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严寒地区混凝土桥面伸缩缝施工养护方法探讨

时间:2018/6/13 8:29:50 来源: 点击次数:2191
严寒地区混凝土桥面伸缩缝施工养护方法探讨

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严寒地区混凝土桥面伸缩缝施工养护方法探讨

郝磊1,韩建国2,阎培渝2,董树国1,徐树冠1

(1. 承德市公路工程管理处,承德市,067600;

2.清华大学土木工程系,北京,100084)

摘 要:严寒地区的桥面混凝土伸缩缝施工中,在浇注混凝土后进行适当的养护,对防止混凝土早期受冻破坏以及保障混凝土的强度发展具有重要作用。通过对伸缩缝中混凝土的温度场和环境温度进行测试,分析了不同养护方法对保障混凝土水化进程的作用效果。研究结果表明:使用聚苯板对混凝土表面进行覆盖是实现混凝土保温的有效手段;使用电热毯对混凝土表面进行加热是促进混凝土水化进程的有效手段;使用塑料棚配合碘钨灯作为保温和加热措施,不能实现期望的保温和加热效果;使用帆布棚作为保温措施,不能实现期望的保温效果。针对严寒地区的桥面混凝土伸缩缝施工,提出了建议的养护方法和测试手段。

关键词:严寒地区,伸缩缝,混凝土,养护方法,温度场

1. 概述

伸缩缝是消除桥面板之间,或桥面板和路面板之间温度应力的设施;同时,还用于承受行驶中车辆的荷载作用[]。我国常见的伸缩缝结构形式有条形缝和板形缝,如图1所示,且条形缝居多。伸缩缝依靠钢筋和混凝土与路基连接固定在一起,从而实现和所连接路面的位移协同,如图2所示。

严寒地区混凝土桥面伸缩缝施工养护方法探讨

以年度作为道路施工周期,伸缩缝施工常处于路面建设的收尾阶段,常处于秋末冬初时期,在我国北方此时环境气温较低甚至出现负温,不利于伸缩缝中的混凝土的凝结和强度发展[]。

浇注于伸缩缝中的混凝土呈水平放置的长方体,其底面和侧面分别与开挖出的路基和路面的切面相接触,开挖后暴露于低温环境中的路基温度较低,其温度通常接近0°C甚至为负温,浇注入模的混凝土和路基接触会迅速散热并被冷却,同时,浇注入模的混凝土上表面还会向空气中散热。因此,混凝土伸缩缝施工过程中,如何保障或提升浇注入模后的混凝土温度,对于混凝土的凝结、强度发展和抗冻能力至关重要。

本文对浇注入模的混凝土温度场和环境温度进行监测,探讨了聚苯板覆盖,聚苯板覆盖和电热毯加热、塑料棚配合碘钨灯和帆布棚四种养护方法对保障混凝土水化进程的作用效果,所得结果可为严寒地区桥面伸缩缝施工养护方法的建立提供借鉴。

2. 混凝土配制和温度测试方法

2.1 原材料

混凝土制备所用原材料包括:P.O 42.5水泥,S95级矿渣粉,SiO2含量大于90%的半凝聚态硅灰,铝酸钙类快硬剂、氧化钙-无水硫铝酸钙双膨胀源膨胀剂,细度模数为2.8的II区河砂,5-20mm连续级配石灰质碎石,聚羧酸系减水剂,自来水,直径0.55mm、长度35mm、抗拉强度为1300 MPa的钢纤维。

2.2 混凝土配合比

混凝土原材料的选择和配合比设计综合考虑了混凝土的工作性、强度发展速率、长龄期强度、抗渗透能力和抗开裂能力,所使用的混凝土配合比如表1所示。

严寒地区混凝土桥面伸缩缝施工养护方法探讨

2.3 温度测试方法

通过在浇注的混凝土中埋设温度传感器来测试混凝土中的温度场。传感器的埋设方法是在距离伸缩缝长度方向的一个端部一米处,在伸缩缝的宽度方向的中央和边界(距离外边缘5厘米)埋置两列温度传感器,如图3所示。混凝土浇注完成后将两列温度传感器插入其中,并对传感器周围的混凝土进行再次振动密实,然后开始进行温度测试。最下端温度传感器位于浇注混凝土的底部,最上端温度传感器距离上表面2厘米,剩余的温度传感器均匀地分布在最下端和最上端的传感器之间,浇注的混凝土厚度为25厘米。

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如果使用塑料棚或帆布棚,则在塑料棚或帆布棚中布设一个温度传感器,用于测试其中的气温;同时,还在伸缩缝施工地点附近的空气中布设一个温度传感器,以测试空气温度,分别如图4a和图4b所示。测试和记录时间-温度数据的温度信号采集系统,如图4c所示。

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2.4 养护方法和温度测试方案

本文对三处严寒地区的混凝土伸缩缝施工工程进行研究,工程地点均在我国承德市,时间范围为11月和12月,气温变化范围为6°C至负13°C。

3. 不同保温形式的测试结果和分析

3.1 工程一温度测试

工程一的施工地点位于承德市丰宁满族自治县,养护方法和测温方案如图5所示,混凝土浇筑后立即覆盖0.1mm厚塑料薄膜、50mm厚聚苯板、10mm厚棉被、0.1mm厚塑料薄膜。埋设在混凝土的温度传感器分为中央列和边界列,每列三个。

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中央列、边界列、空气温度传感器的测试结果如图6所示。施工阶段气象台发布的气温为6°C至负4°C,在工程地点,实测空气温度为负0.2°C至14.7°C,如图6中虚线所示,可见,应在工程现场进行空气温度测试,该测试结果相对于气象局发布的数据更准确。

严寒地区混凝土桥面伸缩缝施工养护方法探讨

对比图6中的中央列和边界列测试结果可见,上部混凝土的温度比下部混凝土的温度高,中央混凝土的温度比边界混凝土的温度高。这是由于浇注入模的混凝土其底部和侧面接触的是导热系数较大且温度较低的混凝土路基(混凝土的导热系数:1.74 W/(m•K)),顶面接触的是导热系数较小的保温材料(聚苯板的导热系数:0.04 W/(m•K)),底部和边界处良好的散热条件使得底部和边界处混凝土的温度较低。

由图6可见,混凝土在浇注入模后经历了降温、升温、再降温的过程。初始的降温过程,是由于混凝土在浇注入模后,与周围的地基进行热平衡(散热过程),同时逐渐进入诱导期所致。随后的升温过程,是由于混凝土进入水化加速期所致,混凝土的水化是一个放热过程,使得混凝土的温度升高[];可由水化加速期曲线的上升起始点和上升终止点来判断混凝土的初凝时间和终凝时间。混凝土的水化受温度影响,温度越高其水化速率越快,所以,对比图6a和图6b可见,中央列处混凝土的初凝和终凝时间早于边界列处混凝土。

由68还可以看出,采用养护方法一,浇注入模混凝土的温度变化历程基本不受外界空气温度变化的影响,可见该种养护方法可很好地维持浇注入模混凝土的水化进程。

3.2 工程二温度测试

工程二的施工地点位于承德市隆化县,养护方法和测温方案如图7所示,包括0.1mm厚塑料薄膜、5mm厚每平方米发热功率为50W的电热毯、50mm厚聚苯板、10mm厚棉被、0.1mm厚塑料薄膜。外部搭建0.1mm厚塑料棚,塑料棚顶部距离棉被1米,且在距离棉被60厘米处,沿伸缩缝长度方向间隔1米悬挂500瓦碘钨灯一个。埋设在混凝土中的温度传感器分为中央列和边界列,每列四个;在塑料棚中放置一个温度传感器;在环境中放置一个温度传感器,温度测试结果如图8所示。

严寒地区混凝土桥面伸缩缝施工养护方法探讨

严寒地区混凝土桥面伸缩缝施工养护方法探讨

混凝土完成浇注后0.32小时,用塑料棚对混凝土的上表面进行封闭,并使用碘钨灯进行照射加热。由0.32小时至2.33小时之间中央列和边界列的时间-温度曲线变化可见,塑料棚配合碘钨灯可阻止混凝土上表面的热量散失并具有加热作用。碘钨灯的加热能力只能影响混凝土的上部范围,其影响深度范围在15厘米以内(因为只有中央列上部,边界列上部和次上部的时间-温度曲线在0.32小时后产生了提升现象)。碘钨灯是点光源,它的平面加热范围非常有限,本研究所使用的500W的碘钨灯,其辐照加热范围约为直径50厘米的圆形区域,且在该区域内由中心向外侧的加热能力降低。因此,依靠碘钨灯这样的点光源,难以实现对混凝土表面的均匀加热。

混凝土浇注完成后2.33小时,对混凝土的上表面进行覆盖(塑料薄膜-电热毯-聚苯板-棉被-塑料薄膜),并开启电热毯对混凝土进行加热。此后,混凝土进行热平衡后温度就开始上升,并且在升温的过程中,不再清晰地表现出诱导期、加速期和减速期,而是一直表现出上升趋势,并最终达到新的热平衡状态。这是由于电热毯对混凝土的加热能力掩蔽了混凝土释放出的水化热对混凝土的加热能力。

混凝土浇注完成后17.3小时至20.6小时,对电热毯进行了停电-再通电操作,测试结果表明,停止电热毯加热后混凝土的温度迅速下降,再次开启电热毯后混凝土的温度迅速上升,说明电热毯加热是提升伸缩缝中混凝土温度的有效手段;同时,由中央列和边界列温度的变化趋势可见,电热毯加热的影响范围为混凝土的全厚度,但对靠近电热毯部位混凝土的影响更显著。

对比图8中塑料棚内的气温和空气温度可见,虽然塑料棚内的气温比空气温度高,但相对于混凝土的温度还是很低。无阳光辐照时(0-17小时),塑料棚内的温度甚至低于两列传感器下部测点的温度。因此,塑料棚只能实现对外界风、雨、雪的屏蔽作用,而不能实现对混凝土的加热或保温作用。

3.3 工程三温度测试

工程三的施工地点位于承德市郊区,养护方法和测温方案如图9所示。在伸缩缝的上部搭建帆布棚(帆布的厚度为0.6mm,外层外帆布,内层为塑胶膜),帆布棚的顶部距离棉被1米。在混凝土宽度方向的中央位置埋设温度传感器,一列四个,在帆布棚中放置一个温度传感器;在环境中放置一个温度传感器,温度测试结果如图10所示。

严寒地区混凝土桥面伸缩缝施工养护方法探讨

工程三施工过程中,先对混凝土的上表面进行覆盖(塑料薄膜-电热毯-聚苯板-棉被-塑料薄膜),4个小时后再开启电热毯,以比较聚苯板保温和电热毯加热能力的差异,同时,测试了混凝土上表面的塑料薄膜和电热毯之间的温度(19.5小时开始),以进一步考察电热毯对混凝土的加热能力。

由1.0小时处覆盖聚苯板和棉被后的时间-温度曲线转折可见,聚苯板和棉被覆盖可有效阻止混凝土向空气中的热量散失。

由5.0小时处开启电热毯开始加热后的时间-温度曲线转折可见,电热毯产生的热量可提升混凝土的温度,但对混凝土温度的提升效果随深度的增大而降低。由19.5小时开始测试的电热毯和塑料薄膜之间的温度可见,该部位的温度比混凝土中所有部位的温度都要高,说明电热毯作为热源的可行性。

对比图10中空气温度和帆布棚内的温度可见,在受到太阳的辐照之前(0-18小时),帆布棚内气温比空气温度还低。这是由于帆布棚搭建完成在下午17:00,此时太阳接近落山,辐照能力较弱,同时,帆布棚外侧的地面上有积雪,而积雪对太阳辐射长波的反射可提高空气的温度;帆布棚内无积雪的反射效应,因此其中的空气温度较低。同时可见,在上午8:30左右(相对时间为18.5小时),太阳升起后,帆布棚内的温度开始高于空气的温度,这是由于帆布棚内侧的塑胶膜对太阳辐射短波的透过效应以及对其内侧物体长波辐射的阻止效应(塑料暖棚原理)所致。

由图10可见,即便是受到太阳辐照,帆布棚内的温度依然低于混凝土的温度,且帆布棚内的温度变化对混凝土的时间-温度曲线无显著影响,因此,帆布棚只能作为遮蔽风、雨、雪的手段,而不能作为混凝土水化期间的温度提升或保障手段。

4. 结论

(1)在混凝土中埋置沿厚度方向和宽度方向布置的温度传感器,可获得伸缩缝中混凝土的温度场。测试结果表明,伸缩缝中混凝土温度场的特征为上部温度高下部温度低,中央温度高边界温度低。因此,该测温措施是表征伸缩缝中混凝土温度场的可行手段。

(2)无外热源的情况下,浇注入模的混凝土会经历向路基进行热量散失达到热平衡,然后进入诱导期,再进入水化加速期和减速期的过程。

(3)塑料薄膜-聚苯板-棉被-塑料薄膜的组合可作为伸缩缝中混凝土保温的有效手段;电热毯可作为伸缩缝中混凝土养护的有效热源,其作用范围为伸缩缝全厚度;但受到混凝土传热能力和向路基中的热量散失所致,电热毯对混凝土的加热效果沿厚度方向衰减。

(4)塑料棚配合碘钨灯,以及帆布棚不能作为伸缩缝中混凝土养护的有效手段,其作用效果仅为遮蔽风、雨、雪的影响,以及阻止冷空气或水分向混凝土覆盖层中的迁移。

(5)本文提出的混凝土养护方法:“在混凝土上表面覆盖0.1mm厚塑料薄膜,5mm厚每平方米发热功率为50W的电热毯,50mm厚聚苯板,10mm厚棉被,0.1mm厚塑料薄膜”,可通过保温和加热两种途径,有效保障严寒地区伸缩缝中混凝土的水化历程。因此,该保温和加热措施是严寒地区混凝土伸缩缝施工的有效养护方法。

参考文献

1 肖玉辉, 沈立宏. 混凝土桥梁病害成因分析及对策研究[J]. 中外公路, 2004, 24(1):39-42.

2 A.M. Neville. Properties of concrete (4th edition). Longman Scientific & Technical Ltd. 1995. P290-293.

3 阎培渝, 郑峰. 水泥基材料的水化动力学模型[J]. 硅酸盐学报, 2006, 34(5):555-559.

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