曾有藝，周健，曹云龍

（長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南　長沙　410004）

預(yù)應(yīng)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(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長沙410004）

砼凝結(jié)和硬化過程中會(huì)因多種物質(zhì)反應(yīng)放出大量熱，并與外界條件協(xié)同作用產(chǎn)生溫度應(yīng)力，極易破壞砼的整體結(jié)構(gòu)性。文中綜合分析了水化熱對(duì)砼箱梁質(zhì)量和性能的影響，總結(jié)了業(yè)內(nèi)專家歷年在砼水化熱研究方面提出的先進(jìn)理論，并根據(jù)國內(nèi)外最新研究進(jìn)展和施工經(jīng)驗(yàn)介紹了砼箱梁生產(chǎn)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(chǔ)設(shè)施進(jìn)入爆發(fā)式增長期，激增的交通需求不斷沖擊著橋梁的設(shè)計(jì)極限，預(yù)應(yīng)力砼箱梁橋因具有跨越性強(qiáng)、剛度大、行車平順等優(yōu)點(diǎn)而廣受青睞，建設(shè)規(guī)模逐步增大。為滿足其剛度需求，箱梁腹板普遍加厚，導(dǎo)致砼用量增多、體積增大，對(duì)橋梁設(shè)計(jì)、施工帶來新的挑戰(zhàn)。

眾所周知，砼凝結(jié)和硬化過程中會(huì)因多種物質(zhì)反應(yīng)放出大量熱，并與外界條件協(xié)同作用產(chǎn)生溫度應(yīng)力，極易破壞砼的整體結(jié)構(gòu)性。此外，大多數(shù)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(guān)系。因此，加強(qiáng)對(duì)水泥砼水化熱的研究和控制將對(duì)施工質(zhì)量起到很大的保障作用。

1　預(yù)應(yīng)力箱梁溫度變化宏觀規(guī)律

1.1大體積箱梁尺寸界定

對(duì)于砼箱梁需要考慮水化熱影響的具體尺寸目前國內(nèi)外尚無明確標(biāo)準(zhǔn)。美國砼學(xué)會(huì)（ACI）規(guī)定：任何現(xiàn)澆砼，尺寸達(dá)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(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（JASS5）規(guī)定：斷面最小厚度在80 cm以上，水化熱引起砼內(nèi)部最高溫度與外界氣溫之差預(yù)計(jì)超過25℃的砼稱為大體積砼。中國《建筑施工手冊(cè)》對(duì)大體積砼的定義為：最小斷面尺寸大于1 m以上的砼結(jié)構(gòu)，其尺寸已大到必須采取相應(yīng)的技術(shù)措施妥善處理溫度差值，合理解決溫度應(yīng)力并控制裂縫的砼結(jié)構(gòu)。而實(shí)際應(yīng)用中以截面尺寸來簡(jiǎn)單判斷是否是大體積砼的現(xiàn)象最為常見，不少模糊判斷給業(yè)主和施工企業(yè)帶來不同程度的損失。尤其對(duì)于砼箱梁來說，大體積不能僅由其絕對(duì)截面尺寸的大小決定，而應(yīng)從水化作用對(duì)箱梁受力和基本性能的作用原理具體分析，比較準(zhǔn)確的方法是分析水化熱引起的溫度應(yīng)力是否會(huì)引起結(jié)構(gòu)受力和性能產(chǎn)生容許范圍之外的變化。

1.2實(shí)例數(shù)據(jù)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(lán)山段K52+900處荷葉塘高架橋主橋工程項(xiàng)目區(qū)屬于亞熱帶大陸性季風(fēng)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(dá)43℃，最低氣溫-13.3℃。砼箱梁段具有標(biāo)號(hào)高、單方水泥用量大、局部尺寸較大等特點(diǎn)，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(cè)試方法及測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)箱梁澆筑情況，選取3#墩、9#墩0#塊砼作為測(cè)試對(duì)象，測(cè)試截面為0#塊砼橫截面（支點(diǎn)橫截面，見圖1）。測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)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(cè)點(diǎn)，表面測(cè)點(diǎn)距離砼表面5～10 mm（見圖2）。各測(cè)點(diǎn)均采用內(nèi)埋式SZW-18智能溫度計(jì)，在灌注梁體砼前，將其固定在梁體的鋼筋網(wǎng)上，并測(cè)定點(diǎn)位的位置坐標(biāo)。

圖1　右線箱梁溫度測(cè)點(diǎn)截面布置（單位：m）

圖2　0#塊箱梁溫度測(cè)點(diǎn)布置

1.2.3測(cè)試結(jié)果與分析

利用預(yù)埋在砼箱梁中的10個(gè)溫度計(jì)，對(duì)梁體灌注后砼水化熱溫度隨時(shí)間的變化情況進(jìn)行測(cè)試，分別于2011年4月18日和22日上午對(duì)3#墩、9#墩0#塊底板和腹板進(jìn)行測(cè)試。砼在上午8：00進(jìn)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(jì)后開始測(cè)試，觀測(cè)時(shí)間分別為156、165、167、122 h，測(cè)試結(jié)果見圖3～6。

圖3　9#腹板各測(cè)點(diǎn)溫度變化情況

圖4　9#底板各測(cè)點(diǎn)溫度變化

圖5　3#腹板各測(cè)點(diǎn)溫度變化情況

圖6　3#底板各測(cè)點(diǎn)溫度變化情況

由圖3可知：砼核心處（T7）的砼溫度最高，測(cè)試到第24 h（距攪拌時(shí)間24 h，距開始澆筑時(shí)間20 h）時(shí)，溫度達(dá)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(jì)的最大溫差為36.1 ℃，出現(xiàn)在第24 h（距攪拌時(shí)間28 h，距開始澆筑時(shí)間24 h）。

由圖4可知：砼核心處（T3）的砼溫度最高，測(cè)試到第19 h（距攪拌時(shí)間25 h，距開始澆筑時(shí)間21 h）時(shí)，溫度達(dá)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(jì)的最大溫差為10 ℃，出現(xiàn)在第23 h（距攪拌時(shí)間23 h，距開始澆筑時(shí)間27 h）。

由圖5可知：砼核心處（T7）的砼溫度最高，測(cè)試到第23 h（距攪拌時(shí)間26 h，距開始澆筑時(shí)間20 h）時(shí)，溫度達(dá)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(jì)的最大溫差為10 ℃，出現(xiàn)在第25 h（距攪拌時(shí)間28 h，距開始澆筑時(shí)間25 h）。

由圖6可知：砼核心處（T3）的砼溫度最高，測(cè)試到第20 h（距攪拌時(shí)間24 h，距開始澆筑時(shí)間20 h）時(shí)，溫度達(dá)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(jì)的最大溫差為10 ℃，出現(xiàn)在第22 h（距攪拌時(shí)間25 h，距開始澆筑時(shí)間22 h）。

1.3不同部位溫度變化控制規(guī)律

（1）9#腹板砼內(nèi)部與表面溫度差值達(dá)到36.1 ℃，超過GB 50496-2009《大體積混凝土施工規(guī)范》要求的25℃，應(yīng)注意砼后期質(zhì)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(guī)范》中砼澆筑體在入模溫度基礎(chǔ)上最大升溫值不宜超過50℃的要求，應(yīng)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(cè)點(diǎn)最初的降溫速度均超過GB 50496-2009《大體積混凝土施工規(guī)范》中砼澆筑體的降溫速率不宜大于2.0℃/d的要求，應(yīng)采取有效的砼養(yǎng)護(hù)措施，減小砼在凝結(jié)過程中的降溫速度。

（4）就砼箱梁各測(cè)點(diǎn)的溫度變化規(guī)律來說，雖然箱梁砼的截面形狀較復(fù)雜且不規(guī)則，但其水化熱規(guī)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(jié)構(gòu)快，主要原因是普通砼反應(yīng)達(dá)到最大水化放熱階段后后續(xù)反應(yīng)中因熱量散失相對(duì)較慢而仍為升溫過程，但對(duì)于箱梁來說，最高溫度對(duì)應(yīng)的基本就是水化熱反應(yīng)頂峰時(shí)期。具體反應(yīng)過程需通過微觀反應(yīng)變化進(jìn)行探究。

2　預(yù)應(yīng)力箱梁水化熱作用機(jī)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(jié)砂石集料的可塑性漿體，隨后逐漸失去塑性而凝結(jié)為具有一定強(qiáng)度的石狀體。在此過程中，伴隨著水化放熱、體積變化，發(fā)生一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)變化。水泥顆粒分開來說就是多重礦物質(zhì)的聚合體，工業(yè)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(zhì)，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(guī)律受到影響。對(duì)于硅酸三鈣來說，結(jié)構(gòu)中鈣離子的配位數(shù)為6，但配位不規(guī)則，有5個(gè)氧離子在一側(cè)而另一側(cè)僅有1個(gè)氧離子，在氧離子少的一側(cè)形成空洞使水容易進(jìn)入發(fā)生反應(yīng)。對(duì)于β型硅酸二鈣，鈣離子的配位數(shù)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(guī)則，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，可以水化，但速度相對(duì)較慢。鋁酸三鈣中鋁的配位數(shù)為4和6，而鈣離子的配位數(shù)為6和9，其中配位數(shù)為9的鈣離子周圍的氧離子排列極不規(guī)則，結(jié)構(gòu)有巨大空洞，因而水化較快。此外，鐵鋁酸四鈣結(jié)構(gòu)中同樣存在空洞，也較易水化。

2.2水化過程離子反應(yīng)規(guī)律

選取普通硅酸鹽水泥為研究對(duì)象，作標(biāo)記后對(duì)離子水化反應(yīng)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。水化反應(yīng)過程可分為鈣礬石形成階段、硅酸三鈣水化階段和結(jié)構(gòu)形成發(fā)展期，其中鋁酸三鈣、硅酸三鈣前期同步發(fā)展，但鋁酸三鈣反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)于硅酸三鈣有明顯抑制作用，整個(gè)進(jìn)程與現(xiàn)有文獻(xiàn)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(xiàn)集中放熱，即所謂的快速水化期。該時(shí)期同時(shí)伴隨著硅酸三鈣的部分水化，此后由于鈣礬石形成時(shí)的后續(xù)反應(yīng)速度減緩，減緩了整個(gè)反應(yīng)進(jìn)程，產(chǎn)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(shí)高達(dá)60％，其反應(yīng)方程可簡(jiǎn)寫為C3S+Nh=C-S-H+（3-x）CH，水化產(chǎn)物為CS-H凝膠和氫氧化鈣，有時(shí)也稱為水化硅酸鈣。該物質(zhì)組成不定，CaO、SiO2和H2O、SiO2分子比都在較大范圍內(nèi)變動(dòng)，最終凝膠組成與所處環(huán)境的Ca（OH）2有關(guān)。具體反應(yīng)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(shí)，反應(yīng)迅速放熱，持續(xù)時(shí)間在15 min左右，此后到初凝時(shí)間內(nèi)水化速率受到抑制變得極其緩慢。水化中期反應(yīng)速率重新加快，在4～8 h內(nèi)反應(yīng)速率隨著時(shí)間而增長，出現(xiàn)第二個(gè)放熱高峰，隨后反應(yīng)速率開始減慢，水化產(chǎn)物CH和C-S-H開始結(jié)晶，包裹在C3S表面，水化作用受水通過產(chǎn)物層的擴(kuò)散速率控制。水化后期反應(yīng)速率很低，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，水化作用完全通過擴(kuò)散速率控制。整個(gè)反應(yīng)期內(nèi)， C3S水化較快，放熱較多，早期強(qiáng)度高，而且后期強(qiáng)度增進(jìn)率較大，28 d強(qiáng)度可達(dá)到一年期強(qiáng)度的70％ ～80％。

結(jié)構(gòu)的形成與發(fā)展階段：該階段的放熱速率基本趨于穩(wěn)定，隨著各種水化產(chǎn)物增多，填入原先由水占據(jù)的空間，逐步連接，發(fā)展成硬化的漿體結(jié)構(gòu)。此后一段過程中砼內(nèi)部溫度呈下降趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的是約束力。

3　預(yù)應(yīng)力砼箱梁病害及防治

3.1砼箱梁水化放熱過程病害

根據(jù)水化熱作用機(jī)理、反應(yīng)階段產(chǎn)生的溫度應(yīng)力及在外界環(huán)境協(xié)同作用下產(chǎn)生的約束力等，預(yù)應(yīng)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(nèi)部澆筑溫度和水泥的水化熱疊加，熱量散發(fā)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(chǎn)生內(nèi)外溫度差，形成內(nèi)約束力，致使砼內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，在表面引起拉應(yīng)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(dǎo)致裂縫產(chǎn)生；緊急溫控措施不當(dāng)，使內(nèi)部溫度驟降也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部溫度差，從而產(chǎn)生內(nèi)部裂縫。

圖7　溫度變化導(dǎo)致內(nèi)部約束應(yīng)力作用

圖8　溫度變化外部約束應(yīng)力作用

（2）約束裂縫。受到基礎(chǔ)或不同期澆筑砼的約束，產(chǎn)生約束應(yīng)力，如果溫度應(yīng)力足夠大，將形成貫穿結(jié)構(gòu)的整體裂縫。砼在早期溫度上升時(shí)的彈性模量較小，受其他方面影響，砼與基礎(chǔ)連接不太牢固，因而壓應(yīng)力較小。但溫度下降時(shí)產(chǎn)生較大的約束應(yīng)力，若超過砼的極限抗拉強(qiáng)度，砼將出現(xiàn)垂直裂縫。

（3）自身收縮。自身收縮主要發(fā)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(fā)散失，而是因?yàn)樗嗨瘯r(shí)消耗水分造成凝膠孔的液面下降形成彎月面，產(chǎn)生所謂的自干燥作用，導(dǎo)致砼體的相對(duì)濕度降低及體積減小而導(dǎo)致自身收縮。

3.2防治措施

3.2.1原材料選用及配合比優(yōu)化

（1）采用水化熱較低和凝結(jié)時(shí)間較長的水泥。在材料選擇時(shí)，應(yīng)對(duì)不同種類和品牌的水泥取樣進(jìn)行水化熱試驗(yàn)，經(jīng)過分析比較，優(yōu)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(diào)整水泥的細(xì)度模數(shù)。

（2）優(yōu)選自然連續(xù)級(jí)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(qiáng)度較高等優(yōu)點(diǎn)。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(yōu)質(zhì)的中、粗砂作為細(xì)骨料。試驗(yàn)證明選用細(xì)度模數(shù)為2.79、平均粒徑為0.381 mm的中粗砂，比選用細(xì)度模數(shù)為2.2、平均粒徑為0.336 mm的細(xì)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(chǎn)物進(jìn)行二次反應(yīng)，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(qiáng)度或在保持砼一定強(qiáng)度時(shí)減少水泥用量。緩凝劑的主要作用是延緩砼放熱峰值出現(xiàn)的時(shí)間，由于砼的強(qiáng)度會(huì)隨齡期的增長而增大，所以等放熱峰值出現(xiàn)時(shí)，砼強(qiáng)度也已增大，抵抗溫度能力增強(qiáng)，從而減小裂縫出現(xiàn)的幾率。

3.2.2施工技術(shù)措施

（1）降低砼入模溫度。應(yīng)在氣溫較適宜時(shí)澆筑大體積砼，盡量避開炎熱天氣?？刹捎脺囟容^低的地下水?dāng)嚢桧呕蛟陧虐韬退屑尤氡鶋K，同時(shí)對(duì)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(hù)。水泥因水化作用，內(nèi)外溫差過大，如果此時(shí)受到冷空氣的襲擊或過分通風(fēng)散熱而使表面溫度下降過大，很容易導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。因此，在砼拆模后（特別是低溫季節(jié)）應(yīng)立即進(jìn)行表面保護(hù)，防止表面降溫過大而引起裂縫。

（3）循環(huán)水管散熱措施。在砼內(nèi)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(nèi)部合理布置測(cè)溫點(diǎn)，埋設(shè)測(cè)溫傳感器，掌握砼內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)的溫度變化，以便及時(shí)調(diào)整冷卻水流量，控制溫差。

（4）改善約束削減溫度應(yīng)力。在大體積砼基礎(chǔ)與墊層之間設(shè)置滑動(dòng)層，在技術(shù)條件許可的情況下，施工時(shí)宜以刷熱瀝青作為滑動(dòng)層，以消除嵌固作用，釋放約束應(yīng)力。

（5）加強(qiáng)后期養(yǎng)護(hù)。在表面施工完畢后，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)砼的養(yǎng)護(hù)，根據(jù)溫度監(jiān)控結(jié)果，及時(shí)做好砼的內(nèi)外溫度控制及砼的保溫和保濕，減少砼表面熱擴(kuò)散，延長散熱時(shí)間，減少砼表面溫度梯度，保證溫度緩慢升降。

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U445.7

A

1671-2668（2016）01-0190-04

2015-03-12

2012年湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目；長沙理工大學(xué)橋梁工程湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（10KA11）