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郝磊1，韓建國2，閻培渝2，董樹國1，徐樹冠1
（1. 承德市公路工程管理處，承德市，067600；
2.清華大學土木工程系，北京，100084）
摘 要：嚴寒地區的橋面混凝土伸縮縫施工中，在澆注混凝土後進行適當的養護，對防止混凝土早期受凍破壞以及保障混凝土的強度發展具有重要作用。通過對伸縮縫中混凝土的溫度場和環境溫度進行測試，分析了不同養護方法對保障混凝土水化進程的作用效果。研究結果表明：使用聚苯板對混凝土表面進行覆蓋是實現混凝土保溫的有效手段；使用電熱毯對混凝土表面進行加熱是促進混凝土水化進程的有效手段；使用塑料棚配合碘鎢燈作為保溫和加熱措施，不能實現期望的保溫和加熱效果；使用帆布棚作為保溫措施，不能實現期望的保溫效果。針對嚴寒地區的橋面混凝土伸縮縫施工，提出了建議的養護方法和測試手段。
關鍵詞：嚴寒地區，伸縮縫，混凝土，養護方法，溫度場
1. 概述
伸縮縫是消除橋面板之間，或橋面板和路面板之間溫度應力的設施；同時，還用於承受行駛中車輛的荷載作用[]。我國常見的伸縮縫結構形式有條形縫和板形縫，如圖1所示，且條形縫居多。伸縮縫依靠鋼筋和混凝土與路基連接固定在一起，從而實現和所連接路面的位移協同，如圖2所示。
以年度作為道路施工週期，伸縮縫施工常處於路面建設的收尾階段，常處於秋末冬初時期，在我國北方此時環境氣溫較低甚至出現負溫，不利於伸縮縫中的混凝土的凝結和強度發展[]。
澆注於伸縮縫中的混凝土呈水平放置的長方體，其底面和側面分別與開挖出的路基和路面的切面相接觸，開挖後暴露於低溫環境中的路基溫度較低，其溫度通常接近0°C甚至為負溫，澆注入模的混凝土和路基接觸會迅速散熱並被冷卻，同時，澆注入模的混凝土上表面還會向空氣中散熱。因此，混凝土伸縮縫施工過程中，如何保障或提升澆注入模後的混凝土溫度，對於混凝土的凝結、強度發展和抗凍能力至關重要。
本文對澆注入模的混凝土溫度場和環境溫度進行監測，探討了聚苯板覆蓋，聚苯板覆蓋和電熱毯加熱、塑料棚配合碘鎢燈和帆布棚四種養護方法對保障混凝土水化進程的作用效果，所得結果可為嚴寒地區橋面伸縮縫施工養護方法的建立提供借鑑。
2. 混凝土配製和溫度測試方法
2.1 原材料
混凝土製備所用原材料包括：P.O 42.5水泥，S95級礦渣粉，SiO2含量大於90%的半凝聚態硅灰，鋁酸鈣類快硬劑、氧化鈣-無水硫鋁酸鈣雙膨脹源膨脹劑，細度模數為2.8的II區河砂，5-20mm連續級配石灰質碎石，聚羧酸系減水劑，自來水，直徑0.55mm、長度35mm、抗拉強度為1300 MPa的鋼纖維。
2.2 混凝土配合比
混凝土原材料的選擇和配合比設計綜合考慮了混凝土的工作性、強度發展速率、長齡期強度、抗滲透能力和抗開裂能力，所使用的混凝土配合比如表1所示。
2.3 溫度測試方法
通過在澆注的混凝土中埋設溫度傳感器來測試混凝土中的溫度場。傳感器的埋設方法是在距離伸縮縫長度方向的一個端部一米處，在伸縮縫的寬度方向的中央和邊界（距離外邊緣5釐米）埋置兩列溫度傳感器，如圖3所示。混凝土澆注完成後將兩列溫度傳感器插入其中，並對傳感器周圍的混凝土進行再次振動密實，然後開始進行溫度測試。最下端溫度傳感器位於澆注混凝土的底部，最上端溫度傳感器距離上表面2釐米，剩餘的溫度傳感器均勻地分佈在最下端和最上端的傳感器之間，澆注的混凝土厚度為25釐米。
如果使用塑料棚或帆布棚，則在塑料棚或帆布棚中佈設一個溫度傳感器，用於測試其中的氣溫；同時，還在伸縮縫施工地點附近的空氣中佈設一個溫度傳感器，以測試空氣溫度，分別如圖4a和圖4b所示。測試和記錄時間-溫度數據的溫度信號採集系統，如圖4c所示。
2.4 養護方法和溫度測試方案
本文對三處嚴寒地區的混凝土伸縮縫施工工程進行研究，工程地點均在我國承德市，時間範圍為11月和12月，氣溫變化範圍為6°C至負13°C。
3. 不同保溫形式的測試結果和分析
3.1 工程一溫度測試
工程一的施工地點位於承德市豐寧滿族自治縣，養護方法和測溫方案如圖5所示，混凝土澆築後立即覆蓋0.1mm厚塑料薄膜、50mm厚聚苯板、10mm厚棉被、0.1mm厚塑料薄膜。埋設在混凝土的溫度傳感器分為中央列和邊界列，每列三個。
中央列、邊界列、空氣溫度傳感器的測試結果如圖6所示。施工階段氣象臺發佈的氣溫為6°C至負4°C，在工程地點，實測空氣溫度為負0.2°C至14.7°C，如圖6中虛線所示，可見，應在工程現場進行空氣溫度測試，該測試結果相對於氣象局發佈的數據更準確。
對比圖6中的中央列和邊界列測試結果可見，上部混凝土的溫度比下部混凝土的溫度高，中央混凝土的溫度比邊界混凝土的溫度高。這是由於澆注入模的混凝土其底部和側面接觸的是導熱係數較大且溫度較低的混凝土路基（混凝土的導熱係數：1.74 W/(m•K)），頂面接觸的是導熱係數較小的保溫材料（聚苯板的導熱係數：0.04 W/(m•K)），底部和邊界處良好的散熱條件使得底部和邊界處混凝土的溫度較低。
由圖6可見，混凝土在澆注入模後經歷了降溫、升溫、再降溫的過程。初始的降溫過程，是由於混凝土在澆注入模後，與周圍的地基進行熱平衡（散熱過程），同時逐漸進入誘導期所致。隨後的升溫過程，是由於混凝土進入水化加速期所致，混凝土的水化是一個放熱過程，使得混凝土的溫度升高[]；可由水化加速期曲線的上升起始點和上升終止點來判斷混凝土的初凝時間和終凝時間。混凝土的水化受溫度影響，溫度越高其水化速率越快，所以，對比圖6a和圖6b可見，中央列處混凝土的初凝和終凝時間早於邊界列處混凝土。
由68還可以看出，採用養護方法一，澆注入模混凝土的溫度變化歷程基本不受外界空氣溫度變化的影響，可見該種養護方法可很好地維持澆注入模混凝土的水化進程。
3.2 工程二溫度測試
工程二的施工地點位於承德市隆化縣，養護方法和測溫方案如圖7所示，包括0.1mm厚塑料薄膜、5mm厚每平方米發熱功率為50W的電熱毯、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，塑料棚頂部距離棉被1米，且在距離棉被60釐米處，沿伸縮縫長度方向間隔1米懸掛500瓦碘鎢燈一個。埋設在混凝土中的溫度傳感器分為中央列和邊界列，每列四個；在塑料棚中放置一個溫度傳感器；在環境中放置一個溫度傳感器，溫度測試結果如圖8所示。
混凝土完成澆注後0.32小時，用塑料棚對混凝土的上表面進行封閉，並使用碘鎢燈進行照射加熱。由0.32小時至2.33小時之間中央列和邊界列的時間-溫度曲線變化可見，塑料棚配合碘鎢燈可阻止混凝土上表面的熱量散失並具有加熱作用。碘鎢燈的加熱能力只能影響混凝土的上部範圍，其影響深度範圍在15釐米以內（因為只有中央列上部，邊界列上部和次上部的時間-溫度曲線在0.32小時後產生了提升現象）。碘鎢燈是點光源，它的平面加熱範圍非常有限，本研究所使用的500W的碘鎢燈，其輻照加熱範圍約為直徑50釐米的圓形區域，且在該區域內由中心向外側的加熱能力降低。因此，依靠碘鎢燈這樣的點光源，難以實現對混凝土表面的均勻加熱。
混凝土澆注完成後2.33小時，對混凝土的上表面進行覆蓋（塑料薄膜-電熱毯-聚苯板-棉被-塑料薄膜），並開啟電熱毯對混凝土進行加熱。此後，混凝土進行熱平衡後溫度就開始上升，並且在升溫的過程中，不再清晰地表現出誘導期、加速期和減速期，而是一直表現出上升趨勢，並最終達到新的熱平衡狀態。這是由於電熱毯對混凝土的加熱能力掩蔽了混凝土釋放出的水化熱對混凝土的加熱能力。
混凝土澆注完成後17.3小時至20.6小時，對電熱毯進行了停電-再通電操作，測試結果表明，停止電熱毯加熱後混凝土的溫度迅速下降，再次開啟電熱毯後混凝土的溫度迅速上升，說明電熱毯加熱是提升伸縮縫中混凝土溫度的有效手段；同時，由中央列和邊界列溫度的變化趨勢可見，電熱毯加熱的影響範圍為混凝土的全厚度，但對靠近電熱毯部位混凝土的影響更顯著。
對比圖8中塑料棚內的氣溫和空氣溫度可見，雖然塑料棚內的氣溫比空氣溫度高，但相對於混凝土的溫度還是很低。無陽光輻照時（0-17小時），塑料棚內的溫度甚至低於兩列傳感器下部測點的溫度。因此，塑料棚只能實現對外界風、雨、雪的屏蔽作用，而不能實現對混凝土的加熱或保溫作用。
3.3 工程三溫度測試
工程三的施工地點位於承德市郊區，養護方法和測溫方案如圖9所示。在伸縮縫的上部搭建帆布棚（帆布的厚度為0.6mm，外層外帆布，內層為塑膠膜），帆布棚的頂部距離棉被1米。在混凝土寬度方向的中央位置埋設溫度傳感器，一列四個，在帆布棚中放置一個溫度傳感器；在環境中放置一個溫度傳感器，溫度測試結果如圖10所示。
工程三施工過程中，先對混凝土的上表面進行覆蓋（塑料薄膜-電熱毯-聚苯板-棉被-塑料薄膜），4個小時後再開啟電熱毯，以比較聚苯板保溫和電熱毯加熱能力的差異，同時，測試了混凝土上表面的塑料薄膜和電熱毯之間的溫度（19.5小時開始），以進一步考察電熱毯對混凝土的加熱能力。
由1.0小時處覆蓋聚苯板和棉被後的時間-溫度曲線轉折可見，聚苯板和棉被覆蓋可有效阻止混凝土向空氣中的熱量散失。
由5.0小時處開啟電熱毯開始加熱後的時間-溫度曲線轉折可見，電熱毯產生的熱量可提升混凝土的溫度，但對混凝土溫度的提升效果隨深度的增大而降低。由19.5小時開始測試的電熱毯和塑料薄膜之間的溫度可見，該部位的溫度比混凝土中所有部位的溫度都要高，說明電熱毯作為熱源的可行性。
對比圖10中空氣溫度和帆布棚內的溫度可見，在受到太陽的輻照之前（0-18小時），帆布棚內氣溫比空氣溫度還低。這是由於帆布棚搭建完成在下午17:00，此時太陽接近落山，輻照能力較弱，同時，帆布棚外側的地面上有積雪，而積雪對太陽輻射長波的反射可提高空氣的溫度；帆布棚內無積雪的反射效應，因此其中的空氣溫度較低。同時可見，在上午8:30左右（相對時間為18.5小時），太陽昇起後，帆布棚內的溫度開始高於空氣的溫度，這是由於帆布棚內側的塑膠膜對太陽輻射短波的透過效應以及對其內側物體長波輻射的阻止效應（塑料暖棚原理）所致。
由圖10可見，即便是受到太陽輻照，帆布棚內的溫度依然低於混凝土的溫度，且帆布棚內的溫度變化對混凝土的時間-溫度曲線無顯著影響，因此，帆布棚只能作為遮蔽風、雨、雪的手段，而不能作為混凝土水化期間的溫度提升或保障手段。
4. 結論
（1）在混凝土中埋置沿厚度方向和寬度方向佈置的溫度傳感器，可獲得伸縮縫中混凝土的溫度場。測試結果表明，伸縮縫中混凝土溫度場的特徵為上部溫度高下部溫度低，中央溫度高邊界溫度低。因此，該測溫措施是表徵伸縮縫中混凝土溫度場的可行手段。
（2）無外熱源的情況下，澆注入模的混凝土會經歷向路基進行熱量散失達到熱平衡，然後進入誘導期，再進入水化加速期和減速期的過程。
（3）塑料薄膜-聚苯板-棉被-塑料薄膜的組合可作為伸縮縫中混凝土保溫的有效手段；電熱毯可作為伸縮縫中混凝土養護的有效熱源，其作用範圍為伸縮縫全厚度；但受到混凝土傳熱能力和向路基中的熱量散失所致，電熱毯對混凝土的加熱效果沿厚度方向衰減。
（4）塑料棚配合碘鎢燈，以及帆布棚不能作為伸縮縫中混凝土養護的有效手段，其作用效果僅為遮蔽風、雨、雪的影響，以及阻止冷空氣或水分向混凝土覆蓋層中的遷移。
（5）本文提出的混凝土養護方法：“在混凝土上表面覆蓋0.1mm厚塑料薄膜，5mm厚每平方米發熱功率為50W的電熱毯，50mm厚聚苯板，10mm厚棉被，0.1mm厚塑料薄膜”，可通過保溫和加熱兩種途徑，有效保障嚴寒地區伸縮縫中混凝土的水化歷程。因此，該保溫和加熱措施是嚴寒地區混凝土伸縮縫施工的有效養護方法。
參考文獻
1 肖玉輝, 沈立宏. 混凝土橋樑病害成因分析及對策研究[J]. 中外公路, 2004, 24(1):39-42.
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3 閻培渝, 鄭峰. 水泥基材料的水化動力學模型[J]. 硅酸鹽學報, 2006, 34(5):555-559.
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