預應力砼箱梁水化熱作用分析及施工控制?

曾有藝，周健，曹云龍

（長沙理工大學土木與建筑學院，湖南　長沙　410004）

預應力砼箱梁水化熱作用分析及施工控制?

曾有藝，周健，曹云龍

（長沙理工大學土木與建筑學院，湖南長沙410004）

砼凝結和硬化過程中會因多種物質反應放出大量熱，并與外界條件協同作用產生溫度應力，極易破壞砼的整體結構性。文中綜合分析了水化熱對砼箱梁質量和性能的影響，總結了業內專家歷年在砼水化熱研究方面提出的先進理論，并根據國內外最新研究進展和施工經驗介紹了砼箱梁生產施工中降低水化熱的措施。

橋梁；砼；箱梁；水化熱；裂縫

近幾年，交通基礎設施進入爆發式增長期，激增的交通需求不斷沖擊著橋梁的設計極限，預應力砼箱梁橋因具有跨越性強、剛度大、行車平順等優點而廣受青睞，建設規模逐步增大。為滿足其剛度需求，箱梁腹板普遍加厚，導致砼用量增多、體積增大，對橋梁設計、施工帶來新的挑戰。

眾所周知，砼凝結和硬化過程中會因多種物質反應放出大量熱，并與外界條件協同作用產生溫度應力，極易破壞砼的整體結構性。此外，大多數情況下硬化水泥漿體和砼的早期體積變形也與水化熱有極大關系。因此，加強對水泥砼水化熱的研究和控制將對施工質量起到很大的保障作用。

1　預應力箱梁溫度變化宏觀規律

1.1大體積箱梁尺寸界定

對于砼箱梁需要考慮水化熱影響的具體尺寸目前國內外尚無明確標準。美國砼學會（ACI）規定：任何現澆砼，尺寸達到必須解決水化熱及隨之引起的體積變形問題，以最大限度地減少開裂影響的，即為大體積砼。日本建筑學會標準（JASS5）規定：斷面最小厚度在80 cm以上，水化熱引起砼內部最高溫度與外界氣溫之差預計超過25℃的砼稱為大體積砼。中國《建筑施工手冊》對大體積砼的定義為：最小斷面尺寸大于1 m以上的砼結構，其尺寸已大到必須采取相應的技術措施妥善處理溫度差值，合理解決溫度應力并控制裂縫的砼結構。而實際應用中以截面尺寸來簡單判斷是否是大體積砼的現象最為常見，不少模糊判斷給業主和施工企業帶來不同程度的損失。尤其對于砼箱梁來說，大體積不能僅由其絕對截面尺寸的大小決定，而應從水化作用對箱梁受力和基本性能的作用原理具體分析，比較準確的方法是分析水化熱引起的溫度應力是否會引起結構受力和性能產生容許范圍之外的變化。

1.2實例數據采集與分析

1.2.1工程概況

二廣（二連浩特—廣州）高速公路湖南永州至藍山段K52+900處荷葉塘高架橋主橋工程項目區屬于亞熱帶大陸性季風濕潤氣候，雨量豐沛，冬冷期短，夏熱期長，干濕分明，年平均氣溫16～17.2℃，最高氣溫達43℃，最低氣溫-13.3℃。砼箱梁段具有標號高、單方水泥用量大、局部尺寸較大等特點，尺寸最大的箱梁截面全寬12.75 m，其中底板寬7 m，翼緣板長2.875 m；翼緣板厚度分成兩段，端部為0.15 m，根部為0.55 m；頂板厚度0.28 m；箱梁腹板厚0.7 m，底板厚0.7 m。

1.2.2測試方法及測點布置

根據箱梁澆筑情況，選取3#墩、9#墩0#塊砼作為測試對象，測試截面為0#塊砼橫截面（支點橫截面，見圖1）。測點布置應能充分反映箱梁水化熱的變化情況。為了解水化熱沿腹板和底板的溫度梯度，在腹板和底板分別布置溫度測點，表面測點距離砼表面5～10 mm（見圖2）。各測點均采用內埋式SZW-18智能溫度計，在灌注梁體砼前，將其固定在梁體的鋼筋網上，并測定點位的位置坐標。

圖1　右線箱梁溫度測點截面布置（單位：m）

圖2　0#塊箱梁溫度測點布置

1.2.3測試結果與分析

利用預埋在砼箱梁中的10個溫度計，對梁體灌注后砼水化熱溫度隨時間的變化情況進行測試，分別于2011年4月18日和22日上午對3#墩、9#墩0#塊底板和腹板進行測試。砼在上午8：00進行攪拌，澆筑溫度：9#腹板為29℃，9#底板為29℃；3#腹板為29℃，3#底板為30℃。從砼澆筑剛好淹沒底板或腹板所有溫度計后開始測試，觀測時間分別為156、165、167、122 h，測試結果見圖3～6。

圖3　9#腹板各測點溫度變化情況

圖4　9#底板各測點溫度變化

圖5　3#腹板各測點溫度變化情況

圖6　3#底板各測點溫度變化情況

由圖3可知：砼核心處（T7）的砼溫度最高，測試到第24 h（距攪拌時間24 h，距開始澆筑時間20 h）時，溫度達到最大值76.8℃，最大升溫值為47.8 ℃；砼核心處溫度與邊緣溫度計的最大溫差為36.1 ℃，出現在第24 h（距攪拌時間28 h，距開始澆筑時間24 h）。

由圖4可知：砼核心處（T3）的砼溫度最高，測試到第19 h（距攪拌時間25 h，距開始澆筑時間21 h）時，溫度達到最大值71.5℃，最大升溫值為42.5 ℃；砼核心處溫度與邊緣溫度計的最大溫差為10 ℃，出現在第23 h（距攪拌時間23 h，距開始澆筑時間27 h）。

由圖5可知：砼核心處（T7）的砼溫度最高，測試到第23 h（距攪拌時間26 h，距開始澆筑時間20 h）時，溫度達到最大值77.5℃，最大升溫值為48.5 ℃；砼核心處溫度與邊緣溫度計的最大溫差為10 ℃，出現在第25 h（距攪拌時間28 h，距開始澆筑時間25 h）。

由圖6可知：砼核心處（T3）的砼溫度最高，測試到第20 h（距攪拌時間24 h，距開始澆筑時間20 h）時，溫度達到最大值69.7℃，最大升溫值為39.7 ℃；砼核心處溫度與邊緣溫度計的最大溫差為10 ℃，出現在第22 h（距攪拌時間25 h，距開始澆筑時間22 h）。

1.3不同部位溫度變化控制規律

（1）9#腹板砼內部與表面溫度差值達到36.1 ℃，超過GB 50496-2009《大體積混凝土施工規范》要求的25℃，應注意砼后期質量問題。

（2）3#腹板最大升溫為48.5℃，接近GB 50496-2009《大體積混凝土施工規范》中砼澆筑體在入模溫度基礎上最大升溫值不宜超過50℃的要求，應采取措施降低水化熱溫度，減小最大升溫。

（3）底板和腹板溫度測點最初的降溫速度均超過GB 50496-2009《大體積混凝土施工規范》中砼澆筑體的降溫速率不宜大于2.0℃/d的要求，應采取有效的砼養護措施，減小砼在凝結過程中的降溫速度。

（4）就砼箱梁各測點的溫度變化規律來說，雖然箱梁砼的截面形狀較復雜且不規則，但其水化熱規律與大體積砼基本相似。值得注意的是，箱梁因其表面比大于砼塊，其散熱過程比普通塊狀結構快，主要原因是普通砼反應達到最大水化放熱階段后后續反應中因熱量散失相對較慢而仍為升溫過程，但對于箱梁來說，最高溫度對應的基本就是水化熱反應頂峰時期。具體反應過程需通過微觀反應變化進行探究。

2　預應力箱梁水化熱作用機理微觀解析

2.1水化過程離子作用原理

水泥加水拌和后形成能粘結砂石集料的可塑性漿體，隨后逐漸失去塑性而凝結為具有一定強度的石狀體。在此過程中，伴隨著水化放熱、體積變化，發生一系列復雜的物理、化學變化。水泥顆粒分開來說就是多重礦物質的聚合體，工業熟料中礦物不是純粹的硅酸三鈣（C3S）、β型硅酸二鈣（β-C2S）、鋁酸三鈣（C3A）和鐵鋁酸四鈣（C4AF）等常見礦物質，而是Alite和Belite等有限固溶體，微量元素的固溶使晶格排列的規律受到影響。對于硅酸三鈣來說，結構中鈣離子的配位數為6，但配位不規則，有5個氧離子在一側而另一側僅有1個氧離子，在氧離子少的一側形成空洞使水容易進入發生反應。對于β型硅酸二鈣，鈣離子的配位數有一半是6，一半是8，其中氧離子與鈣離子的距離不等，配位不規則，結構不穩定，可以水化，但速度相對較慢。鋁酸三鈣中鋁的配位數為4和6，而鈣離子的配位數為6和9，其中配位數為9的鈣離子周圍的氧離子排列極不規則，結構有巨大空洞，因而水化較快。此外，鐵鋁酸四鈣結構中同樣存在空洞，也較易水化。

2.2水化過程離子反應規律

選取普通硅酸鹽水泥為研究對象，作標記后對離子水化反應進行跟蹤監測。水化反應過程可分為鈣礬石形成階段、硅酸三鈣水化階段和結構形成發展期，其中鋁酸三鈣、硅酸三鈣前期同步發展，但鋁酸三鈣反應產物對于硅酸三鈣有明顯抑制作用，整個進程與現有文獻提出的快速水化期、潛伏期、加速期、減速期和衰退期的理論一致。

鈣礬石形成階段：C3A首先水化并在有石膏存在的條件下迅速形成鈣礬石，出現集中放熱，即所謂的快速水化期。該時期同時伴隨著硅酸三鈣的部分水化，此后由于鈣礬石形成時的后續反應速度減緩，減緩了整個反應進程，產生潛伏期。

硅酸三鈣水化階段：在水泥熟料中硅酸三鈣的含量約50％，有時高達60％，其反應方程可簡寫為C3S+Nh=C-S-H+（3-x）CH，水化產物為CS-H凝膠和氫氧化鈣，有時也稱為水化硅酸鈣。該物質組成不定，CaO、SiO2和H2O、SiO2分子比都在較大范圍內變動，最終凝膠組成與所處環境的Ca（OH）2有關。具體反應又可分為水化早期、水化中期、水化后期。水化早期開始于加水拌和時，反應迅速放熱，持續時間在15 min左右，此后到初凝時間內水化速率受到抑制變得極其緩慢。水化中期反應速率重新加快，在4～8 h內反應速率隨著時間而增長，出現第二個放熱高峰，隨后反應速率開始減慢，水化產物CH和C-S-H開始結晶，包裹在C3S表面，水化作用受水通過產物層的擴散速率控制。水化后期反應速率很低，基本處于穩定狀態，水化作用完全通過擴散速率控制。整個反應期內， C3S水化較快，放熱較多，早期強度高，而且后期強度增進率較大，28 d強度可達到一年期強度的70％ ～80％。

結構的形成與發展階段：該階段的放熱速率基本趨于穩定，隨著各種水化產物增多，填入原先由水占據的空間，逐步連接，發展成硬化的漿體結構。此后一段過程中砼內部溫度呈下降趨勢，對應產生的是約束力。

3　預應力砼箱梁病害及防治

3.1砼箱梁水化放熱過程病害

根據水化熱作用機理、反應階段產生的溫度應力及在外界環境協同作用下產生的約束力等，預應力砼箱梁主要病害分為以下三類：

（1）溫差裂縫。在砼澆筑初期，砼內部澆筑溫度和水泥的水化熱疊加，熱量散發少，溫度上升較快，體積膨脹，但砼表面散熱條件好，溫度上升較少，產生內外溫度差，形成內約束力，致使砼內部產生壓應力，在表面引起拉應力（見圖7、圖8）。此外，在拆模前后，砼表面溫度迅速下降，也容易導致裂縫產生；緊急溫控措施不當，使內部溫度驟降也會導致內部溫度差，從而產生內部裂縫。

圖7　溫度變化導致內部約束應力作用

圖8　溫度變化外部約束應力作用

（2）約束裂縫。受到基礎或不同期澆筑砼的約束，產生約束應力，如果溫度應力足夠大，將形成貫穿結構的整體裂縫。砼在早期溫度上升時的彈性模量較小，受其他方面影響，砼與基礎連接不太牢固，因而壓應力較小。但溫度下降時產生較大的約束應力，若超過砼的極限抗拉強度，砼將出現垂直裂縫。

（3）自身收縮。自身收縮主要發生在砼拌和后的初期，在模板拆除前，砼的自身收縮大部分甚至已全部完成。自身收縮與干縮一樣，是由于水的遷移而引起的，但并不是由于水分蒸發散失，而是因為水泥水化時消耗水分造成凝膠孔的液面下降形成彎月面，產生所謂的自干燥作用，導致砼體的相對濕度降低及體積減小而導致自身收縮。

3.2防治措施

3.2.1原材料選用及配合比優化

（1）采用水化熱較低和凝結時間較長的水泥。在材料選擇時，應對不同種類和品牌的水泥取樣進行水化熱試驗，經過分析比較，優先選用同量同等條件下水化熱較低的水泥，并選擇適宜的礦物組成和調整水泥的細度模數。

（2）優選自然連續級配的粗骨料。這樣可使砼具有和易性良好、用水量和水泥用量較少、抗壓強度較高等優點。但骨料粒徑增大后，不僅容易引起砼的離析，而且在鋼筋密集部位砼澆筑和振搗施工難度增大。因此，不可盲目選用大粒徑粗骨料。

（3）選用優質的中、粗砂作為細骨料。試驗證明選用細度模數為2.79、平均粒徑為0.381 mm的中粗砂，比選用細度模數為2.2、平均粒徑為0.336 mm的細砂，每立方米砼可減少水泥用量28～35 kg、用水量20～25 kg，既可降低砼的溫升，也可減小砼的收縮。

（4）混合料和添加劑的選擇。砼箱梁常用外加劑有粉煤灰、緩凝劑和減水劑等。粉煤灰中硅占40％～60％、鋁氧化物占17％～35％，這些硅鋁氧化物能與水泥的水化產物進行二次反應，從而減少水泥用量，降低砼的熱脹。減水劑主要用于改善砼的和易性，降低水灰比，提高砼強度或在保持砼一定強度時減少水泥用量。緩凝劑的主要作用是延緩砼放熱峰值出現的時間，由于砼的強度會隨齡期的增長而增大，所以等放熱峰值出現時，砼強度也已增大，抵抗溫度能力增強，從而減小裂縫出現的幾率。

3.2.2施工技術措施

（1）降低砼入模溫度。應在氣溫較適宜時澆筑大體積砼，盡量避開炎熱天氣?？刹捎脺囟容^低的地下水攪拌砼或在砼拌和水中加入冰塊，同時對骨料采取遮陽、灑水降溫等措施，降低砼入模溫度。

（2）做好表面隔熱保護。水泥因水化作用，內外溫差過大，如果此時受到冷空氣的襲擊或過分通風散熱而使表面溫度下降過大，很容易導致裂縫的產生。因此，在砼拆模后（特別是低溫季節）應立即進行表面保護，防止表面降溫過大而引起裂縫。

（3）循環水管散熱措施。在砼內部布置冷卻水管，砼終凝后開始通水冷卻降溫。需注意的是，不能盲目通冷卻水，防止溫度驟降，要在砼內部合理布置測溫點，埋設測溫傳感器，掌握砼內部各測點的溫度變化，以便及時調整冷卻水流量，控制溫差。

（4）改善約束削減溫度應力。在大體積砼基礎與墊層之間設置滑動層，在技術條件許可的情況下，施工時宜以刷熱瀝青作為滑動層，以消除嵌固作用，釋放約束應力。

（5）加強后期養護。在表面施工完畢后，應加強對砼的養護，根據溫度監控結果，及時做好砼的內外溫度控制及砼的保溫和保濕，減少砼表面熱擴散，延長散熱時間，減少砼表面溫度梯度，保證溫度緩慢升降。

［1］劉興法.混凝土結構的溫度應力分析［M].北京：人民交通出版社，1991.

［2］中愛琴.水泥與水泥混凝土［M].北京：人民交通出版社，2000.

［3］陳本沛.混凝土結構理論應用的現狀與發展［M].大連：大連理工大學出版社，2005.

［4］劉秉京.混凝土技術［M].北京：人民交通出版社， 2004.

［5］Jun Suzuki，Yoshito Ohba，Yoshiyuki Uchikawa，et al.Monitoring temperatures on a real box-girder bridge and energy budget analysis for basic information on bridge cooling and surface freezing［J].Journal of Bridge Engineering，2007，12（1）.

［6］Chengyin Liu，John T DeWolf.Effect of temperature on modal variability for a curved concrete bridge［A].SPIE Proceedings 6174［C].2006.

［7］Mohsen A1ssa.Investigation of cracking in concrete bridge decks at early ages［J].Journal of Bridge Engineering，1999，4（2）.

U445.7

A

1671-2668（2016）01-0190-04

2015-03-12

2012年湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃項目；長沙理工大學橋梁工程湖南省高校重點實驗室開放基金資助項目（10KA11）