早強劑對大跨連續(xù)剛構(gòu)橋長期撓度的影響

[摘要]:早強劑的加入導(dǎo)致混凝土加載齡期縮短是當(dāng)前大跨連續(xù)剛構(gòu)橋長期撓度加大的主要原因之一。文章先從早強劑的機理入手闡述了導(dǎo)致?lián)隙燃哟蟮脑?，然后用橋梁結(jié)構(gòu)專用軟件MidasCivil對一實橋做了相應(yīng)計算分析，所得計算分析結(jié)果對該類橋梁的施工分析及設(shè)計具有一定的借鑒作用。

[關(guān)鍵詞]:連續(xù)剛構(gòu)橋；早強劑；加載齡期； 強度； 彈性模量； 長期撓度

[中圖分類號]   U448.21^十5                            [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]    B

　　目前國內(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為一座三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑布置為150m+270m+150m，于1997年建庫通車，是當(dāng)時世界上最大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋。連續(xù)7年的觀測表明，承臺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，而且尚未停止。2003年11月測量數(shù)據(jù)表明，與成橋時相比，左幅橋跨中累計下?lián)线_(dá)22.2cm，右幅橋跨中累計下?lián)线_(dá)20.7cm。又如三門峽黃河公路大橋，主橋為1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，本文僅針對施工中容易忽視的早強劑的使用問題進(jìn)行討論。

　　為加快施工進(jìn)度，提高混凝土的早期強度，常在混凝土中摻人早強劑，以使混凝土強度盡快達(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)梁橋長期撓度加大的一個重要原因。因為早強劑的加人使得混凝土的加載齡期縮短，這樣做混凝土的強度是提高了，但是同樣隨時間增加而逐步增強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度。水泥凝膠體是水泥石的主要成份，也是水泥石強度的主要來源。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，與石膏作用會生成針狀晶體水化硫鋁酸鈣，該晶體的形成對水泥石強度的貢獻(xiàn)較小。水泥石的強度隨著硬化齡期的增加而逐漸增大，因為水泥的水化隨時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，于是強度也就隨之增大。

　　早強劑是一種加速混凝土硬化過程，提高混凝土早期強度的外加劑。因氯化鈣早強劑(CaC1₂)對預(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。以硫酸鈣早強劑(石膏CaSO₄)為例來說明早強劑在混凝土中的作用機理。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，其體積比原來的固態(tài)水化鋁酸鈣增加1.5倍以上，該晶體生成時產(chǎn)生體積膨脹，并且該針狀晶體貫穿水泥塑性凝膠中加強了水泥漿的結(jié)構(gòu)，同時體積膨脹又使混凝土密實性增加，孔隙率減少，故能提高混凝土的早期強度，表現(xiàn)出早強效果。但同時，水化硫鋁酸鈣產(chǎn)生的體積膨脹在混凝土內(nèi)部亦會產(chǎn)生局部膨脹壓力，使水泥石結(jié)構(gòu)脹裂，強度下降。因此水化硫鋁酸鈣這種針狀晶體通常稱之為“水泥桿菌”。

　　事實上，使用早強劑是利用水化硫鋁酸鈣的體積膨脹作用來實現(xiàn)混凝土的早強效果。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)為早期強度提高，實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?，后期的收縮和徐變增長越大。由于早強劑的使用，使混凝土在彈性模量未達(dá)到設(shè)計規(guī)范中提供的數(shù)值時即施加預(yù)應(yīng)力，而在計算混凝土收縮徐變時，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混凝土的徐變有較大影響，而徐變又是影響長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，且強度低，因此加載齡期越早，混凝土徐變越大。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)献冃沃导哟蟆８鶕?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)時間，來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個桿單元，82個節(jié)點，其中主梁單元71個。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營若干年內(nèi)，結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力始終在隨時間變化。應(yīng)力的徐變分析采用時序步進(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段，對每個時段都要進(jìn)行一次彈性和徐變分析。本例中分時步分析的時步劃分為:從施工階段到成橋后10年劃分為26個時步，前16個時步為施工階段，根據(jù)施工進(jìn)程及合龍順序具體劃分，后10個時步每個時步的時間間隔為365d。

　　本文將分別按加載齡期為2、5、10、14(d)對大橋進(jìn)行成橋后長期撓度計算并對比分析。由于早強劑的加人使得原來設(shè)計時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，也就是說齡期越小它對撓度的反映就越明顯，這就說明了如果加入過多的早強劑時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)計值大很多。

　　由于早強劑的使用，使混凝土在彈性模量未達(dá)到設(shè)計規(guī)范中提供的數(shù)值時即施加預(yù)應(yīng)力，而在計算混凝土收縮徐變時，并未考慮這種因素，也無法考慮該因素的存在。因為設(shè)計規(guī)范中提供的混凝土彈性模量是一個常數(shù)，且該常數(shù)值高于混凝土彈性模量實際數(shù)值。因此，混凝土的收縮徐變隨齡期的增長而增大，所發(fā)生的收縮徐變較設(shè)計計算值大，這將會引起橋梁在運營后的預(yù)應(yīng)力損失、長期撓度加大。

　　目前部分設(shè)計單位己認(rèn)識到混凝土彈性模量對混凝土收縮和徐變的影響，在設(shè)計文件中明確提出在施加預(yù)應(yīng)力之前，不但應(yīng)提供混凝土強度試驗報告，亦應(yīng)提供混凝土彈性模量測試報告，為預(yù)應(yīng)力施工提供依據(jù)。

　　在實際工程中我們不能片面地通過早強劑的使用而大大地縮短混凝土的加載齡期，因為這樣做只是使得混凝土的強度得到了迅速提高，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。