早強(qiáng)劑對(duì)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋長(zhǎng)期撓度的影響

[摘要]:早強(qiáng)劑的加入導(dǎo)致混凝土加載齡期縮短是當(dāng)前大跨連續(xù)剛構(gòu)橋長(zhǎng)期撓度加大的主要原因之一。文章先從早強(qiáng)劑的機(jī)理入手闡述了導(dǎo)致?lián)隙燃哟蟮脑颍缓笥脴蛄航Y(jié)構(gòu)專用軟件MidasCivil對(duì)一實(shí)橋做了相應(yīng)計(jì)算分析，所得計(jì)算分析結(jié)果對(duì)該類橋梁的施工分析及設(shè)計(jì)具有一定的借鑒作用。

[關(guān)鍵詞]:連續(xù)剛構(gòu)橋；早強(qiáng)劑；加載齡期； 強(qiáng)度； 彈性模量； 長(zhǎng)期撓度

[中圖分類號(hào)]   U448.21^十5                            [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]    B

　　目前國(guó)內(nèi)外的大跨連續(xù)剛構(gòu)橋都出現(xiàn)了跨中嚴(yán)重下?lián)系默F(xiàn)象。如虎門大橋輔航道橋?yàn)橐蛔珙A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑布置為150m+270m+150m，于1997年建庫(kù)通車，是當(dāng)時(shí)世界上最大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋。連續(xù)7年的觀測(cè)表明，承臺(tái)豎向變位和墩頂角位移很小，但主跨跨中撓度卻因混凝土收縮徐變等因素而逐年增長(zhǎng)，而且尚未停止。2003年11月測(cè)量數(shù)據(jù)表明，與成橋時(shí)相比，左幅橋跨中累計(jì)下?lián)线_(dá)22.2cm，右幅橋跨中累計(jì)下?lián)线_(dá)20.7cm。又如三門峽黃河公路大橋，主橋?yàn)?座6跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑布置為105m+4 x 14Om+105m，于1992年建成通車。2002年6月對(duì)該橋的檢查發(fā)現(xiàn)，跨中下?lián)献畲筮_(dá)到22cm，另外梁體有大量裂縫。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因很多，本文僅針對(duì)施工中容易忽視的早強(qiáng)劑的使用問題進(jìn)行討論。

　　為加快施工進(jìn)度，提高混凝土的早期強(qiáng)度，常在混凝土中摻人早強(qiáng)劑，以使混凝土強(qiáng)度盡快達(dá)到預(yù)應(yīng)力張拉的要求。筆者認(rèn)為這種做法是使大跨連續(xù)梁橋長(zhǎng)期撓度加大的一個(gè)重要原因。因?yàn)樵鐝?qiáng)劑的加人使得混凝土的加載齡期縮短，這樣做混凝土的強(qiáng)度是提高了，但是同樣隨時(shí)間增加而逐步增強(qiáng)的混凝土彈性模量并沒有迅速提高。而彈性模量才是影響撓度的重要因素。

　　以通常使用的硅酸鹽水泥為例說(shuō)明水泥的凝結(jié)與硬化過程。水泥中主要礦物成份為硅酸三鈣(C₃S)、硅酸二鈣(C₂S)、鋁酸三鈣C₃A以及鐵鋁酸四鈣C₄AF。水泥與水接觸后，各種礦物成份與水起化學(xué)反應(yīng)，釋放出一定的水化熱生成新的水化產(chǎn)物。C₃S 和C₂S與水作用生成水化硅酸鈣，它們的水化反應(yīng)式如式(1)、式(2)。

2(3CaO ·Si0₂) + 6H₂0 = 3CaO·2Si0₂·3H₂0 + 3Ca(OH)₂    (1)

2(2CaO ·Si0₂) + 4H₂0 = 3CaO·2Si0₂·3H₂0 + Ca(OH)₂     (2)

　　所生成的水化硅酸鈣幾乎不溶于水，以凝膠體微粒狀析出，并且會(huì)逐漸凝聚成為凝膠。根據(jù)膠空比理論，凝膠體在水泥石中的填充程度決定水泥石的強(qiáng)度。水泥凝膠體是水泥石的主要成份，也是水泥石強(qiáng)度的主要來(lái)源。C₃A 與C₄AF水作用主要生成立方晶體水化鋁酸三鈣，其水化反應(yīng)非常迅速，水化反應(yīng)式可表示如式(3)、式(4):

3Ca·A1₂0₃ + 6 H₂0 = 3Cao·A12o3·6 H₂0                         (3)

4Ca·A1₂0₃·Fe₂0₃ + 7H₂0 = 3Cao·A1203·6 H₂0 + CaO· Fe₂0₃·H₂0  (4)

　　水化鋁酸鈣性質(zhì)不穩(wěn)定，與石膏作用會(huì)生成針狀晶體水化硫鋁酸鈣，該晶體的形成對(duì)水泥石強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較小。水泥石的強(qiáng)度隨著硬化齡期的增加而逐漸增大，因?yàn)樗嗟乃S時(shí)間的推移而在不斷地深入，增多的水泥凝膠體填充于毛細(xì)孔內(nèi)。相應(yīng)地增大了膠空比比值，于是強(qiáng)度也就隨之增大。

　　早強(qiáng)劑是一種加速混凝土硬化過程，提高混凝土早期強(qiáng)度的外加劑。因氯化鈣早強(qiáng)劑(CaC1₂)對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋有腐蝕作用；故在預(yù)應(yīng)力混凝土中禁止使用。以硫酸鈣早強(qiáng)劑(石膏CaSO₄)為例來(lái)說(shuō)明早強(qiáng)劑在混凝土中的作用機(jī)理。CaSO₄與鋁酸三鈣C₃A迅速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水化硫鋁酸鈣，其水化反應(yīng)可表示為:

3CaSO₄+ C₃A+32 H₂0=C₃A·3Cas04·32 H₂0 (5)

　　水化硫鋁酸鈣含有大量的結(jié)晶水，其體積比原來(lái)的固態(tài)水化鋁酸鈣增加1.5倍以上，該晶體生成時(shí)產(chǎn)生體積膨脹，并且該針狀晶體貫穿水泥塑性凝膠中加強(qiáng)了水泥漿的結(jié)構(gòu)，同時(shí)體積膨脹又使混凝土密實(shí)性增加，孔隙率減少，故能提高混凝土的早期強(qiáng)度，表現(xiàn)出早強(qiáng)效果。但同時(shí)，水化硫鋁酸鈣產(chǎn)生的體積膨脹在混凝土內(nèi)部亦會(huì)產(chǎn)生局部膨脹壓力，使水泥石結(jié)構(gòu)脹裂，強(qiáng)度下降。因此水化硫鋁酸鈣這種針狀晶體通常稱之為“水泥桿菌”。

　　事實(shí)上，使用早強(qiáng)劑是利用水化硫鋁酸鈣的體積膨脹作用來(lái)實(shí)現(xiàn)混凝土的早強(qiáng)效果。但混凝土內(nèi)部的局部膨脹壓力的問題并未予以解決，而且由于早強(qiáng)劑的摻人，C₃A的化學(xué)反應(yīng)迅速，且該水化反應(yīng)結(jié)合了較多的水分子，而C₃S，C₂S的化學(xué)反應(yīng)較慢，在混凝土的收縮和徐變初期階段，產(chǎn)生的結(jié)果是凝膠體產(chǎn)生較少而晶體生成較多。雖然混凝土表現(xiàn)為早期強(qiáng)度提高，實(shí)際上因水泥石中晶體含量較多而凝膠含量較少，混凝土的彈性模量并未提高。

 

　　混凝土的收縮徐變是一個(gè)與混凝土彈性模量相關(guān)的函數(shù)，而混凝土的彈性模量與混凝土齡期相關(guān)?；炷恋膹椥阅Ａ吭降?，后期的收縮和徐變?cè)鲩L(zhǎng)越大。由于早強(qiáng)劑的使用，使混凝土在彈性模量未達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范中提供的數(shù)值時(shí)即施加預(yù)應(yīng)力，而在計(jì)算混凝土收縮徐變時(shí)，并未考慮這種因素，這樣相當(dāng)于縮短了混凝土的加載齡期。眾所周知加載齡期對(duì)混凝土的徐變有較大影響，而徐變又是影響長(zhǎng)期撓度的最主要因素。根據(jù)有關(guān)研究表明混凝土的加載齡期早，混凝土水化反應(yīng)還在進(jìn)行，且強(qiáng)度低，因此加載齡期越早，混凝土徐變?cè)酱?。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋梁受工期控制，一般混凝土在澆筑2d～3d左右就開始了預(yù)應(yīng)力張拉加載，齡期短，混凝土收縮徐變大，而此時(shí)梁面標(biāo)高己經(jīng)確定不可改變，因此主梁下?lián)献冃沃导哟?。根?jù)收縮徐變的應(yīng)變發(fā)展曲線規(guī)律，適當(dāng)增大養(yǎng)護(hù)時(shí)間，來(lái)增加混凝土的加載齡期，可以減小后期徐變撓度。

　　本文采用 橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS/Civil建立結(jié)構(gòu)分析模型，將全橋離散成81個(gè)桿單元，82個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中主梁?jiǎn)卧?1個(gè)。各部位邊界條件根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式分別進(jìn)行模擬。

　　因徐變收縮的持續(xù)作用，從開始施工直到橋梁建成投人運(yùn)營(yíng)若干年內(nèi)，結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力始終在隨時(shí)間變化。應(yīng)力的徐變分析采用時(shí)序步進(jìn)的增量分析法，為此要將結(jié)構(gòu)的生命歷程劃分為若干時(shí)段，對(duì)每個(gè)時(shí)段都要進(jìn)行一次彈性和徐變分析。本例中分時(shí)步分析的時(shí)步劃分為:從施工階段到成橋后10年劃分為26個(gè)時(shí)步，前16個(gè)時(shí)步為施工階段，根據(jù)施工進(jìn)程及合龍順序具體劃分，后10個(gè)時(shí)步每個(gè)時(shí)步的時(shí)間間隔為365d。

　　本文將分別按加載齡期為2、5、10、14(d)對(duì)大橋進(jìn)行成橋后長(zhǎng)期撓度計(jì)算并對(duì)比分析。由于早強(qiáng)劑的加人使得原來(lái)設(shè)計(jì)時(shí)的混凝土加載齡期縮短，而從圖2中可以看到，大橋跨中也就是節(jié)點(diǎn)36處加載齡期14d 的豎向位移為一3.78Cm，而同一位置加載齡期為Zd的豎向位移卻達(dá)到4.98cm。由此可見，加載齡期對(duì)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的后期撓度影響很大。我們可以看到圖2中大橋跨中位置各加載齡期的撓度的差值是遞減的，也就是說(shuō)齡期越小它對(duì)撓度的反映就越明顯，這就說(shuō)明了如果加入過多的早強(qiáng)劑時(shí)的加載齡期很小的話，導(dǎo)致的結(jié)果可能是大橋的后期撓度可能比設(shè)計(jì)值大很多。

　　由于早強(qiáng)劑的使用，使混凝土在彈性模量未達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范中提供的數(shù)值時(shí)即施加預(yù)應(yīng)力，而在計(jì)算混凝土收縮徐變時(shí)，并未考慮這種因素，也無(wú)法考慮該因素的存在。因?yàn)樵O(shè)計(jì)規(guī)范中提供的混凝土彈性模量是一個(gè)常數(shù)，且該常數(shù)值高于混凝土彈性模量實(shí)際數(shù)值。因此，混凝土的收縮徐變隨齡期的增長(zhǎng)而增大，所發(fā)生的收縮徐變較設(shè)計(jì)計(jì)算值大，這將會(huì)引起橋梁在運(yùn)營(yíng)后的預(yù)應(yīng)力損失、長(zhǎng)期撓度加大。

　　目前部分設(shè)計(jì)單位己認(rèn)識(shí)到混凝土彈性模量對(duì)混凝土收縮和徐變的影響，在設(shè)計(jì)文件中明確提出在施加預(yù)應(yīng)力之前，不但應(yīng)提供混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)報(bào)告，亦應(yīng)提供混凝土彈性模量測(cè)試報(bào)告，為預(yù)應(yīng)力施工提供依據(jù)。

　　在實(shí)際工程中我們不能片面地通過早強(qiáng)劑的使用而大大地縮短混凝土的加載齡期，因?yàn)檫@樣做只是使得混凝土的強(qiáng)度得到了迅速提高，而混凝土的彈性模量并沒有隨之迅速

提高。施工進(jìn)度必須要在工程質(zhì)量得到保證的條件下合理地加快。