[摘要]:早强剂的加入导致混凝土加载龄期缩短是当前大跨连续刚构桥长期挠度加大的主要原因之一。文章先从早强剂的机理入手阐述了导致挠度加大的原因，然后用桥梁结构专用软件MidasCivil对一实桥做了相应计算分析，所得计算分析结果对该类桥梁的施工分析及设计具有一定的借鉴作用。
[关键词]:连续刚构桥；早强剂；加载龄期； 强度； 弹性模量； 长期挠度
[中图分类号] U448.21十5 [文献标识码] B
目前国内外的大跨连续刚构桥都出现了跨中严重下挠的现象。如虎门大桥辅航道桥为一座三跨预应力混凝土连续刚构桥，跨径布置为150m+270m+150m，于1997年建库通车，是当时世界上最大跨度预应力混凝土连续刚构桥。连续7年的观测表明，承台竖向变位和墩顶角位移很小，但主跨跨中挠度却因混凝土收缩徐变等因素而逐年增长，而且尚未停止。2003年11月测量数据表明，与成桥时相比，左幅桥跨中累计下挠达22.2cm，右幅桥跨中累计下挠达20.7cm。又如三门峡黄河公路大桥，主桥为1座6跨预应力混凝土连续刚构桥，跨径布置为105m+4 x 14Om+105m，于1992年建成通车。2002年6月对该桥的检查发现，跨中下挠最大达到22cm，另外梁体有大量裂缝。出现上述现象的原因很多，本文仅针对施工中容易忽视的早强剂的使用问题进行讨论。
为加快施工进度，提高混凝土的早期强度，常在混凝土中掺人早强剂，以使混凝土强度尽快达到预应力张拉的要求。笔者认为这种做法是使大跨连续梁桥长期挠度加大的一个重要原因。因为早强剂的加人使得混凝土的加载龄期缩短，这样做混凝土的强度是提高了，但是同样随时间增加而逐步增强的混凝土弹性模量并没有迅速提高。而弹性模量才是影响挠度的重要因素。
1 水泥和早强剂的作用机理
1.1 水泥的作用机理
以通常使用的硅酸盐水泥为例说明水泥的凝结与硬化过程。水泥中主要矿物成份为硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、铝酸三钙C3A以及铁铝酸四钙C4AF。水泥与水接触后，各种矿物成份与水起化学反应，释放出一定的水化热生成新的水化产物。C3S 和C2S与水作用生成水化硅酸钙，它们的水化反应式如式(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)
所生成的水化硅酸钙几乎不溶于水，以凝胶体微粒状析出，并且会逐渐凝聚成为凝胶。根据胶空比理论，凝胶体在水泥石中的填充程度决定水泥石的强度。水泥凝胶体是水泥石的主要成份，也是水泥石强度的主要来源。C3A 与C4AF水作用主要生成立方晶体水化铝酸三钙，其水化反应非常迅速，水化反应式可表示如式(3)、式(4):
3Ca·A1203 + 6 H20 = 3Cao·A12o3·6 H20 (3)
4Ca·A1203·Fe203 + 7H20 = 3Cao·A1203·6 H20 + CaO· Fe203·H20 (4)
水化铝酸钙性质不稳定，与石膏作用会生成针状晶体水化硫铝酸钙，该晶体的形成对水泥石强度的贡献较小。水泥石的强度随着硬化龄期的增加而逐渐增大，因为水泥的水化随时间的推移而在不断地深入，增多的水泥凝胶体填充于毛细孔内。相应地增大了胶空比比值，于是强度也就随之增大。
1.2 早强剂的作用机理
早强剂是一种加速混凝土硬化过程，提高混凝土早期强度的外加剂。因氯化钙早强剂(CaC12)对预应力钢筋有腐蚀作用；故在预应力混凝土中禁止使用。以硫酸钙早强剂(石膏CaSO4)为例来说明早强剂在混凝土中的作用机理。CaSO4与铝酸三钙C3A迅速发生化学反应，生成水化硫铝酸钙，其水化反应可表示为:
3CaSO4+ C3A+32 H20=C3A·3Cas04·32 H20 (5)
水化硫铝酸钙含有大量的结晶水，其体积比原来的固态水化铝酸钙增加1.5倍以上，该晶体生成时产生体积膨胀，并且该针状晶体贯穿水泥塑性凝胶中加强了水泥浆的结构，同时体积膨胀又使混凝土密实性增加，孔隙率减少，故能提高混凝土的早期强度，表现出早强效果。但同时，水化硫铝酸钙产生的体积膨胀在混凝土内部亦会产生局部膨胀压力，使水泥石结构胀裂，强度下降。因此水化硫铝酸钙这种针状晶体通常称之为“水泥杆菌”。
事实上，使用早强剂是利用水化硫铝酸钙的体积膨胀作用来实现混凝土的早强效果。但混凝土内部的局部膨胀压力的问题并未予以解决，而且由于早强剂的掺人，C3A的化学反应迅速，且该水化反应结合了较多的水分子，而C3S，C2S的化学反应较慢，在混凝土的收缩和徐变初期阶段，产生的结果是凝胶体产生较少而晶体生成较多。虽然混凝土表现为早期强度提高，实际上因水泥石中晶体含量较多而凝胶含量较少，混凝土的弹性模量并未提高。
2 早强剂对大跨连续梁桥长期挠度的影响
混凝土的收缩徐变是一个与混凝土弹性模量相关的函数，而混凝土的弹性模量与混凝土龄期相关。混凝土的弹性模量越低，后期的收缩和徐变增长越大。由于早强剂的使用，使混凝土在弹性模量未达到设计规范中提供的数值时即施加预应力，而在计算混凝土收缩徐变时，并未考虑这种因素，这样相当于缩短了混凝土的加载龄期。众所周知加载龄期对混凝土的徐变有较大影响，而徐变又是影响长期挠度的最主要因素。根据有关研究表明混凝土的加载龄期早，混凝土水化反应还在进行，且强度低，因此加载龄期越早，混凝土徐变越大。预应力混凝土连续刚构桥梁受工期控制，一般混凝土在浇筑2d～3d左右就开始了预应力张拉加载，龄期短，混凝土收缩徐变大，而此时梁面标高己经确定不可改变，因此主梁下挠变形值加大。根据收缩徐变的应变发展曲线规律，适当增大养护时间，来增加混凝土的加载龄期，可以减小后期徐变挠度。
3 算例
3.1 大桥基本资料(图1)
桥梁 类 型 :三跨预应力箱型连续刚构梁桥
桥梁长度:L=85.0+130.0+85.0=300m
桥梁宽度:B=12.7m(2车道)
斜交角度:90°(正桥)
3.2 桥梁分析模型的建立
本文采用 桥梁结构分析软件MIDAS/Civil建立结构分析模型，将全桥离散成81个杆单元，82个节点，其中主梁单元71个。各部位边界条件根据结构构造形式分别进行模拟。
因徐变收缩的持续作用，从开始施工直到桥梁建成投人运营若干年内，结构的位移和应力始终在随时间变化。应力的徐变分析采用时序步进的增量分析法，为此要将结构的生命历程划分为若干时段，对每个时段都要进行一次弹性和徐变分析。本例中分时步分析的时步划分为:从施工阶段到成桥后10年划分为26个时步，前16个时步为施工阶段，根据施工进程及合龙顺序具体划分，后10个时步每个时步的时间间隔为365d。
3.3 计算结果
本文将分别按加载龄期为2、5、10、14(d)对大桥进行成桥后长期挠度计算并对比分析。由于早强剂的加人使得原来设计时的混凝土加载龄期缩短，而从图2中可以看到，大桥跨中也就是节点36处加载龄期14d 的竖向位移为一3.78Cm，而同一位置加载龄期为Zd的竖向位移却达到4.98cm。由此可见，加载龄期对大跨连续刚构桥的后期挠度影响很大。我们可以看到图2中大桥跨中位置各加载龄期的挠度的差值是递减的，也就是说龄期越小它对挠度的反映就越明显，这就说明了如果加入过多的早强剂时的加载龄期很小的话，导致的结果可能是大桥的后期挠度可能比设计值大很多。
4 结束语
由于早强剂的使用，使混凝土在弹性模量未达到设计规范中提供的数值时即施加预应力，而在计算混凝土收缩徐变时，并未考虑这种因素，也无法考虑该因素的存在。因为设计规范中提供的混凝土弹性模量是一个常数，且该常数值高于混凝土弹性模量实际数值。因此，混凝土的收缩徐变随龄期的增长而增大，所发生的收缩徐变较设计计算值大，这将会引起桥梁在运营后的预应力损失、长期挠度加大。
目前部分设计单位己认识到混凝土弹性模量对混凝土收缩和徐变的影响，在设计文件中明确提出在施加预应力之前，不但应提供混凝土强度试验报告，亦应提供混凝土弹性模量测试报告，为预应力施工提供依据。
在实际工程中我们不能片面地通过早强剂的使用而大大地缩短混凝土的加载龄期，因为这样做只是使得混凝土的强度得到了迅速提高，而混凝土的弹性模量并没有随之迅速
提高。施工进度必须要在工程质量得到保证的条件下合理地加快。
