中小跨径混凝土桥梁膨胀开裂调控方法研究

李维忠，王 亚，熊 芳

(中国矿业大学银川学院，宁夏 银川 750011)

1 引言

由于混凝土价格低廉、取材广泛、可浇筑为各种材料、养护费用低、不易风化与耐火性好等原因，成为目前世界建筑结构内最广泛使用的建筑材料之一[1]。但是，大量理论分析与工程实践证明，混凝土结构基本上都存在开裂风险，只是有些开裂比较细小，甚至肉眼无法看到，而这些裂缝一般不会对建筑物产生较大危害，是一种允许存在的问题，但是有些缝隙在化学元素、荷载或外界因素的影响下，会不断的出现膨胀与扩展问题，这就会导致混凝土出现碳化、保护层脱落、混凝土构件的强度与硬度遭到削弱，耐久性严重下降，甚至情况严重时会出现部分坍塌事件，危害建筑物的正常使用，因此必须对其加以控制[2，3]。

近年来，我国的交通建设获得了快速的发展，各地也兴建了很多中小型跨径混凝土桥梁。在构建桥梁与使用的过程内，有关受到开裂与膨胀而干扰的工程质量的问题数不胜数，甚至有些膨胀开裂会引起桥梁的坍塌[4]。混凝土桥梁的开裂膨胀可以说是一种多发病，这也一直困扰着桥梁工程的技术人员。其实，如果拟定适当的的设计与方法，很多的开裂都是能够克服与控制的。

为了解决传统混凝土桥梁膨胀开裂调控方法安全性不佳、桥梁的耐久性能差等问题，进一步加强对混凝土桥梁膨胀开裂的认识，尽量免除工程内出现危害较大的裂缝、延长桥梁的使用时间与安全性，对中小跨径混凝土桥梁膨胀开裂调控方法进行研究。通过聚羧酸分子结构缔合对混凝土桥梁的膨胀开裂进行调控，计算桥梁各方面数值，拟定桥梁膨胀开裂的阈值，依靠混凝土桥梁的数值，添加一定比例的聚羧酸缔合分子，使桥梁的质量密度能够得到补充，最后依靠保塑剂结合聚羧酸缔合分子完成对混凝土桥梁的调控。

2 中小跨径混凝土桥梁膨胀开裂调控

2.1 混凝土桥梁膨胀开裂原因分析

混凝土桥梁产生膨胀开裂的因素有很多，其中最为常见的就是因为湿度与温度的变化、混凝土内材料比例调和不均匀、桥梁架构设计不合理与原材料不合格或模板变形等[5]。

在混凝土桥梁硬化期内水泥会产生大量的水化热，同时内外温度差异较大，在混凝土的表面会产生显著的拉应力。在之后的降温过程中，由于被桥梁结构基础与老混凝土的约束，其内部也会产生不小的拉应力[6，7]。气温骤降也会在表面出现较强的拉应力。而一旦这些拉应力超过了混凝土桥梁的抗裂阈值时，就会产生局部开裂或膨胀问题。大多数混凝土桥梁内部的湿度不会出现太大的波动，但其表面的湿度会随着外界影响产生剧烈变化[8]。比如，时湿时干，桥梁表面在干缩变形时会受到混凝土质量的约束，如果质量不合格也会致使桥梁产生开裂现象。

混凝土是一种较脆的材料，其抗压的强度大约在1/10之间。如果原材料出现调制不均匀或水灰比例不稳定的情况，那么混凝土在运送或浇灌的过程中就会产生离析现象，在同一块混凝土里其抗拉程度又不是均衡的，具有较多抗拉性能等，容易产生开裂的薄弱区域，在混凝土桥梁中，大部分的拉应力都是钢筋承受的，而混凝土只会承受小部分压应力。在桥梁的边缘出如果出现了拉应力，那么这些拉应力就需要混凝土自身承受。通常在混凝土桥梁的设计内，都会设计一些内部不易产生拉应力或产生拉应力较小的架构。但在施工过程内，混凝土会因为最高温度骤然降低，导致架构内部出现加大的拉应力。有时温度应力会超过其它外荷载所产生的应力，因此掌握温度应力的转换规律对于混凝土桥梁的建设是尤为重要的。

2.2 混凝土桥梁内应力计算

混凝土在凝结的过程内会出现能够被允许存在的膨胀现象，在临边单元与钢筋的约束下，混凝土就会随着这些膨胀现象出现一些自应力，该应力的数值能够通过下式进行计算

σc=ρEs×εp

(1)

其中，σc代表混凝土的自应力Mpa，ρ代表截面的配筋率%，Es代表关进的弹性模量Mpa，εp代表钢筋的膨胀率限制%。

通过式(1)能够看出，在钢筋弹性模量与配筋率成一定比例时，混凝土桥梁的自应力与膨胀率的值是成正比的。因为膨胀的桥梁，其部分区域存在一定的自应力，可以抵消因为混凝土收缩而产生的拉应力，使的混凝土在收缩抗性上获得提升，进而可有效的缩短中小跨径结构的开裂的时间，其原理如图1所示。

图1 混凝土桥梁膨胀开裂原理

通过图1能够得知，普通混凝土的温度收缩应力曲线是ABCDE，在超出B，D两点的时候，σ>ftk，就是温度应力高过混凝土抗拉性的阈值，这时混凝土就会出现开裂现象，同时释放内部的应力能量，其温度收缩的应力曲线如FGHNJ所示，在比G，N两点高时，即σ>ftk，这时出现开裂状态，但开裂时的结构长度较比普通混凝土开裂的时候有显著的增长，为了抑制开裂的发生，在G，H两点拟定膨胀加强带，让原G，N两点的应力缩减到K，M两点，但最后的结构中部L点最大应力值不会超过混凝土的抗拉程度标准阈值，就是σ

2.3 混凝土补偿收缩计算

2.3.1 干缩值εy(t)计算

(2)

2.3.2 冷缩值ST计算

因为水化热导致的混凝土桥梁内部绝热温升，其描述式如下所示

Th=mc×Q(1-e-mt)/z×ρ

(3)

其中，Th代表绝热温升，即指在架构附近不含有任何散热条件或在没有产生任何损耗的情况下，水泥在出现水化反应之后，产生的水化热都会急速升温值最高温度，mc代表混凝土桥梁内水泥的用量，Q代表水泥水化热，其二十八天的水化热即450.16×103J/kg，ρ代表混凝土桥梁的质量密度，z代表混凝土桥梁的比热，其通常是0.92～1.0，取0.96×103J/(kg·K)，e代表常数，m代表不同水泥种类在灌注时与温度存在关联的经验系数，通常取值是0.2到0.4之间，t代表估算时混凝土桥梁的龄期。

考虑到混凝土桥梁表面会出现散热的干扰，散热系统取0.6，那么通过水化热导致的温升值就是T1=0.6Th。

混凝土桥梁的最大冷缩值为

ST=a(T1+T2)

(4)

其中，a代表混凝土桥梁的线膨胀系数，其取值是1.0×10-5，T2代表在施工期间内周围环境温度的平均差。

2.3.3 极限拉伸值εq计算

εq=7.5ft(0.1+μ/d)10-4(1nt/1n28)

(5)

其中，εq代表混凝土桥梁的极限拉伸值，ft代表混凝土桥梁的抗拉程度设计值，μ代表配筋率μ=Fa/Fc，d代表钢筋的直径，t能够描述成目标的固定龄期。

对于混凝土的徐变影响，安全向的设定成单性极限的0.5倍，则混凝土的极限拉伸值能够描述成εq=(1+0.5)εq。

2.3.4 加强带限制膨胀率

εx(t)=∂×3.33t×10-4/(1.87+v)

(6)

其中，∂代表偏离设定阈值条件的干扰系数，t代表混凝土桥梁的龄期。

通过估算获得εy+ST-εx<εq，所以混凝土桥梁不会出现开裂的情况。

在对混凝土桥梁的膨胀进行计算时，需要注意的是混凝土桥梁的极限拉伸值，而极限拉伸值内除了需要考虑配筋率的干扰外，还需要考虑混凝土桥梁的徐变情况，此外，中小跨径混凝土桥梁的受拉徐变会比大型跨径混凝土桥梁高30%，从偏于安全的角度能够忽略不考虑。

2.4 基于聚羧酸分子结构的混凝土桥梁膨胀开裂调控

上述计算出了混凝土桥梁的干缩、冷缩、极线拉伸值与加强带的限制膨胀率，那么下一步即：通过这些数据，使用聚羧酸分子对混凝土桥梁进行宏观的调控，其流程如下所示：

首先，通过控制特殊的酯化工艺，使羧酸聚合物分子之间出现较大的缔合，混凝土内的水泥水化时，这种缔合大分子高聚物会持续排放出小分子高聚物，进而补充因水泥水化所产生颗粒间的桥接或溶液环境里外加剂的浓度缩减所产生的坍落度经时损失，其具体流程如下所示。

挑选聚乙二醇单甲醚大分子，当做梳形架构的长侧链，把长侧链和丙烯酸进行酯化，进而融入可聚合单元，通过丙烯酸的巨量羧基来提升高分子和水泥分子的吸附性能，利用丙烯酸特殊的酯化方式得到酯化大单体，把其和丙烯酸进行聚合，获得缔合型长效保塑剂。如图2、3所示。

通过图2能够看出，保塑剂存在三种分子量的分布特征峰，Mp=562的特征峰能够被当做丙烯酸的小分子聚集体，Mp=198531与Mp=2284347的特征峰能够描述成保塑剂的特征峰，另外，还能够得知，保塑剂的分子量分布范围较宽，甚至会包含两种正态分布特征峰，其Z均分子量为MZ=63841954，重均分子量为MW=14357847，多分散系数是4.8，这和其它聚羧酸外加剂的分子量分布具有较大的差异。

图2 保塑剂的凝胶渗透图谱

保塑剂内可能会出现两种典型的架构：一种即图3内的A型缔合架构，此外，还有一种就是图3内的B型传统的聚羧酸架构，A型架构即B型的简单架构，经过分子缔合组成。在聚酯型高效保塑剂内B型的架构含量最低，A型的架构含量最高，在水泥水化反应刚刚开始的时候，其减水的作用主要是依靠B型架构来提供的，A型架构因为锚固点稀少，使用的概率不会很大，随着水化反应的进行，混凝土环境内因为水化反应而出现了巨量的碱性物质，在碱性状态下，缔合的分子架构会受到损坏，产生大量的B型架构，进而提升了液相状态内B型架构高分子的浓度，提升了外加剂的分散效果，随着时间的不断流逝，液相状态下B型架构的浓度会逐渐增大，并且因为水化反应的进行，B型架构也会随着水化时间的流逝而逐渐缩小，在B型架构的增加速度超过其损耗的速度时，在宏观上就会描述成混凝土桥梁的塑形随着时间的流逝，而产生增大的效果。

图3 保塑剂的分子架构图

3 仿真证明

3.1 试件设计

仿真拟定了四组试件，每组试件为五个，混凝土桥梁试件浇筑的长度为100mm×100mm×400mm，混凝土试件的质量等级为C30。其能够分成：箍筋的间距70mm、10mm，混凝土的保护厚度25mm各一组，箍筋间距是70mm、10mm，混凝土保护层厚度40mm各一组。其中箍筋的间距即70mm，试件两段需要在一定的范围内去除箍筋，间距为100mm的试件两段需要在一定范围内安装箍筋，试件配筋的配置是：安装一根Φ16的两根架立筋与纵向受力钢筋，并对后者筋进行除锈处理，同时分别连接导线，使用环氧树脂进行密封，箍筋利用并刷防锈漆进行保护，具体的配筋状况如图4所示。

图4 试件配筋图

使用ABAQUS软件分析平台，按照真实的混凝土桥梁状况进行建模，通过实体单元C3D8R对混凝土桥梁进行描述，设定B32为钢筋的梁单元，实体单元与梁单元之间的相互作用，是通过嵌入的形式进行约束的。锈胀力在混凝土与纵筋的交接面进行内压模拟，桥梁边界条件：对刚体位移进行约束。为了确保计算结果的对比性，在同等保护层厚度的情况下，将网格进行同等的划分，沿着跨度方向，以100mm为间距对网格进行划分，同时细化处理网格横截面，尤其是混凝土的纵向钢筋与接触面附近，其具体情况如图5所示。

中华文明对泛北部湾地区产生深刻影响。历史上，中国就通过各种边贸活动、友好访问和邀请外国使者来访等活动将传统的丝绸、陶瓷、茶叶、纸张等销往海外，早期开辟的海上丝绸之路就经过东南亚等国。通过商贸活动和人口迁移，有大量华侨迁徙到东南亚国家，而他们还保留着中国传统的思想、文化与生活方式，并对当地人产生影响。

混凝土的弹性模量取2.0×104Mpa，抗拉程度拟定为2.0Mpa，泊松比是0.2，箍筋弹性模量是2.0×105Mpa，泊松比是0.3。

图5 混凝土与钢筋接触面分析模型

3.2 仿真结果

3.2.1 保护层厚度对混凝土桥梁试件膨胀开裂的影响

保护层的厚度为25mm的试件在铺设240h之后，其表面会产生一些细小的开裂状况，而保护层厚度为40mm的试件在铺设360h之后，也会出现明显的裂缝。产生这种差异的原因就是：随着保护层厚度的上升，试件可以承受的最大膨胀开裂值增大。

3.2.2 聚羧酸分子对试件膨胀开裂的调控影响

在四组试件内，挑选距纵向钢筋长度为保护层厚度试件顶面处a段(聚羧酸分子构建的混凝土桥梁)与b段(普通混凝土桥梁)处实验对象，记录开裂的宽度随时间变化的曲线，如图6所示。

图6 开裂宽度随时间变化的曲线图

通过图6能够看出，试件顶端的开裂痕迹会随着时间的推移逐渐变宽，但是通过聚羧酸分子构建的混凝土桥梁位置处的开裂宽度(a段)总是小于普通的混凝土桥梁(b段)，这就证明聚羧酸分子的存在能够有效的抑制开裂膨胀的发展。

4 结束语

为了延长混凝土桥梁的使用龄期，提升桥梁安全性，提出了一种基于聚羧酸分子结构的混凝土桥梁膨胀开裂调控方法，通过添加聚羧酸分子结果与保塑剂对桥梁的膨胀开裂进行调控。

通过实验可以得出以下结论：

1)保护层厚度变厚，试件能够承受的最大膨胀开裂值增大。当试件保护层厚度为25mm时，铺设时间在240h后，其表面会产生一些细小的开裂状况；当厚度为40mm时，在铺设360h后，才会出现明显裂缝。

2)随着时间的推移，试件顶端的开裂痕迹会逐渐变宽，当铺设时间为10h时，所提方法的开裂宽度仅为0.13mm。

但是所提方法目前只针对中小型跨径的混凝土桥梁，却无法对大型桥梁进行调控，因此，下一步要研究的课题即：在聚羧酸分子算法的基础上添加激光三维建模，从而对大型跨径混凝土桥梁进行膨胀开裂调控。