预应力砼箱梁水化热作用分析及施工控制∗

曾有艺，周健，曹云龙

（长沙理工大学土木与建筑学院，湖南　长沙　410004）

预应力砼箱梁水化热作用分析及施工控制∗

曾有艺，周健，曹云龙

（长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙410004）

砼凝结和硬化过程中会因多种物质反应放出大量热，并与外界条件协同作用产生温度应力，极易破坏砼的整体结构性。文中综合分析了水化热对砼箱梁质量和性能的影响，总结了业内专家历年在砼水化热研究方面提出的先进理论，并根据国内外最新研究进展和施工经验介绍了砼箱梁生产施工中降低水化热的措施。

桥梁；砼；箱梁；水化热；裂缝

近几年，交通基础设施进入爆发式增长期，激增的交通需求不断冲击着桥梁的设计极限，预应力砼箱梁桥因具有跨越性强、刚度大、行车平顺等优点而广受青睐，建设规模逐步增大。为满足其刚度需求，箱梁腹板普遍加厚，导致砼用量增多、体积增大，对桥梁设计、施工带来新的挑战。

众所周知，砼凝结和硬化过程中会因多种物质反应放出大量热，并与外界条件协同作用产生温度应力，极易破坏砼的整体结构性。此外，大多数情况下硬化水泥浆体和砼的早期体积变形也与水化热有极大关系。因此，加强对水泥砼水化热的研究和控制将对施工质量起到很大的保障作用。

1　预应力箱梁温度变化宏观规律

1.1大体积箱梁尺寸界定

对于砼箱梁需要考虑水化热影响的具体尺寸目前国内外尚无明确标准。美国砼学会（ACI）规定：任何现浇砼，尺寸达到必须解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度地减少开裂影响的，即为大体积砼。日本建筑学会标准（JASS5）规定：断面最小厚度在80 cm以上，水化热引起砼内部最高温度与外界气温之差预计超过25℃的砼称为大体积砼。中国《建筑施工手册》对大体积砼的定义为：最小断面尺寸大于1 m以上的砼结构，其尺寸已大到必须采取相应的技术措施妥善处理温度差值，合理解决温度应力并控制裂缝的砼结构。而实际应用中以截面尺寸来简单判断是否是大体积砼的现象最为常见，不少模糊判断给业主和施工企业带来不同程度的损失。尤其对于砼箱梁来说，大体积不能仅由其绝对截面尺寸的大小决定，而应从水化作用对箱梁受力和基本性能的作用原理具体分析，比较准确的方法是分析水化热引起的温度应力是否会引起结构受力和性能产生容许范围之外的变化。

1.2实例数据采集与分析

1.2.1工程概况

二广（二连浩特—广州）高速公路湖南永州至蓝山段K52+900处荷叶塘高架桥主桥工程项目区属于亚热带大陆性季风湿润气候，雨量丰沛，冬冷期短，夏热期长，干湿分明，年平均气温16～17.2℃，最高气温达43℃，最低气温-13.3℃。砼箱梁段具有标号高、单方水泥用量大、局部尺寸较大等特点，尺寸最大的箱梁截面全宽12.75 m，其中底板宽7 m，翼缘板长2.875 m；翼缘板厚度分成两段，端部为0.15 m，根部为0.55 m；顶板厚度0.28 m；箱梁腹板厚0.7 m，底板厚0.7 m。

1.2.2测试方法及测点布置

根据箱梁浇筑情况，选取3#墩、9#墩0#块砼作为测试对象，测试截面为0#块砼横截面（支点横截面，见图1）。测点布置应能充分反映箱梁水化热的变化情况。为了解水化热沿腹板和底板的温度梯度，在腹板和底板分别布置温度测点，表面测点距离砼表面5～10 mm（见图2）。各测点均采用内埋式SZW-18智能温度计，在灌注梁体砼前，将其固定在梁体的钢筋网上，并测定点位的位置坐标。

图1　右线箱梁温度测点截面布置（单位：m）

图2　0#块箱梁温度测点布置

1.2.3测试结果与分析

利用预埋在砼箱梁中的10个温度计，对梁体灌注后砼水化热温度随时间的变化情况进行测试，分别于2011年4月18日和22日上午对3#墩、9#墩0#块底板和腹板进行测试。砼在上午8：00进行搅拌，浇筑温度：9#腹板为29℃，9#底板为29℃；3#腹板为29℃，3#底板为30℃。从砼浇筑刚好淹没底板或腹板所有温度计后开始测试，观测时间分别为156、165、167、122 h，测试结果见图3～6。

图3　9#腹板各测点温度变化情况

图4　9#底板各测点温度变化

图5　3#腹板各测点温度变化情况

图6　3#底板各测点温度变化情况

由图3可知：砼核心处（T7）的砼温度最高，测试到第24 h（距搅拌时间24 h，距开始浇筑时间20 h）时，温度达到最大值76.8℃，最大升温值为47.8 ℃；砼核心处温度与边缘温度计的最大温差为36.1 ℃，出现在第24 h（距搅拌时间28 h，距开始浇筑时间24 h）。

由图4可知：砼核心处（T3）的砼温度最高，测试到第19 h（距搅拌时间25 h，距开始浇筑时间21 h）时，温度达到最大值71.5℃，最大升温值为42.5 ℃；砼核心处温度与边缘温度计的最大温差为10 ℃，出现在第23 h（距搅拌时间23 h，距开始浇筑时间27 h）。

由图5可知：砼核心处（T7）的砼温度最高，测试到第23 h（距搅拌时间26 h，距开始浇筑时间20 h）时，温度达到最大值77.5℃，最大升温值为48.5 ℃；砼核心处温度与边缘温度计的最大温差为10 ℃，出现在第25 h（距搅拌时间28 h，距开始浇筑时间25 h）。

由图6可知：砼核心处（T3）的砼温度最高，测试到第20 h（距搅拌时间24 h，距开始浇筑时间20 h）时，温度达到最大值69.7℃，最大升温值为39.7 ℃；砼核心处温度与边缘温度计的最大温差为10 ℃，出现在第22 h（距搅拌时间25 h，距开始浇筑时间22 h）。

1.3不同部位温度变化控制规律

（1）9#腹板砼内部与表面温度差值达到36.1 ℃，超过GB 50496-2009《大体积混凝土施工规范》要求的25℃，应注意砼后期质量问题。

（2）3#腹板最大升温为48.5℃，接近GB 50496-2009《大体积混凝土施工规范》中砼浇筑体在入模温度基础上最大升温值不宜超过50℃的要求，应采取措施降低水化热温度，减小最大升温。

（3）底板和腹板温度测点最初的降温速度均超过GB 50496-2009《大体积混凝土施工规范》中砼浇筑体的降温速率不宜大于2.0℃/d的要求，应采取有效的砼养护措施，减小砼在凝结过程中的降温速度。

（4）就砼箱梁各测点的温度变化规律来说，虽然箱梁砼的截面形状较复杂且不规则，但其水化热规律与大体积砼基本相似。值得注意的是，箱梁因其表面比大于砼块，其散热过程比普通块状结构快，主要原因是普通砼反应达到最大水化放热阶段后后续反应中因热量散失相对较慢而仍为升温过程，但对于箱梁来说，最高温度对应的基本就是水化热反应顶峰时期。具体反应过程需通过微观反应变化进行探究。

2　预应力箱梁水化热作用机理微观解析

2.1水化过程离子作用原理

水泥加水拌和后形成能粘结砂石集料的可塑性浆体，随后逐渐失去塑性而凝结为具有一定强度的石状体。在此过程中，伴随着水化放热、体积变化，发生一系列复杂的物理、化学变化。水泥颗粒分开来说就是多重矿物质的聚合体，工业熟料中矿物不是纯粹的硅酸三钙（C3S）、β型硅酸二钙（β-C2S）、铝酸三钙（C3A）和铁铝酸四钙（C4AF）等常见矿物质，而是Alite和Belite等有限固溶体，微量元素的固溶使晶格排列的规律受到影响。对于硅酸三钙来说，结构中钙离子的配位数为6，但配位不规则，有5个氧离子在一侧而另一侧仅有1个氧离子，在氧离子少的一侧形成空洞使水容易进入发生反应。对于β型硅酸二钙，钙离子的配位数有一半是6，一半是8，其中氧离子与钙离子的距离不等，配位不规则，结构不稳定，可以水化，但速度相对较慢。铝酸三钙中铝的配位数为4和6，而钙离子的配位数为6和9，其中配位数为9的钙离子周围的氧离子排列极不规则，结构有巨大空洞，因而水化较快。此外，铁铝酸四钙结构中同样存在空洞，也较易水化。

2.2水化过程离子反应规律

选取普通硅酸盐水泥为研究对象，作标记后对离子水化反应进行跟踪监测。水化反应过程可分为钙矾石形成阶段、硅酸三钙水化阶段和结构形成发展期，其中铝酸三钙、硅酸三钙前期同步发展，但铝酸三钙反应产物对于硅酸三钙有明显抑制作用，整个进程与现有文献提出的快速水化期、潜伏期、加速期、减速期和衰退期的理论一致。

钙矾石形成阶段：C3A首先水化并在有石膏存在的条件下迅速形成钙矾石，出现集中放热，即所谓的快速水化期。该时期同时伴随着硅酸三钙的部分水化，此后由于钙矾石形成时的后续反应速度减缓，减缓了整个反应进程，产生潜伏期。

硅酸三钙水化阶段：在水泥熟料中硅酸三钙的含量约50％，有时高达60％，其反应方程可简写为C3S+Nh=C-S-H+（3-x）CH，水化产物为CS-H凝胶和氢氧化钙，有时也称为水化硅酸钙。该物质组成不定，CaO、SiO2和H2O、SiO2分子比都在较大范围内变动，最终凝胶组成与所处环境的Ca（OH）2有关。具体反应又可分为水化早期、水化中期、水化后期。水化早期开始于加水拌和时，反应迅速放热，持续时间在15 min左右，此后到初凝时间内水化速率受到抑制变得极其缓慢。水化中期反应速率重新加快，在4～8 h内反应速率随着时间而增长，出现第二个放热高峰，随后反应速率开始减慢，水化产物CH和C-S-H开始结晶，包裹在C3S表面，水化作用受水通过产物层的扩散速率控制。水化后期反应速率很低，基本处于稳定状态，水化作用完全通过扩散速率控制。整个反应期内， C3S水化较快，放热较多，早期强度高，而且后期强度增进率较大，28 d强度可达到一年期强度的70％ ～80％。

结构的形成与发展阶段：该阶段的放热速率基本趋于稳定，随着各种水化产物增多，填入原先由水占据的空间，逐步连接，发展成硬化的浆体结构。此后一段过程中砼内部温度呈下降趋势，对应产生的是约束力。

3　预应力砼箱梁病害及防治

3.1砼箱梁水化放热过程病害

根据水化热作用机理、反应阶段产生的温度应力及在外界环境协同作用下产生的约束力等，预应力砼箱梁主要病害分为以下三类：

（1）温差裂缝。在砼浇筑初期，砼内部浇筑温度和水泥的水化热叠加，热量散发少，温度上升较快，体积膨胀，但砼表面散热条件好，温度上升较少，产生内外温度差，形成内约束力，致使砼内部产生压应力，在表面引起拉应力（见图7、图8）。此外，在拆模前后，砼表面温度迅速下降，也容易导致裂缝产生；紧急温控措施不当，使内部温度骤降也会导致内部温度差，从而产生内部裂缝。

图7　温度变化导致内部约束应力作用

图8　温度变化外部约束应力作用

（2）约束裂缝。受到基础或不同期浇筑砼的约束，产生约束应力，如果温度应力足够大，将形成贯穿结构的整体裂缝。砼在早期温度上升时的弹性模量较小，受其他方面影响，砼与基础连接不太牢固，因而压应力较小。但温度下降时产生较大的约束应力，若超过砼的极限抗拉强度，砼将出现垂直裂缝。

（3）自身收缩。自身收缩主要发生在砼拌和后的初期，在模板拆除前，砼的自身收缩大部分甚至已全部完成。自身收缩与干缩一样，是由于水的迁移而引起的，但并不是由于水分蒸发散失，而是因为水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降形成弯月面，产生所谓的自干燥作用，导致砼体的相对湿度降低及体积减小而导致自身收缩。

3.2防治措施

3.2.1原材料选用及配合比优化

（1）采用水化热较低和凝结时间较长的水泥。在材料选择时，应对不同种类和品牌的水泥取样进行水化热试验，经过分析比较，优先选用同量同等条件下水化热较低的水泥，并选择适宜的矿物组成和调整水泥的细度模数。

（2）优选自然连续级配的粗骨料。这样可使砼具有和易性良好、用水量和水泥用量较少、抗压强度较高等优点。但骨料粒径增大后，不仅容易引起砼的离析，而且在钢筋密集部位砼浇筑和振捣施工难度增大。因此，不可盲目选用大粒径粗骨料。

（3）选用优质的中、粗砂作为细骨料。试验证明选用细度模数为2.79、平均粒径为0.381 mm的中粗砂，比选用细度模数为2.2、平均粒径为0.336 mm的细砂，每立方米砼可减少水泥用量28～35 kg、用水量20～25 kg，既可降低砼的温升，也可减小砼的收缩。

（4）混合料和添加剂的选择。砼箱梁常用外加剂有粉煤灰、缓凝剂和减水剂等。粉煤灰中硅占40％～60％、铝氧化物占17％～35％，这些硅铝氧化物能与水泥的水化产物进行二次反应，从而减少水泥用量，降低砼的热胀。减水剂主要用于改善砼的和易性，降低水灰比，提高砼强度或在保持砼一定强度时减少水泥用量。缓凝剂的主要作用是延缓砼放热峰值出现的时间，由于砼的强度会随龄期的增长而增大，所以等放热峰值出现时，砼强度也已增大，抵抗温度能力增强，从而减小裂缝出现的几率。

3.2.2施工技术措施

（1）降低砼入模温度。应在气温较适宜时浇筑大体积砼，尽量避开炎热天气。可采用温度较低的地下水搅拌砼或在砼拌和水中加入冰块，同时对骨料采取遮阳、洒水降温等措施，降低砼入模温度。

（2）做好表面隔热保护。水泥因水化作用，内外温差过大，如果此时受到冷空气的袭击或过分通风散热而使表面温度下降过大，很容易导致裂缝的产生。因此，在砼拆模后（特别是低温季节）应立即进行表面保护，防止表面降温过大而引起裂缝。

（3）循环水管散热措施。在砼内部布置冷却水管，砼终凝后开始通水冷却降温。需注意的是，不能盲目通冷却水，防止温度骤降，要在砼内部合理布置测温点，埋设测温传感器，掌握砼内部各测点的温度变化，以便及时调整冷却水流量，控制温差。

（4）改善约束削减温度应力。在大体积砼基础与垫层之间设置滑动层，在技术条件许可的情况下，施工时宜以刷热沥青作为滑动层，以消除嵌固作用，释放约束应力。

（5）加强后期养护。在表面施工完毕后，应加强对砼的养护，根据温度监控结果，及时做好砼的内外温度控制及砼的保温和保湿，减少砼表面热扩散，延长散热时间，减少砼表面温度梯度，保证温度缓慢升降。

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U445.7

A

1671-2668（2016）01-0190-04

2015-03-12

2012年湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目；长沙理工大学桥梁工程湖南省高校重点实验室开放基金资助项目（10KA11）