中小跨徑混凝土橋梁膨脹開裂調(diào)控方法研究

李維忠，王 亞，熊 芳

(中國礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院，寧夏 銀川 750011)

1 引言

由于混凝土價(jià)格低廉、取材廣泛、可澆筑為各種材料、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低、不易風(fēng)化與耐火性好等原因，成為目前世界建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)最廣泛使用的建筑材料之一[1]。但是，大量理論分析與工程實(shí)踐證明，混凝土結(jié)構(gòu)基本上都存在開裂風(fēng)險(xiǎn)，只是有些開裂比較細(xì)小，甚至肉眼無法看到，而這些裂縫一般不會(huì)對建筑物產(chǎn)生較大危害，是一種允許存在的問題，但是有些縫隙在化學(xué)元素、荷載或外界因素的影響下，會(huì)不斷的出現(xiàn)膨脹與擴(kuò)展問題，這就會(huì)導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)碳化、保護(hù)層脫落、混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度與硬度遭到削弱，耐久性嚴(yán)重下降，甚至情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)部分坍塌事件，危害建筑物的正常使用，因此必須對其加以控制[2，3]。

近年來，我國的交通建設(shè)獲得了快速的發(fā)展，各地也興建了很多中小型跨徑混凝土橋梁。在構(gòu)建橋梁與使用的過程內(nèi)，有關(guān)受到開裂與膨脹而干擾的工程質(zhì)量的問題數(shù)不勝數(shù)，甚至有些膨脹開裂會(huì)引起橋梁的坍塌[4]?；炷翗蛄旱拈_裂膨脹可以說是一種多發(fā)病，這也一直困擾著橋梁工程的技術(shù)人員。其實(shí)，如果擬定適當(dāng)?shù)牡脑O(shè)計(jì)與方法，很多的開裂都是能夠克服與控制的。

為了解決傳統(tǒng)混凝土橋梁膨脹開裂調(diào)控方法安全性不佳、橋梁的耐久性能差等問題，進(jìn)一步加強(qiáng)對混凝土橋梁膨脹開裂的認(rèn)識，盡量免除工程內(nèi)出現(xiàn)危害較大的裂縫、延長橋梁的使用時(shí)間與安全性，對中小跨徑混凝土橋梁膨脹開裂調(diào)控方法進(jìn)行研究。通過聚羧酸分子結(jié)構(gòu)締合對混凝土橋梁的膨脹開裂進(jìn)行調(diào)控，計(jì)算橋梁各方面數(shù)值，擬定橋梁膨脹開裂的閾值，依靠混凝土橋梁的數(shù)值，添加一定比例的聚羧酸締合分子，使橋梁的質(zhì)量密度能夠得到補(bǔ)充，最后依靠保塑劑結(jié)合聚羧酸締合分子完成對混凝土橋梁的調(diào)控。

2 中小跨徑混凝土橋梁膨脹開裂調(diào)控

2.1 混凝土橋梁膨脹開裂原因分析

混凝土橋梁產(chǎn)生膨脹開裂的因素有很多，其中最為常見的就是因?yàn)闈穸扰c溫度的變化、混凝土內(nèi)材料比例調(diào)和不均勻、橋梁架構(gòu)設(shè)計(jì)不合理與原材料不合格或模板變形等[5]。

在混凝土橋梁硬化期內(nèi)水泥會(huì)產(chǎn)生大量的水化熱，同時(shí)內(nèi)外溫度差異較大，在混凝土的表面會(huì)產(chǎn)生顯著的拉應(yīng)力。在之后的降溫過程中，由于被橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與老混凝土的約束，其內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生不小的拉應(yīng)力[6，7]。氣溫驟降也會(huì)在表面出現(xiàn)較強(qiáng)的拉應(yīng)力。而一旦這些拉應(yīng)力超過了混凝土橋梁的抗裂閾值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生局部開裂或膨脹問題。大多數(shù)混凝土橋梁內(nèi)部的濕度不會(huì)出現(xiàn)太大的波動(dòng)，但其表面的濕度會(huì)隨著外界影響產(chǎn)生劇烈變化[8]。比如，時(shí)濕時(shí)干，橋梁表面在干縮變形時(shí)會(huì)受到混凝土質(zhì)量的約束，如果質(zhì)量不合格也會(huì)致使橋梁產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。

混凝土是一種較脆的材料，其抗壓的強(qiáng)度大約在1/10之間。如果原材料出現(xiàn)調(diào)制不均勻或水灰比例不穩(wěn)定的情況，那么混凝土在運(yùn)送或澆灌的過程中就會(huì)產(chǎn)生離析現(xiàn)象，在同一塊混凝土里其抗拉程度又不是均衡的，具有較多抗拉性能等，容易產(chǎn)生開裂的薄弱區(qū)域，在混凝土橋梁中，大部分的拉應(yīng)力都是鋼筋承受的，而混凝土只會(huì)承受小部分壓應(yīng)力。在橋梁的邊緣出如果出現(xiàn)了拉應(yīng)力，那么這些拉應(yīng)力就需要混凝土自身承受。通常在混凝土橋梁的設(shè)計(jì)內(nèi)，都會(huì)設(shè)計(jì)一些內(nèi)部不易產(chǎn)生拉應(yīng)力或產(chǎn)生拉應(yīng)力較小的架構(gòu)。但在施工過程內(nèi)，混凝土?xí)驗(yàn)樽罡邷囟润E然降低，導(dǎo)致架構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)加大的拉應(yīng)力。有時(shí)溫度應(yīng)力會(huì)超過其它外荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力，因此掌握溫度應(yīng)力的轉(zhuǎn)換規(guī)律對于混凝土橋梁的建設(shè)是尤為重要的。

2.2 混凝土橋梁內(nèi)應(yīng)力計(jì)算

混凝土在凝結(jié)的過程內(nèi)會(huì)出現(xiàn)能夠被允許存在的膨脹現(xiàn)象，在臨邊單元與鋼筋的約束下，混凝土就會(huì)隨著這些膨脹現(xiàn)象出現(xiàn)一些自應(yīng)力，該應(yīng)力的數(shù)值能夠通過下式進(jìn)行計(jì)算

σc=ρEs×εp

(1)

其中，σc代表混凝土的自應(yīng)力Mpa，ρ代表截面的配筋率%，Es代表關(guān)進(jìn)的彈性模量Mpa，εp代表鋼筋的膨脹率限制%。

通過式(1)能夠看出，在鋼筋彈性模量與配筋率成一定比例時(shí)，混凝土橋梁的自應(yīng)力與膨脹率的值是成正比的。因?yàn)榕蛎浀臉蛄?，其部分區(qū)域存在一定的自應(yīng)力，可以抵消因?yàn)榛炷潦湛s而產(chǎn)生的拉應(yīng)力，使的混凝土在收縮抗性上獲得提升，進(jìn)而可有效的縮短中小跨徑結(jié)構(gòu)的開裂的時(shí)間，其原理如圖1所示。

圖1 混凝土橋梁膨脹開裂原理

通過圖1能夠得知，普通混凝土的溫度收縮應(yīng)力曲線是ABCDE，在超出B，D兩點(diǎn)的時(shí)候，σ>ftk，就是溫度應(yīng)力高過混凝土抗拉性的閾值，這時(shí)混凝土就會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，同時(shí)釋放內(nèi)部的應(yīng)力能量，其溫度收縮的應(yīng)力曲線如FGHNJ所示，在比G，N兩點(diǎn)高時(shí)，即σ>ftk，這時(shí)出現(xiàn)開裂狀態(tài)，但開裂時(shí)的結(jié)構(gòu)長度較比普通混凝土開裂的時(shí)候有顯著的增長，為了抑制開裂的發(fā)生，在G，H兩點(diǎn)擬定膨脹加強(qiáng)帶，讓原G，N兩點(diǎn)的應(yīng)力縮減到K，M兩點(diǎn)，但最后的結(jié)構(gòu)中部L點(diǎn)最大應(yīng)力值不會(huì)超過混凝土的抗拉程度標(biāo)準(zhǔn)閾值，就是σ

2.3 混凝土補(bǔ)償收縮計(jì)算

2.3.1 干縮值εy(t)計(jì)算

(2)

2.3.2 冷縮值ST計(jì)算

因?yàn)樗療釋?dǎo)致的混凝土橋梁內(nèi)部絕熱溫升，其描述式如下所示

Th=mc×Q(1-e-mt)/z×ρ

(3)

其中，Th代表絕熱溫升，即指在架構(gòu)附近不含有任何散熱條件或在沒有產(chǎn)生任何損耗的情況下，水泥在出現(xiàn)水化反應(yīng)之后，產(chǎn)生的水化熱都會(huì)急速升溫值最高溫度，mc代表混凝土橋梁內(nèi)水泥的用量，Q代表水泥水化熱，其二十八天的水化熱即450.16×103J/kg，ρ代表混凝土橋梁的質(zhì)量密度，z代表混凝土橋梁的比熱，其通常是0.92～1.0，取0.96×103J/(kg·K)，e代表常數(shù)，m代表不同水泥種類在灌注時(shí)與溫度存在關(guān)聯(lián)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，通常取值是0.2到0.4之間，t代表估算時(shí)混凝土橋梁的齡期。

考慮到混凝土橋梁表面會(huì)出現(xiàn)散熱的干擾，散熱系統(tǒng)取0.6，那么通過水化熱導(dǎo)致的溫升值就是T1=0.6Th。

混凝土橋梁的最大冷縮值為

ST=a(T1+T2)

(4)

其中，a代表混凝土橋梁的線膨脹系數(shù)，其取值是1.0×10-5，T2代表在施工期間內(nèi)周圍環(huán)境溫度的平均差。

2.3.3 極限拉伸值εq計(jì)算

εq=7.5ft(0.1+μ/d)10-4(1nt/1n28)

(5)

其中，εq代表混凝土橋梁的極限拉伸值，ft代表混凝土橋梁的抗拉程度設(shè)計(jì)值，μ代表配筋率μ=Fa/Fc，d代表鋼筋的直徑，t能夠描述成目標(biāo)的固定齡期。

對于混凝土的徐變影響，安全向的設(shè)定成單性極限的0.5倍，則混凝土的極限拉伸值能夠描述成εq=(1+0.5)εq。

2.3.4 加強(qiáng)帶限制膨脹率

εx(t)=?×3.33t×10-4/(1.87+v)

(6)

其中，?代表偏離設(shè)定閾值條件的干擾系數(shù)，t代表混凝土橋梁的齡期。

通過估算獲得εy+ST-εx<εq，所以混凝土橋梁不會(huì)出現(xiàn)開裂的情況。

在對混凝土橋梁的膨脹進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要注意的是混凝土橋梁的極限拉伸值，而極限拉伸值內(nèi)除了需要考慮配筋率的干擾外，還需要考慮混凝土橋梁的徐變情況，此外，中小跨徑混凝土橋梁的受拉徐變會(huì)比大型跨徑混凝土橋梁高30%，從偏于安全的角度能夠忽略不考慮。

2.4 基于聚羧酸分子結(jié)構(gòu)的混凝土橋梁膨脹開裂調(diào)控

上述計(jì)算出了混凝土橋梁的干縮、冷縮、極線拉伸值與加強(qiáng)帶的限制膨脹率，那么下一步即：通過這些數(shù)據(jù)，使用聚羧酸分子對混凝土橋梁進(jìn)行宏觀的調(diào)控，其流程如下所示：

首先，通過控制特殊的酯化工藝，使羧酸聚合物分子之間出現(xiàn)較大的締合，混凝土內(nèi)的水泥水化時(shí)，這種締合大分子高聚物會(huì)持續(xù)排放出小分子高聚物，進(jìn)而補(bǔ)充因水泥水化所產(chǎn)生顆粒間的橋接或溶液環(huán)境里外加劑的濃度縮減所產(chǎn)生的坍落度經(jīng)時(shí)損失，其具體流程如下所示。

挑選聚乙二醇單甲醚大分子，當(dāng)做梳形架構(gòu)的長側(cè)鏈，把長側(cè)鏈和丙烯酸進(jìn)行酯化，進(jìn)而融入可聚合單元，通過丙烯酸的巨量羧基來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單體，把其和丙烯酸進(jìn)行聚合，獲得締合型長效保塑劑。如圖2、3所示。

通過圖2能夠看出，保塑劑存在三種分子量的分布特征峰，Mp=562的特征峰能夠被當(dāng)做丙烯酸的小分子聚集體，Mp=198531與Mp=2284347的特征峰能夠描述成保塑劑的特征峰，另外，還能夠得知，保塑劑的分子量分布范圍較寬，甚至?xí)瑑煞N正態(tài)分布特征峰，其Z均分子量為MZ=63841954，重均分子量為MW=14357847，多分散系數(shù)是4.8，這和其它聚羧酸外加劑的分子量分布具有較大的差異。

圖2 保塑劑的凝膠滲透圖譜

保塑劑內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)兩種典型的架構(gòu)：一種即圖3內(nèi)的A型締合架構(gòu)，此外，還有一種就是圖3內(nèi)的B型傳統(tǒng)的聚羧酸架構(gòu)，A型架構(gòu)即B型的簡單架構(gòu)，經(jīng)過分子締合組成。在聚酯型高效保塑劑內(nèi)B型的架構(gòu)含量最低，A型的架構(gòu)含量最高，在水泥水化反應(yīng)剛剛開始的時(shí)候，其減水的作用主要是依靠B型架構(gòu)來提供的，A型架構(gòu)因?yàn)殄^固點(diǎn)稀少，使用的概率不會(huì)很大，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，混凝土環(huán)境內(nèi)因?yàn)樗磻?yīng)而出現(xiàn)了巨量的堿性物質(zhì)，在堿性狀態(tài)下，締合的分子架構(gòu)會(huì)受到損壞，產(chǎn)生大量的B型架構(gòu)，進(jìn)而提升了液相狀態(tài)內(nèi)B型架構(gòu)高分子的濃度，提升了外加劑的分散效果，隨著時(shí)間的不斷流逝，液相狀態(tài)下B型架構(gòu)的濃度會(huì)逐漸增大，并且因?yàn)樗磻?yīng)的進(jìn)行，B型架構(gòu)也會(huì)隨著水化時(shí)間的流逝而逐漸縮小，在B型架構(gòu)的增加速度超過其損耗的速度時(shí)，在宏觀上就會(huì)描述成混凝土橋梁的塑形隨著時(shí)間的流逝，而產(chǎn)生增大的效果。

圖3 保塑劑的分子架構(gòu)圖

3 仿真證明

3.1 試件設(shè)計(jì)

仿真擬定了四組試件，每組試件為五個(gè)，混凝土橋梁試件澆筑的長度為100mm×100mm×400mm，混凝土試件的質(zhì)量等級為C30。其能夠分成：箍筋的間距70mm、10mm，混凝土的保護(hù)厚度25mm各一組，箍筋間距是70mm、10mm，混凝土保護(hù)層厚度40mm各一組。其中箍筋的間距即70mm，試件兩段需要在一定的范圍內(nèi)去除箍筋，間距為100mm的試件兩段需要在一定范圍內(nèi)安裝箍筋，試件配筋的配置是：安裝一根Φ16的兩根架立筋與縱向受力鋼筋，并對后者筋進(jìn)行除銹處理，同時(shí)分別連接導(dǎo)線，使用環(huán)氧樹脂進(jìn)行密封，箍筋利用并刷防銹漆進(jìn)行保護(hù)，具體的配筋狀況如圖4所示。

圖4 試件配筋圖

使用ABAQUS軟件分析平臺(tái)，按照真實(shí)的混凝土橋梁狀況進(jìn)行建模，通過實(shí)體單元C3D8R對混凝土橋梁進(jìn)行描述，設(shè)定B32為鋼筋的梁單元，實(shí)體單元與梁單元之間的相互作用，是通過嵌入的形式進(jìn)行約束的。銹脹力在混凝土與縱筋的交接面進(jìn)行內(nèi)壓模擬，橋梁邊界條件：對剛體位移進(jìn)行約束。為了確保計(jì)算結(jié)果的對比性，在同等保護(hù)層厚度的情況下，將網(wǎng)格進(jìn)行同等的劃分，沿著跨度方向，以100mm為間距對網(wǎng)格進(jìn)行劃分，同時(shí)細(xì)化處理網(wǎng)格橫截面，尤其是混凝土的縱向鋼筋與接觸面附近，其具體情況如圖5所示。

中華文明對泛北部灣地區(qū)產(chǎn)生深刻影響。歷史上，中國就通過各種邊貿(mào)活動(dòng)、友好訪問和邀請外國使者來訪等活動(dòng)將傳統(tǒng)的絲綢、陶瓷、茶葉、紙張等銷往海外，早期開辟的海上絲綢之路就經(jīng)過東南亞等國。通過商貿(mào)活動(dòng)和人口遷移，有大量華僑遷徙到東南亞國家，而他們還保留著中國傳統(tǒng)的思想、文化與生活方式，并對當(dāng)?shù)厝水a(chǎn)生影響。

混凝土的彈性模量取2.0×104Mpa，抗拉程度擬定為2.0Mpa，泊松比是0.2，箍筋彈性模量是2.0×105Mpa，泊松比是0.3。

圖5 混凝土與鋼筋接觸面分析模型

3.2 仿真結(jié)果

3.2.1 保護(hù)層厚度對混凝土橋梁試件膨脹開裂的影響

保護(hù)層的厚度為25mm的試件在鋪設(shè)240h之后，其表面會(huì)產(chǎn)生一些細(xì)小的開裂狀況，而保護(hù)層厚度為40mm的試件在鋪設(shè)360h之后，也會(huì)出現(xiàn)明顯的裂縫。產(chǎn)生這種差異的原因就是：隨著保護(hù)層厚度的上升，試件可以承受的最大膨脹開裂值增大。

3.2.2 聚羧酸分子對試件膨脹開裂的調(diào)控影響

在四組試件內(nèi)，挑選距縱向鋼筋長度為保護(hù)層厚度試件頂面處a段(聚羧酸分子構(gòu)建的混凝土橋梁)與b段(普通混凝土橋梁)處實(shí)驗(yàn)對象，記錄開裂的寬度隨時(shí)間變化的曲線，如圖6所示。

圖6 開裂寬度隨時(shí)間變化的曲線圖

通過圖6能夠看出，試件頂端的開裂痕跡會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸變寬，但是通過聚羧酸分子構(gòu)建的混凝土橋梁位置處的開裂寬度(a段)總是小于普通的混凝土橋梁(b段)，這就證明聚羧酸分子的存在能夠有效的抑制開裂膨脹的發(fā)展。

4 結(jié)束語

為了延長混凝土橋梁的使用齡期，提升橋梁安全性，提出了一種基于聚羧酸分子結(jié)構(gòu)的混凝土橋梁膨脹開裂調(diào)控方法，通過添加聚羧酸分子結(jié)果與保塑劑對橋梁的膨脹開裂進(jìn)行調(diào)控。

通過實(shí)驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：

1)保護(hù)層厚度變厚，試件能夠承受的最大膨脹開裂值增大。當(dāng)試件保護(hù)層厚度為25mm時(shí)，鋪設(shè)時(shí)間在240h后，其表面會(huì)產(chǎn)生一些細(xì)小的開裂狀況；當(dāng)厚度為40mm時(shí)，在鋪設(shè)360h后，才會(huì)出現(xiàn)明顯裂縫。

2)隨著時(shí)間的推移，試件頂端的開裂痕跡會(huì)逐漸變寬，當(dāng)鋪設(shè)時(shí)間為10h時(shí)，所提方法的開裂寬度僅為0.13mm。

但是所提方法目前只針對中小型跨徑的混凝土橋梁，卻無法對大型橋梁進(jìn)行調(diào)控，因此，下一步要研究的課題即：在聚羧酸分子算法的基礎(chǔ)上添加激光三維建模，從而對大型跨徑混凝土橋梁進(jìn)行膨脹開裂調(diào)控。