混凝土碱骨料反应对箱梁结构的影响

张瑞霞

（中铁十五局集团第五工程有限公司 天津 300131）

1 碱骨料反应概述

碱骨料反应（简称AAR）是指混凝土原料中的碱性物质与活性成分发生化学反应，产生吸水膨胀物质引起混凝土产生内部自膨胀应力而开裂的现象。混凝土工程发生碱骨料反应需要具有3个条件：①混凝土的原材料如水泥、粗细骨料、外加剂和水中含碱量高；②粗细骨料中有相当数量的活性成分；③潮湿环境，有充分的水分或湿空气供应。

在对梁场预制箱梁进行材料检验时发现细骨料的碱活性成分含量偏高，部分结果接近《铁路混凝土耐久性设计规范》（TB10005-2010）规定的限值（快速砂浆棒膨胀率接近0.2%），为保证混凝土质量，防范混凝土存在潜在的碱骨料反应风险，在同条件养护试件上钻取芯样，并进行了残余膨胀率检测，根据测得的残余膨胀率用有限元数值计算方法分析了其对箱梁受力的影响[1]。

2 实验测试

2.1 残余膨胀测试方法

在不同时间浇筑同条件养护试件上钻取芯样3组（每组芯样3个，芯样直径50mm，芯样长度30cm）。将φ50mm混凝土芯样切割并安装测头后，在80℃水中养护至35d，测试不同龄期试件的长度和重量，测试芯样残余膨胀和吸水率。

2.2 残余膨胀测试结果

3组芯样（编号1～3#）测试结果如图1～2所示。

图1 芯样残余膨胀率

图2 芯样吸水率

由图1可知，当芯样在80℃水中养护时，随着养护龄期的增加，混凝土芯样的膨胀率逐渐增加，35d膨胀率为0.017～0.03%，平均膨胀率为0.023%。

由图2可知，当芯样在80℃水中养护时，随着养护龄期的增加，混凝土芯样的吸水率逐渐增加，35d吸水率为0.85～1.06%，平均吸水率0.94%。若以常温水中养护24h的试件为基准，35d吸水率分别增加0.27%、0.30%、0.28%，吸水率平均增加0.28%。

从芯样残余膨胀测试结果来看，芯样在高温环境下的膨胀率值较低，芯样呈现低膨胀性。

3 模型计算

3.1 箱梁有限元模型建立

箱梁的施工过程包括混凝土浇筑、养生、预应力钢筋张拉、架设、轨道底座板等二期恒载部分的施工，期间影响混凝土应力状态和位移状态的因素还有混凝土的收缩徐变以及强度和刚度发展过程。运营期影响混凝土应力状态和位移状态的因素主要是列车活载、混凝土徐变和温度变化等。其中的温度作用分为均匀温差和日照温差。均匀温差在简支梁中只会使箱梁产生体积的增大或减小，这种变形因为没有约束而不会产生箱梁应力的变化；日照温度梯度是非线性的，竖向温度变化会使箱梁的顶板受拉底板受压[2]。

在此仅考虑箱梁在自重、预应力张拉、混凝土收缩徐变、桥面二期恒载和列车荷载的作用，而不考虑其它因素与碱骨料反应的叠加作用。除碱骨料反应模拟计算采用实体单元外，其他荷载的计算均采用梁单元模型（单元数量59400，节点数量78603）。

3.2 碱骨料反应加载模式

在高铁箱梁中，如发生碱骨料反应，应有如下特点：

（1）仅是混凝土体积的膨胀，所以线膨胀没有方向性。

（2）碱骨料反应需要相当长的时间，一般是几年时间，例如国内某大型城市立交桥产生被确认的碱骨料反应是通车后5年。

（3）必须是后期渗入的水才使碱骨料反应产生的物质膨胀，C50混凝土密实度较大，水的渗入很缓慢，并且深度较小。

如果发生碱骨料反应，也应是在箱梁截面的表面，除了箱梁顶板上表面有防水铺装层和底座板等桥面设施而不可能有水渗入外，箱梁腹板的内外表面、底板的上下表面都可能有水的渗入，其中对结构受力影响最大的是底板上下表面的位置有水份渗入。

因为潜在的混凝土碱骨料反应是混凝土体积的膨胀，所以可将其等效成箱梁局部温度的升高。这里假设箱梁底板上下表面分别发生碱骨料反应，反应深度为100mm。

根据同条件养护试件取芯检测结果，在正常养护条件下最大残余膨胀率取为0.03%。据此认为混凝土碱骨料反应的膨胀率为0.03%。因为

3.3 计算结果

计算中考虑了施工过程、预应力损失的影响、混凝土收缩徐变的影响、二期恒载以及双线列车荷载的作用。计算结果如表1所示。

表1 计算结果汇总

由于箱梁顶板设有防水层，所以不考虑顶板产生碱骨料反应。日照温度梯度在梁底板产生压应力，通过计算可知底板上下表面发生碱骨料反应会在梁底板产生拉应力，所以不考虑日照温度梯度的计算与组合。计算用荷载组合如下：

荷载组合1：恒载（自重+二期恒载+预应力+5年徐变）+列车荷载+底板上表面碱骨料反应；

荷载组合2：恒载（自重+二期恒载+预应力+5年徐变）+列车荷载+底板下表面碱骨料反应；

碱骨料反应深度100mm的情况下，未考虑钢筋约束的有利作用，此时底板上表面碱骨料反应使梁体下挠3.2mm；底板下表面碱骨料反应使梁体下挠3.5mm。

4 结束语

综上所述，对箱梁结构来说，产生碱骨料反应的最主要一个条件就是，愈是在潮湿多水的环境条件下碱骨料反应对工程的损害发展愈快，往往在同一个混凝土工程中，混凝土配制材料具有碱骨料反应的条件时，会在这个工程潮湿多水的部位首先发生碱骨料反应损害，在其它部位则发展缓慢。文章建议在潮湿多雨环境下，混凝土总碱含量接近规范要求时应当在箱梁表面做防水处理。

[1]殷强.混凝土碱—骨料反应检测方法和碱活性的预防措施[D].成都：西南交通大学，2006.

[2]王靖，李固华，周俊杰，等.对混凝土碱活性试验方法的研究[J].建筑科学，2012（09）：98～100.