中小跨徑混凝土橋梁膨脹開裂調控方法研究

李維忠，王 亞，熊 芳

(中國礦業大學銀川學院，寧夏 銀川 750011)

1 引言

由于混凝土價格低廉、取材廣泛、可澆筑為各種材料、養護費用低、不易風化與耐火性好等原因，成為目前世界建筑結構內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踐證明，混凝土結構基本上都存在開裂風險，只是有些開裂比較細小，甚至肉眼無法看到，而這些裂縫一般不會對建筑物產生較大危害，是一種允許存在的問題，但是有些縫隙在化學元素、荷載或外界因素的影響下，會不斷的出現膨脹與擴展問題，這就會導致混凝土出現碳化、保護層脫落、混凝土構件的強度與硬度遭到削弱，耐久性嚴重下降，甚至情況嚴重時會出現部分坍塌事件，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，我國的交通建設獲得了快速的發展，各地也興建了很多中小型跨徑混凝土橋梁。在構建橋梁與使用的過程內，有關受到開裂與膨脹而干擾的工程質量的問題數不勝數，甚至有些膨脹開裂會引起橋梁的坍塌[4]。混凝土橋梁的開裂膨脹可以說是一種多發病，這也一直困擾著橋梁工程的技術人員。其實，如果擬定適當的的設計與方法，很多的開裂都是能夠克服與控制的。

為了解決傳統混凝土橋梁膨脹開裂調控方法安全性不佳、橋梁的耐久性能差等問題，進一步加強對混凝土橋梁膨脹開裂的認識，盡量免除工程內出現危害較大的裂縫、延長橋梁的使用時間與安全性，對中小跨徑混凝土橋梁膨脹開裂調控方法進行研究。通過聚羧酸分子結構締合對混凝土橋梁的膨脹開裂進行調控，計算橋梁各方面數值，擬定橋梁膨脹開裂的閾值，依靠混凝土橋梁的數值，添加一定比例的聚羧酸締合分子，使橋梁的質量密度能夠得到補充，最后依靠保塑劑結合聚羧酸締合分子完成對混凝土橋梁的調控。

2 中小跨徑混凝土橋梁膨脹開裂調控

2.1 混凝土橋梁膨脹開裂原因分析

混凝土橋梁產生膨脹開裂的因素有很多，其中最為常見的就是因為濕度與溫度的變化、混凝土內材料比例調和不均勻、橋梁架構設計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水泥會產生大量的水化熱，同時內外溫度差異較大，在混凝土的表面會產生顯著的拉應力。在之后的降溫過程中，由于被橋梁結構基礎與老混凝土的約束，其內部也會產生不小的拉應力[6，7]。氣溫驟降也會在表面出現較強的拉應力。而一旦這些拉應力超過了混凝土橋梁的抗裂閾值時，就會產生局部開裂或膨脹問題。大多數混凝土橋梁內部的濕度不會出現太大的波動，但其表面的濕度會隨著外界影響產生劇烈變化[8]。比如，時濕時干，橋梁表面在干縮變形時會受到混凝土質量的約束，如果質量不合格也會致使橋梁產生開裂現象。

混凝土是一種較脆的材料，其抗壓的強度大約在1/10之間。如果原材料出現調制不均勻或水灰比例不穩定的情況，那么混凝土在運送或澆灌的過程中就會產生離析現象，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，容易產生開裂的薄弱區域，在混凝土橋梁中，大部分的拉應力都是鋼筋承受的，而混凝土只會承受小部分壓應力。在橋梁的邊緣出如果出現了拉應力，那么這些拉應力就需要混凝土自身承受。通常在混凝土橋梁的設計內，都會設計一些內部不易產生拉應力或產生拉應力較小的架構。但在施工過程內，混凝土會因為最高溫度驟然降低，導致架構內部出現加大的拉應力。有時溫度應力會超過其它外荷載所產生的應力，因此掌握溫度應力的轉換規律對于混凝土橋梁的建設是尤為重要的。

2.2 混凝土橋梁內應力計算

混凝土在凝結的過程內會出現能夠被允許存在的膨脹現象，在臨邊單元與鋼筋的約束下，混凝土就會隨著這些膨脹現象出現一些自應力，該應力的數值能夠通過下式進行計算

σc=ρEs×εp

(1)

其中，σc代表混凝土的自應力Mpa，ρ代表截面的配筋率%，Es代表關進的彈性模量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，混凝土橋梁的自應力與膨脹率的值是成正比的。因為膨脹的橋梁，其部分區域存在一定的自應力，可以抵消因為混凝土收縮而產生的拉應力，使的混凝土在收縮抗性上獲得提升，進而可有效的縮短中小跨徑結構的開裂的時間，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力曲線是ABCDE，在超出B，D兩點的時候，σ>ftk，就是溫度應力高過混凝土抗拉性的閾值，這時混凝土就會出現開裂現象，同時釋放內部的應力能量，其溫度收縮的應力曲線如FGHNJ所示，在比G，N兩點高時，即σ>ftk，這時出現開裂狀態，但開裂時的結構長度較比普通混凝土開裂的時候有顯著的增長，為了抑制開裂的發生，在G，H兩點擬定膨脹加強帶，讓原G，N兩點的應力縮減到K，M兩點，但最后的結構中部L點最大應力值不會超過混凝土的抗拉程度標準閾值，就是σ

2.3 混凝土補償收縮計算

2.3.1 干縮值εy(t)計算

(2)

2.3.2 冷縮值ST計算

因為水化熱導致的混凝土橋梁內部絕熱溫升，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，即指在架構附近不含有任何散熱條件或在沒有產生任何損耗的情況下，水泥在出現水化反應之后，產生的水化熱都會急速升溫值最高溫度，mc代表混凝土橋梁內水泥的用量，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，m代表不同水泥種類在灌注時與溫度存在關聯的經驗系數，通常取值是0.2到0.4之間，t代表估算時混凝土橋梁的齡期。

考慮到混凝土橋梁表面會出現散熱的干擾，散熱系統取0.6，那么通過水化熱導致的溫升值就是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，其取值是1.0×10-5，T2代表在施工期間內周圍環境溫度的平均差。

2.3.3 極限拉伸值εq計算

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計值，μ代表配筋率μ=Fa/Fc，d代表鋼筋的直徑，t能夠描述成目標的固定齡期。

對于混凝土的徐變影響，安全向的設定成單性極限的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 加強帶限制膨脹率

εx(t)=?×3.33t×10-4/(1.87+v)

(6)

其中，?代表偏離設定閾值條件的干擾系數，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出現開裂的情況。

在對混凝土橋梁的膨脹進行計算時，需要注意的是混凝土橋梁的極限拉伸值，而極限拉伸值內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 基于聚羧酸分子結構的混凝土橋梁膨脹開裂調控

上述計算出了混凝土橋梁的干縮、冷縮、極線拉伸值與加強帶的限制膨脹率，那么下一步即：通過這些數據，使用聚羧酸分子對混凝土橋梁進行宏觀的調控，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較大的締合，混凝土內的水泥水化時，這種締合大分子高聚物會持續排放出小分子高聚物，進而補充因水泥水化所產生顆粒間的橋接或溶液環境里外加劑的濃度縮減所產生的坍落度經時損失，其具體流程如下所示。

挑選聚乙二醇單甲醚大分子，當做梳形架構的長側鏈，把長側鏈和丙烯酸進行酯化，進而融入可聚合單元，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，甚至會包含兩種正態分布特征峰，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

保塑劑內可能會出現兩種典型的架構：一種即圖3內的A型締合架構，此外，還有一種就是圖3內的B型傳統的聚羧酸架構，A型架構即B型的簡單架構，經過分子締合組成。在聚酯型高效保塑劑內B型的架構含量最低，A型的架構含量最高，在水泥水化反應剛剛開始的時候，其減水的作用主要是依靠B型架構來提供的，A型架構因為錨固點稀少，使用的概率不會很大，隨著水化反應的進行，混凝土環境內因為水化反應而出現了巨量的堿性物質，在堿性狀態下，締合的分子架構會受到損壞，產生大量的B型架構，進而提升了液相狀態內B型架構高分子的濃度，提升了外加劑的分散效果，隨著時間的不斷流逝，液相狀態下B型架構的濃度會逐漸增大，并且因為水化反應的進行，B型架構也會隨著水化時間的流逝而逐漸縮小，在B型架構的增加速度超過其損耗的速度時，在宏觀上就會描述成混凝土橋梁的塑形隨著時間的流逝，而產生增大的效果。

圖3 保塑劑的分子架構圖

3 仿真證明

3.1 試件設計

仿真擬定了四組試件，每組試件為五個，混凝土橋梁試件澆筑的長度為100mm×100mm×400mm，混凝土試件的質量等級為C30。其能夠分成：箍筋的間距70mm、10mm，混凝土的保護厚度25mm各一組，箍筋間距是70mm、10mm，混凝土保護層厚度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去除箍筋，間距為100mm的試件兩段需要在一定范圍內安裝箍筋，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，并對后者筋進行除銹處理，同時分別連接導線，使用環氧樹脂進行密封，箍筋利用并刷防銹漆進行保護，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，按照真實的混凝土橋梁狀況進行建模，通過實體單元C3D8R對混凝土橋梁進行描述，設定B32為鋼筋的梁單元，實體單元與梁單元之間的相互作用，是通過嵌入的形式進行約束的。銹脹力在混凝土與縱筋的交接面進行內壓模擬，橋梁邊界條件：對剛體位移進行約束。為了確保計算結果的對比性，在同等保護層厚度的情況下，將網格進行同等的劃分，沿著跨度方向，以100mm為間距對網格進行劃分，同時細化處理網格橫截面，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產生深刻影響。歷史上，中國就通過各種邊貿活動、友好訪問和邀請外國使者來訪等活動將傳統的絲綢、陶瓷、茶葉、紙張等銷往海外，早期開辟的海上絲綢之路就經過東南亞等國。通過商貿活動和人口遷移，有大量華僑遷徙到東南亞國家，而他們還保留著中國傳統的思想、文化與生活方式，并對當地人產生影響。

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 仿真結果

3.2.1 保護層厚度對混凝土橋梁試件膨脹開裂的影響

保護層的厚度為25mm的試件在鋪設240h之后，其表面會產生一些細小的開裂狀況，而保護層厚度為40mm的試件在鋪設360h之后，也會出現明顯的裂縫。產生這種差異的原因就是：隨著保護層厚度的上升，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控影響

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

圖6 開裂寬度隨時間變化的曲線圖

通過圖6能夠看出，試件頂端的開裂痕跡會隨著時間的推移逐漸變寬，但是通過聚羧酸分子構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展。

4 結束語

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構的混凝土橋梁膨脹開裂調控方法，通過添加聚羧酸分子結果與保塑劑對橋梁的膨脹開裂進行調控。

通過實驗可以得出以下結論：

1)保護層厚度變厚，試件能夠承受的最大膨脹開裂值增大。當試件保護層厚度為25mm時，鋪設時間在240h后，其表面會產生一些細小的開裂狀況；當厚度為40mm時，在鋪設360h后，才會出現明顯裂縫。

2)隨著時間的推移，試件頂端的開裂痕跡會逐漸變寬，當鋪設時間為10h時，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行調控，因此，下一步要研究的課題即：在聚羧酸分子算法的基礎上添加激光三維建模，從而對大型跨徑混凝土橋梁進行膨脹開裂調控。