桥梁混凝土干缩病害机理与治理措施研究

朱济初

摘要：桥梁混凝土在早期的养护期间会由于干燥收缩造成干缩裂纹，给桥梁的长期稳定性和耐久性埋下安全隐患。文章通过研究混凝土干燥收缩的机理，设计三种不同湿度的养护条件，测量试样在不同龄期下的收缩应变和抗压强度、弹性模量和抗拉强度等基本力学性能，得到如下结论：（1）环境湿度对混凝土早期收缩变形影响显著，湿度越小，变形越大，发展速率越大;（2）封闭养护较干燥养护，弹性模量提高了8.2%，抗拉强度提高了18.3%，抗压强度影响不大。

关键词：干燥收缩;干缩裂纹;湿度;收缩应变;力学性能

0 引言

在建筑行业高速发展的今天，混凝土作为常见的建筑材料已经得到普遍的推广，如桥梁结构中混凝土就占很大比重。混凝土的性能一直是人们研究的重点方向，其中混凝土在施工和后期运营期间由于干燥收缩和外部荷载等因素易产生干缩病害。干缩一旦形成，混凝土表面就会产生许多裂缝，随着时间的延长，表面裂缝的深度和数量都会继续发展，这对混凝土的长期稳定性将是极其不利的[1-2]。

混凝土的收缩变形具有包含干燥收缩在内的五种形式[3-4]，其中干收缩对混凝土的影响较为显著，本文主要针对混凝土干燥收缩引起的裂缝病害进行机理和治理措施的研究。混凝土产生收缩变形的主要因素是所处环境的湿度与其内部湿度存在差异，导致在湿度梯度作用下混凝土内部水分散失，从而引发收缩变形。因此对于湿度场的研究一直是人们研究的重点[5-7]，20世纪80年代国外Kenji Sakata就湿度对混凝土干缩应变的影响展开了研究[8]，国内黄海达和蒋正武等通过室内试验和理论计算得到了混凝土常微分湿度控制方程及水灰比和养护条件对混凝土内部湿度变化的影响情况[9-11]。

为了研究湿度场对于混凝土干缩应变的影响，本文设计了三种不同的养护条件，通过对混凝土的早期力学性质和收缩变形进行研究，以得到环境湿度对混凝土收缩病害的影响机理并研究相应的治理措施。

1 收缩机理和试验设计

1.1 收缩机理

目前的研究表明，混凝土收縮变形产生的主要原因有两种：一种是由于材料内部的初湿度和外界环境的湿度存在差异，导致材料内水分的迁移和散失，从而引发的干收缩;另一种是自收缩，这种收缩是材料内部的水化反应引起的，这个过程会消耗自身的水分。

自收缩中化学收缩占混凝土收缩变形的比重最大。化学收缩是化学反应过后反应物绝对体积的降低，而自收缩是水分散失前后混凝土宏观体积的降低。自收缩影响远远小于化学收缩对材料体积产生的影响。在不考虑水分交换的前提下，自收缩和化学收缩的关系图如图1所示。干收缩与自收缩不同，干收缩是材料内部水分散失到外界引发的收缩现象。目前关于干燥收缩的机理研究认为，干燥收缩根据环境湿度可分为毛细管应力理论、劈张力理论、表面自由能理论和层间水理论。根据大部分现场湿度及研究得出毛细管张力对普通混凝土的影响最大。毛细管应力理论如式（1）所示。

1.2 试验设计

为了探究外界环境湿度对混凝土材料干收缩以及基本力学性能的影响，本文预设计三种不同湿度的养护条件，分别是可遮雨的室外自然条件下的养护、控制湿度和温度的养护条件（湿度为50%左右、温度为15 ℃左右）、封闭条件下的养护（铝箔胶带和塑料袋密封）。为了排除其余众多因素的影响，本次试验所用的试样均不添加外加剂，试样的配比参数如表1所示，混凝土的等级为C40。

试验的主要目的是测量在不同的养护条件下，试样在不同龄期下的干缩应变和抗压强度、弹性模量和抗拉强度等基本力学性能。测量干缩应变的试样尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，每种养护环境下设置一组试样，每组3个试样，一共9个试样;测量抗压强度的试样尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，三种养护环境和三个养护龄期下设置了9组试样，每组3个试样，一共27个试样;测量不同养护环境下养护龄期28 d时混凝土弹性模量和抗拉强度的试样尺寸为150 mm×150 mm×300 mm，六组共18个试样。本次试验总计54个有效试样。

2 试验结果分析

2.1 干缩应变分析

本次试验为了测量试样在不同养护条件下的干缩应变，仪器采用埋入试样内部的振弦式应变计和JMZX-3001综合测试仪。浇筑48 h后拆模，此时开始记录试样的干缩应变。即干缩应变开始龄期为第3 d，此后每天测量干缩应变。通过每组三个试样的应变平均值，选取前10 d不同养护条件下的应变随养护条件的变化规律（如图2所示）。

从图2中可以看出，三种养护条件下，试样的干缩应变均随着龄期的增加而增长，但是在封闭条件下的应变增长速率明显较慢，其次为室外自然条件下的养护，最快的是干燥条件下的养护。当养护龄期为10 d时，封闭养护下的收缩应变为79×10-6，而室外养护和干燥养护下的收缩应变分别为199×10-6和232×10-6，分别为封闭养护下的2.5倍和2.9倍。继续记录后期应变的变化情况，发现当养护龄期为50 d时，收缩应变增长速率均开始变缓，封闭养护下的收缩应变为250×10-6，室外养护和干燥养护下的收缩应变分别为450×10-6和550×10-6，分别为封闭养护下的1.8倍和2.2倍。综合上述的结果可以发现，混凝土在早期养护时，通过密封表面，能有效地减小混凝土的干缩应变，从而减少混凝土内部裂纹的数量，间接地改善其性能。

2.2 抗压强度分析

通过测量三种养护环境下试样在龄期分别为7 d、14 d和28 d下的抗压强度，取每组三个试样的平均值后，得到的强度变化如图3所示。从图中可以看出，三种养护环境下试样的强度变化趋势相同，都是前期增长迅速，室外环境、干燥环境和封闭环境下养护龄期为14 d时的强度能分别达到养护龄期28 d时强度的94.8%、94.0%和93.6%。室外自然养护条件下的试样在相同龄期下强度最低，这主要是因为室外自然条件随着时间的变化，会出现很多不确定的因素，如昼夜温差较大，湿度随天气变化较明显等，而干燥环境和封闭环境下，试样的强度相差不大。这说明只是单一的控制养护环境的湿度，对于混凝土早期的强度影响并不是很明显，但是封闭条件下能保证试样的强度。

2.3 弹性模量和抗拉强度分析

混凝土由于干缩会产生拉应力，而混凝土的抗拉强度本身较低，当这个拉应力超过混凝土本身的抗拉强度时，混凝土就会产生裂缝。这些裂缝的存在对于混凝土的长期稳定性和耐久性是一个巨大的安全隐患，因此研究混凝土的抗拉强度和弹性模量是十分有必要的。通过将试样在三种养护条件下养护28 d，测量其弹性模量和抗拉强度，取每组三个试样的平均值，得到的结果如图4所示。

从图4可以看出，封闭条件养护下试样的弹性模量和抗拉强度均最高，分别为34.0 GPa和3.51 MPa，与室外养护和干燥养护相比，弹性模量分别上升了3.2%和8.2%;抗拉强度分别上升了10.9%和18.3%。因此，早期混凝土通过密封养护，能有效地提高试样的弹性模量和抗拉强度。

3 结语

通过研究混凝土干燥收缩的机理，设计三种不同湿度的养护条件，测量试样在不同龄期下的收缩应变和基本力学性能，得到如下结论：（1）环境湿度对混凝土早期收缩变形影响显著，湿度越小，变形越大，发展速率越大;（2）封闭养护較干燥养护，试样的弹性模量提高8.2%，抗拉强度提高18.3%，对抗压强度影响不大。

参考文献：

[1]梅安今.钢筋混凝土和普通水泥混凝土路面温缩应力、干缩应力和板长[J].公路交通科技，1998（4）：3-9.

[2]严吴南，蒲心诚，王 冲，等.超高强混凝土的化学收缩及干缩研究[J].施工技术，1999（5）：19-20.

[3]赵志缙.高层建筑施工手册[M].上海：同济大学出版社，1991.

[4]Eiichi Tazawa，Shingo Miyazawq，Tetsurou Kasai. Chemical shrinkage and autogenous shrinkage of hydrating cement paste[J]. Cement and Concrete Research，1995，25（2）：288-292.

[5]蒋正武，王培铭.等温干燥条件下混凝土内部相对湿度的分布[J].武汉理工大学学报，2003，25（7）：19-21.

[6]黄 瑜，祁 锟，张 君.早龄期混凝土内部湿度发展特征[J].清华大学学报（自然科学版），2007，47（3）：309-312.

[7]张 君，侯东伟.基于内部湿度试验的早龄期混凝土水分扩散系数求解[J].清华大学学报（自然科学版），2008，48（12）：2 033-2 035.

[8]Kenji Sakata. A study on moisture diffusion in drying and drying shrinkage of concrete[J]. Cement and Concrete Research，1983（13）：216-224.

[9]黄达海，刘光廷.混凝土等温传湿过程的试验研究[J].水利学报，2002，6（6）：96-100.

[10]于 韵，蒋正武.不同养护条件下混凝土早期内部相对湿度变化的研究（一）[J].建材技术与应用，2003（5）：3-4.

[11]于 韵，蒋正武.不同养护条件下混凝土早期内部相对湿度变化的研究（二）[J].建材技术与应用，2003（6）：6-7.