑后，24 h后拆除箱梁模板，12 h后拆除抗裂圆环试模，拆模后进行养护，蒸汽养护7 d，塑料薄膜和自然养护14 d。

(3)抗裂圆环拆模后，即开始进行裂缝的观测，观测频率为1次/(0.5 h)，记录裂缝的出现位置、宽度、长度、数目和开裂时间，当第一条贯通裂缝出现后，结束观测。

(4)箱梁拆模后，开始进行裂缝的观测，观察其表面开裂状况，记录其开裂时间、开裂宽度、裂缝长度和裂缝个数。

3 结果及分析

3.1 不同养护方式下抗裂圆环抗裂试验结果

对混凝土抗裂圆环进行编号，如图1所示。不同养护方式下抗裂圆环开裂统计如表2所示，PC2#1表示塑料薄膜包裹养护下C50混凝土抗裂圆环2#出现的1号裂缝，其他如此类推。采用HC-CK102裂缝测宽仪进行裂缝测试。

图1 抗裂圆环抗裂试验试件Fig.1 Concrete ring specimens for crack resistance test

试件编号裂缝号裂缝平均宽度/mm侧面裂缝高度/mm裂缝位置开裂时间/h10.020顶面374.0BM1#20.060顶面376.030.010顶面384.010.4478侧面、顶面384.0BM2#20.1214侧面、顶面382.030.040顶面382.010.060顶面386.0BM3#20.020顶面386.030.1424侧面、顶面387.011.30100侧面、顶面27.0PC1#20.1646侧面、顶面27.030.080顶面24.011.24100侧面、顶面27.5PC2#20.060顶面24.030.1816侧面、顶面27.0 PC3#11.26100侧面、顶面28.020.0621侧面、顶面28.011.00100侧面、顶面5.6 ZR1#20.040顶面5.630.020顶面5.640.080顶面5.611.50100侧面、顶面6.0 ZR2#20.020顶面6.030.1224侧面、顶面6.040.060顶面6.011.50100侧面、顶面8.3ZR3#20.020顶面8.330.040顶面8.3

图2为自然养护条件下混凝土抗裂环裂缝开展情况。从开裂时间、裂缝数目(图2(a))以及裂缝宽度、侧面裂缝高度(图2(b))分析来看，抗裂效果均较差，在拆模后的8 h之内就出现裂缝；且裂缝最终贯穿整个抗裂环；裂缝数目达到11条，裂缝宽度最大为1.50 mm。试验表明，西北干旱气候降低了混凝土的抗裂性能，仅仅采取自然养护的方式，难以满足混凝土抗裂性要求。

注：图中数据均取最大值图2 不同养护方式下混凝土抗裂环开裂规律Fig.2 Regularities of cracking in concrete ring specimens cured by different methods

采取蒸汽养护和塑料薄膜养护的混凝土抗裂环，混凝土抗开裂性能均高于自然养护，但提高的程度有所不同。相比于自然养护，蒸汽养护下抗裂环推迟开裂时间387 h，塑料薄膜养护推迟28 h，证明蒸汽养护的保温保湿效果最佳，避免混凝土开裂的效果最好，塑料薄膜养护次之。蒸汽养护下混凝土裂缝宽度最大值较自然养护的1.50 mm减小到0.44 mm，而塑料薄膜养护在控制裂缝宽度方面的效果不明显，混凝土裂缝数目为9条，比自然养护下减少3条。另外，蒸汽养护下混凝土裂缝没有贯通整个抗裂环。而薄膜养护与自然养护产生的裂缝贯穿整个抗裂环。

综上所述，干旱地区特殊的气候条件对混凝土抗裂性能产生不利影响，这主要是因为混凝土在养护期间很难从外界获得水分补充，而其内部水分大量向外散失，产生干缩裂缝。对此，所采取的养护方式应具有良好的保温保湿性。

3.2 不同养护方式下箱梁抗裂试验结果分析

通过分析混凝土箱梁表面裂缝的开裂情况，评价不同养护方式下混凝土箱梁抗裂性能的差异。对裂缝的开裂情况统计如表3—表5所示。不同养护方式下箱梁抗裂试验结果如图3所示。

表3 混凝土箱梁裂缝数目统计Table 3 Number of cracks in the concrete box girders

表4 混凝土箱梁裂缝宽度统计Table 4 Statistics of crack width of concrete box girders

表5 混凝土箱梁裂缝长度统计Table 5 Statistics of crack length of concrete box girders

图3 不同养护方式下箱梁抗裂试验结果Fig.3 Test results of crack resistance of box girders cured by different methods

(1)由图3(a)可得出，自然养护的箱梁在拆模后1 d内，产生6条裂缝，在2～8 d龄期内，裂缝数目增长较快,随后的龄期裂缝数目减少。这表明，在混凝土早期龄期内易产生裂缝，故在混凝土浇筑早期应采取有效措施以减少开裂。自然养护的箱梁在龄期14 d时裂缝数目达到了81条。相比之下，蒸汽养护的箱梁在拆模后的第7天开始出现裂缝，并且裂缝数目随龄期变化不大，第14天时只有3条裂缝，仅为自然养护裂缝数目的1/27。薄膜养护虽起到了控制裂缝发展的效果，但效果远远低于蒸汽养护，拆模后第5天开始出现裂缝，第14天裂缝数目达到了54条，表明薄膜养护的保湿作用远不如蒸汽养护。因此，在这种干燥的气候下，若不采取有效的保温保湿养护措施，混凝土箱梁表面会产生较多干缩裂缝，虽暂时不影响箱梁的受力性能，但随着时间的增加，将致使混凝土耐久性降低。

(2)由图3(b)和图3(c)可知，自然养护和薄膜养护下裂缝宽度和长度均随龄期不断增长。蒸汽养护下裂缝的长度和宽度随龄期变化不明显，第14天时裂缝宽度<0.02 mm，长度<10 mm，较自然养护和薄膜养护有很大的改善；自然养护和薄膜养护在前10 d内，裂缝宽度和长度均随龄期增长较快，10 d后趋于平缓，这也表明，混凝土早期易产生裂缝。

(3)据图3(d)分析可知，自然养护下混凝土开裂时间最早，拆模1 d后就会开裂，塑料薄膜在推迟开裂时间上效果不佳，仅晚于自然养护1 d。相比之下，蒸汽养护可有效防止混凝土早期开裂，大大推迟了开裂时间。

综上所述，从裂缝数目、裂缝宽度、裂缝长度和开裂时间分析，西北干旱地区恶劣气候环境降低了箱梁混凝土抗裂性能，需采取必要的措施。在养护方式选择方面，蒸汽养护后的箱梁混凝土抗裂效果最好，薄膜养护效果次之，自然养护效果最差。箱梁与抗裂环所得结论一致。因此在这种恶劣气候条件下应慎重选择养护措施，保证混凝土早期凝结硬化必需的温湿度条件。

4 结 论

(1)改变养护方式，可以提高混凝土抗裂性能。本试验得出：蒸汽养护保温保湿效果最好，能有效减少干旱环境下干缩裂缝的产生，建议恶劣气候环境下采取蒸汽养护来提高混凝土抗裂性能。

(2)在混凝土的早龄期内，裂缝发展较快，常规养护满足不了混凝土抗裂要求，必须采取有良好保温保湿性的养护措施防止混凝土开裂。