大体积混凝土温度裂缝与防治
李胜1孙保沭2王海龙3
（1.惠州市水电建筑工程有限公司，广东惠州516001；
2.华北水利水电学院，河南郑州450045；3.清华大学水利系，北京100084）
摘要：大体积混凝土受温度的影响容易产生裂缝，温度裂缝的出现会影响大坝、桥梁等建筑物的安全使用。本文主要研究大体积混凝土温度裂缝的产生机理，并从材料、设计、施工、监测等方面入手，对大体积混凝土温度裂缝的防治做出一些探讨。
关键词：大体积混凝土；温度裂缝；防治
中图分类号：TV431;698.2+31文献标识码：A文章编号：1008-1305（2005）00-0076-03
1前言
随着基础建设的突飞猛进，大体积混凝土越来越多地被应用于大坝、桥梁和高层建筑。受温度、施工等诸多因素的影响，裂缝已经成为大体积混凝土最常见的缺陷之一，例如：葛洲坝一期工程各类建筑物中出现裂缝3156条；恒仁电站发生裂缝2000余条。裂缝的产生直接影响混凝土结构物的强度、抗渗性以及整体稳定性。轻微的也会影响混凝土结构物的耐久性和美观。对于水工大体积混凝土，裂缝导致的渗漏会促进裂缝的扩宽发展，影响到水工建筑物的安全运行。1988年国际坝工组织的调查报告显示：在世界各国已经建成的混凝土大坝中绝大多数存在着温度裂缝，在遭受灾难性破坏的243座混凝土坝中，有30座是由于温度问题引起[2]。温度裂缝问题成为了大体积混凝土结构的重要研究领域，探讨大体积混凝土温度裂缝产生的原因和机理，并在此基础上提出合理的防治措施，对保证混凝土结构物正常、安全运行有很大的意义。
2大体积混凝土温度裂缝的形成机理
大体积混凝土温度裂缝的形成，主要是因为水泥水化产生大量水化热，积聚在混凝土的内部，受外部气温的影响，混凝土中形成了较大的温差，温差使混凝土产生变形，受内部约束及外部约束的影响，混凝土中产生拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉强度后就会形成裂缝。由温度引起的裂缝是一种“变形变化引起的裂缝”。温度裂缝的产生给结构带来一系列的劣化效应。下面从影响混凝土温度裂缝形成的三大要素（水泥水化热，约束条件，外界气温变化）出发来探讨大体积混凝土温度裂缝形成的主要机理。
2.1水泥的水化热是混凝土开裂的主要内因
水泥在水化时的热量释放率大约在502.42J/g左右[3]，由于品种的不同而上下变动。大体积混凝土在浇注后，大量的水化热积聚在混凝土的内部，由于混凝土是热的不良导体，聚集在混凝土内部的热量很难散发出去，导致混凝土内部温度的显著升高。在水利工程的大体积混凝土中，其绝热温升可以达到10℃～40℃，在有些非水利工程中可能更高。大体积混凝土内部的最高温度多发生在混凝土浇筑后的最初3～5ｄ，峰值为60℃～65℃，有的甚至高达80℃。较大的温度变化和差异使混凝土产生温度变形，由于混凝土中骨料和水泥砂浆热膨胀系数的不同，就会在骨料和水泥砂浆之间产生温度应力。根据弹塑性力学可知，骨料和砂浆的最大应力发生在二者之间的界面上，由于骨料与水泥砂浆之间的界面是大体积混凝土中最薄弱的环节，因此当温度应力超过混凝土界面的抗拉强度时，界面就会出现微裂纹。
2.2约束导致混凝土的开裂
大体积混凝土的约束主要可以分为内部约束和外部约束两种。内部约束主要是在大体积混凝土温升的过程中形成，产生温升裂缝；外部约束主要是在温降的过程中形成，产生温降裂缝。
2.2.1温升裂缝的形成机理
混凝土浇筑初期，大量的水泥水化热使混凝土的温度上升较快，由于混凝土表面和内部的散热条件不同，表面散热条件较好，热量散发较快，内部散热条件较差，热量散发很慢，形成了较大的内外温差。混凝土内部温度梯度的产生，形成了大体积混凝土的内约束。温差使混凝土内部产生压应力，而面层产生拉应力，在混凝土的早期，弹性模量较小，抗拉强度较低，拉应力容易超过混凝土的抗拉强度，使混凝土的表面产生裂缝。实践证明，当内外温差超过25℃时，就会在混凝土的表面产生较大拉应力，而形成表面温度裂缝。
2.2.2温降裂缝的形成机理
混凝土浇筑后的一段时间，水泥的水化热基本释放完毕，混凝土产生降温，温降引起变形加上混凝土的收缩变形，受到地基、老混凝土和其他结构边界条件的约束，不能产生自由变形而产生拉应力，当此拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会开裂，形成温度裂缝。如果温度应力较大，裂缝就会继续发展，与温升阶段的裂缝贯通而产生贯穿裂缝。贯穿裂缝是危害性最大的裂缝，贯穿裂缝的出现会改变结构的受力模式，降低混凝土结构的整体性能和承载能力，最终有可能导致结构的失效。
2.3外界气温的变化导致裂缝的产生
外界气温与混凝土的浇筑温度有着直接关系，当外界温度高于混凝土拌合物的温度时，混凝土内部的热量不容易散发，混凝土容易开裂；当外界气温较低，特别是气温发生骤降时，会加大混凝土的温度梯度，温差加大，温度应力增大，大体积混凝土容易出现温度裂缝。在寒冷地区，外界温度的变化成为导致混凝土裂缝产生的主要因素。大量的实践证明：大体积混凝土的很多温度裂缝是在寒潮期间出现的。
3防治措施
大量的研究表明，大体积混凝土结构物中的裂缝是不可避免的，重要的是采用合理的措施来防治和控制裂缝的发展和扩宽。大体积混凝土的工程条件复杂，施工情况各异，再加上混凝土原材料的差异性较大，温度裂缝的防治就不再单纯是某一方面的问题了，而是涉及到材料、设计、施工和监测等多方面的综合问题。
3.1材料措施
3.1.1选择低热或中热水泥
由于矿物成分及掺合料含量的不同，水泥的水化热差异较大。为了降低水泥的水化热、减小混凝土的体积变形，大体积混凝土一般采用中热硅酸盐水泥和低热矿渣水泥。选择大体积混凝土的水泥时，应当把混凝土的绝热温升和抗拉强度结合起来考虑，有的低热水泥强度发展缓慢，对防止混凝土的开裂不利。目前大体积混凝土中采用较多的是矿渣硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，矿渣硅酸盐水泥水化热小，相当于普通水泥的60%，抗侵蚀能力优于普通水泥，但早期强度低；普通硅酸盐水泥水化热较大，但收缩变形小、早期弹性模量高。
3.1.2选择热学性能较好，含泥量较少的骨料
粗骨料在混凝土中所占比例很大，混凝土的热学和力学性能在很大程度上与粗骨料的性能有关。骨料的品种不同，热学、力学性能也不同，配制出的混凝土的力学性能也有较大的差异。在大体积混凝土中，能选用石灰岩作为粗骨料热学性能最好[4]。要严格控制骨料级配和含泥量，粗骨料一般选用10～40mm连续级配碎石，含泥量不超过1%；细骨料一般选用细度模数2.8～3.11的中砂，中砂含泥量不超过3%，同时，砂石中不得混有有机杂物。
在大体积混凝土浇筑过程中，可抛埋一定数量和规格的毛石，可以减少水泥用量，同时还可以吸收一部分水化热，对裂缝的控制有一定的好处。
3.1.3掺加拌合料和外加剂，减少水泥用量
在大体积混凝土中掺入一定数量的外加剂和拌合料，能够减少混凝土的用水量和有效地降低混凝土的水化热，目前大体积混凝土中普遍使用的拌合料为粉煤灰。粉煤灰具有一定的火山灰活性效应，既可以替代部分水泥，削减水化热产生的高温峰值，又可以使混凝土的强度、密度增加，收缩变形减小，同时混凝土的和易性增强，离析和泌水性变小。粉煤灰最大掺量因水泥品种不同而改变，一般可取代10%～30%的水泥。粉煤灰替代30%的水泥，可以使混凝土的绝热温升降低2℃～3℃，相当于一期冷却水管的效果。
掺加高效减水剂可以减少混凝土的用水量，增大混凝土的强度。掺加膨胀剂可以使混凝土产生适度的微膨胀，以补偿混凝土的收缩。同时，膨胀剂还可以降低混凝土的水化热，改善混凝土的抗渗性和泌水性。
3.1.4优化混凝土配合比
合理调整大体积混凝土的配合比，采用“双掺”或“三掺”技术，生产出低热、中弹和抗拉强度较好的抗裂混凝土。
3.2设计措施
3.2.1合理选择结构型式，避免应力集中
混凝土结构设计时，应尽量避免方形孔洞，突变等的出现。孔洞的设计宜采用圆形，以减小应力集中。孔洞四周增配斜向钢筋、钢筋网片，在变断面处作好渐变处理。
3.2.2减小约束
（1）合理的分缝能减轻混凝土的约束，缩小约束范围。水工混凝土的分缝可以参照现行规范的规定。
（2）减小地基对混凝土基础的阻力，以减小温度应力，避免温度裂缝的发生。当地基为软土地基时，可采用砂垫层加固地基，减小地基对混凝土基础的约束作用，同时提高地基的承载能力，减小地下水的影响。当地基为坚硬岩基时，可在基础底部设置滑动层，如铺设油毡，沥青砂浆层等。
（3）在大型高层建筑中，可以考虑设置“后浇带”来减小混凝土的温度变形，避免温度裂缝和收缩裂缝的出现。
3.2.3采用混凝土的后期强度
充分利用混凝土的后期强度。在满足混凝土强度和耐久性的前提下，可以采用混凝土45d、60d或90d的强度作为混凝土的设计强度，代替混凝土的28d强度。这样可使每立方混凝土的水泥用量减少40～70kg，使混凝土的水化热相应降低4～7℃。
3.3施工措施
(1)降低混凝土的入模温度。控制混凝土的入模温度可以降低大体积混凝土中的温差，减小温度应力。混凝土的入模温度与混凝土的出机温度、运输工具、运输距离、施工气候等紧密相关。降低入模温度的主要措施有:①加冷却水或者加冰拌合混凝土。一般加冰率为拌合水的40～50%，可降低温度约5～7℃。此工艺简单，已为大多数的工程所采用；②预冷骨料。常用的预冷方法有水冷法与气冷法[6]。丹江口工程采用水冷法，葛洲坝一期工程采用气冷法，效果良好；③低温季节或夜间施工。每年的春秋季节和南方的低温季节比较适合浇注大体积混凝土；④高温季节采用隔热降温措施，缩短混凝土的运输和暴晒时间。混凝土的入模温度应该尽量控制在25℃以下[5]。
(2)加强施工中混凝土内外温度控制。施工中混凝土温度的控制宜采用“外保内降”或“外蓄内散”的方法，来提高混凝土的表面温度、降低混凝土的中心温度，以减小混凝土内外温差和温度梯度，防止温度裂缝的出现。
混凝土浇筑凝固后，在混凝土的表面采用保温材料或者蓄水来减缓表层混凝土降温速度。保温材料应选择价格低廉，导热系数小的草袋、木屑、干砂等材料。蓄水养护不仅保温隔热效果较好，还可以防止混凝土表面发生龟裂，但蓄水的水温控制不宜过低加水速度也不宜过快。
混凝土浇筑成型后，可通过埋设在其内部的冷却水管进行冷水循环降温，以减少混凝土的内外温差。
(3)加强混凝土的养护。为了避免混凝土表面产生干裂，应加强混凝土的保温、养护。根据不同的施工季节可以采用不同的养护方式，夏季可以采用草帘覆盖，洒水、浇水养护，浇水养护时应特别注意水温的控制，以防混凝土表面出现温度陡降，浇水养护的时间一般不少于15天；冬季可以采用保温材料和塑料薄膜覆盖，喷刷养护剂进行养护。
(4)加强施工温度监测。对大体积混凝土内部各部位进行温度跟踪监测，可以及时准确地掌握混凝土各个部位的温度变化，以便采取处理措施降低内部温度，保证工程质量。混凝土温升最快的阶段在浇注后的1～5d，在这段期间，宜每30min读取数据一次，以后数据的读取时间可以延长，建议在混凝土浇注后的6～20d，每3h读取一次数据，浇注后的21～30d，每6h读取一次数据。
(5)分层分块与薄层浇注。大体积混凝土体积庞大，施工中利用纵横接缝将坝体分割成许多块，并利用水平缝将每一块分成许多浇注层。分层分块浇注不仅便于施工，更利于减小约束，防止裂缝和增加散热面，从而降低施工期间的温度应力，减小产生裂缝的可能性。施工时应从底层开始浇注，进行到一定距离后再浇注其它各层。混凝土的分层浇筑方法很多，有斜面分层浇筑法、跳仓法等，但是无论采用何种浇筑方式，都要注意混凝土的浇筑节奏、凝结时间，保证浇筑过程中不产生冷缝。
(6)采用先进的施工技术。在加强混凝土质量控制的同时，应积极推广新技术、新材料与新工艺的应用，以减少混凝土的开裂。
参考文献
[1]邓进标,邹志晖,韩伯鲤等.水工混凝土建筑物裂缝分析及其处理[M].武汉水利电力大学出版社,1998
[2]ICOLD,WORL REGISM OF DAMS[M].1988
[3]陈宝春.大体积混凝土温度裂缝的成因及控制[J].施工技术,2003（6）
[4]乔生祥等.水工混凝土缺陷检测和处理[M].中国水利水电出版社,1997
[5]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].中国建筑工业出版社,1997
[6]水利水电科学研究院结构材料研究所,大体积混凝土[M].水利电力出版社,1990 |
