混凝土堿骨料反應對箱梁結構的影響

張瑞霞

（中鐵十五局集團第五工程有限公司 天津 300131）

1 堿骨料反應概述

堿骨料反應（簡稱AAR）是指混凝土原料中的堿性物質與活性成分發生化學反應，產生吸水膨脹物質引起混凝土產生內部自膨脹應力而開裂的現象。混凝土工程發生堿骨料反應需要具有3個條件：①混凝土的原材料如水泥、粗細骨料、外加劑和水中含堿量高；②粗細骨料中有相當數量的活性成分；③潮濕環境，有充分的水分或濕空氣供應。

在對梁場預制箱梁進行材料檢驗時發現細骨料的堿活性成分含量偏高，部分結果接近《鐵路混凝土耐久性設計規范》（TB10005-2010）規定的限值（快速砂漿棒膨脹率接近0.2%），為保證混凝土質量，防范混凝土存在潛在的堿骨料反應風險，在同條件養護試件上鉆取芯樣，并進行了殘余膨脹率檢測，根據測得的殘余膨脹率用有限元數值計算方法分析了其對箱梁受力的影響[1]。

2 實驗測試

2.1 殘余膨脹測試方法

在不同時間澆筑同條件養護試件上鉆取芯樣3組（每組芯樣3個，芯樣直徑50mm，芯樣長度30cm）。將φ50mm混凝土芯樣切割并安裝測頭后，在80℃水中養護至35d，測試不同齡期試件的長度和重量，測試芯樣殘余膨脹和吸水率。

2.2 殘余膨脹測試結果

3組芯樣（編號1～3#）測試結果如圖1～2所示。

圖1 芯樣殘余膨脹率

圖2 芯樣吸水率

由圖1可知，當芯樣在80℃水中養護時，隨著養護齡期的增加，混凝土芯樣的膨脹率逐漸增加，35d膨脹率為0.017～0.03%，平均膨脹率為0.023%。

由圖2可知，當芯樣在80℃水中養護時，隨著養護齡期的增加，混凝土芯樣的吸水率逐漸增加，35d吸水率為0.85～1.06%，平均吸水率0.94%。若以常溫水中養護24h的試件為基準，35d吸水率分別增加0.27%、0.30%、0.28%，吸水率平均增加0.28%。

從芯樣殘余膨脹測試結果來看，芯樣在高溫環境下的膨脹率值較低，芯樣呈現低膨脹性。

3 模型計算

3.1 箱梁有限元模型建立

箱梁的施工過程包括混凝土澆筑、養生、預應力鋼筋張拉、架設、軌道底座板等二期恒載部分的施工，期間影響混凝土應力狀態和位移狀態的因素還有混凝土的收縮徐變以及強度和剛度發展過程。運營期影響混凝土應力狀態和位移狀態的因素主要是列車活載、混凝土徐變和溫度變化等。其中的溫度作用分為均勻溫差和日照溫差。均勻溫差在簡支梁中只會使箱梁產生體積的增大或減小，這種變形因為沒有約束而不會產生箱梁應力的變化；日照溫度梯度是非線性的，豎向溫度變化會使箱梁的頂板受拉底板受壓[2]。

在此僅考慮箱梁在自重、預應力張拉、混凝土收縮徐變、橋面二期恒載和列車荷載的作用，而不考慮其它因素與堿骨料反應的疊加作用。除堿骨料反應模擬計算采用實體單元外，其他荷載的計算均采用梁單元模型（單元數量59400，節點數量78603）。

3.2 堿骨料反應加載模式

在高鐵箱梁中，如發生堿骨料反應，應有如下特點：

（1）僅是混凝土體積的膨脹，所以線膨脹沒有方向性。

（2）堿骨料反應需要相當長的時間，一般是幾年時間，例如國內某大型城市立交橋產生被確認的堿骨料反應是通車后5年。

（3）必須是后期滲入的水才使堿骨料反應產生的物質膨脹，C50混凝土密實度較大，水的滲入很緩慢，并且深度較小。

如果發生堿骨料反應，也應是在箱梁截面的表面，除了箱梁頂板上表面有防水鋪裝層和底座板等橋面設施而不可能有水滲入外，箱梁腹板的內外表面、底板的上下表面都可能有水的滲入，其中對結構受力影響最大的是底板上下表面的位置有水份滲入。

因為潛在的混凝土堿骨料反應是混凝土體積的膨脹，所以可將其等效成箱梁局部溫度的升高。這里假設箱梁底板上下表面分別發生堿骨料反應，反應深度為100mm。

根據同條件養護試件取芯檢測結果，在正常養護條件下最大殘余膨脹率取為0.03%。據此認為混凝土堿骨料反應的膨脹率為0.03%。因為

3.3 計算結果

計算中考慮了施工過程、預應力損失的影響、混凝土收縮徐變的影響、二期恒載以及雙線列車荷載的作用。計算結果如表1所示。

表1 計算結果匯總

由于箱梁頂板設有防水層，所以不考慮頂板產生堿骨料反應。日照溫度梯度在梁底板產生壓應力，通過計算可知底板上下表面發生堿骨料反應會在梁底板產生拉應力，所以不考慮日照溫度梯度的計算與組合。計算用荷載組合如下：

荷載組合1：恒載（自重+二期恒載+預應力+5年徐變）+列車荷載+底板上表面堿骨料反應；

荷載組合2：恒載（自重+二期恒載+預應力+5年徐變）+列車荷載+底板下表面堿骨料反應；

堿骨料反應深度100mm的情況下，未考慮鋼筋約束的有利作用，此時底板上表面堿骨料反應使梁體下撓3.2mm；底板下表面堿骨料反應使梁體下撓3.5mm。

4 結束語

綜上所述，對箱梁結構來說，產生堿骨料反應的最主要一個條件就是，愈是在潮濕多水的環境條件下堿骨料反應對工程的損害發展愈快，往往在同一個混凝土工程中，混凝土配制材料具有堿骨料反應的條件時，會在這個工程潮濕多水的部位首先發生堿骨料反應損害，在其它部位則發展緩慢。文章建議在潮濕多雨環境下，混凝土總堿含量接近規范要求時應當在箱梁表面做防水處理。

[1]殷強.混凝土堿—骨料反應檢測方法和堿活性的預防措施[D].成都：西南交通大學，2006.

[2]王靖，李固華，周俊杰，等.對混凝土堿活性試驗方法的研究[J].建筑科學，2012（09）：98～100.