淺談混凝土溫度應(yīng)力控制及防裂措施

□ 于德洋 康迎春

混凝土結(jié)構(gòu)中，由溫度作用產(chǎn)生的應(yīng)力常比其他外荷載產(chǎn)生的應(yīng)力總和還要大，特別是在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中。水工混凝土結(jié)構(gòu)中的大部分裂縫屬于溫度裂縫或干縮裂縫，因此，對混凝土進行溫度控制是十分必要的，也是非常重要的。下面，從大體積混凝土及碾壓混凝土兩個方面來簡要論述一下混凝土結(jié)構(gòu)中的溫度應(yīng)力控制及裂縫控制措施。

一、大體積混凝土裂縫的成因及防裂措施

對于混凝土壩、船閘、泄洪建筑物、電站廠房等大體積混凝土來說，裂縫是最常見的問題。不管是上世紀早期修建的混凝土壩，還是目前正在施工的各種大體積混凝土水工建筑物，都不同程度地出現(xiàn)了裂縫，未出現(xiàn)任何裂縫的大體積混凝土結(jié)構(gòu)非常少見。對于混凝土壩這樣的大體積混凝土來講，可以說裂縫是難以避免的。

大體積混凝土內(nèi)出現(xiàn)的裂縫，按其深度的不同，一般可分為貫穿裂縫、深層裂縫及表面裂縫三類。貫穿裂縫切斷了結(jié)構(gòu)斷面，可能破壞結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，其危害性是嚴重的。如與迎水面相通，還可能引起漏水。深層裂縫部分地切斷了結(jié)構(gòu)的斷面，也有一定的危害性。表面裂縫一般危害性較小。但處于基礎(chǔ)或者老混凝土約束范圍以內(nèi)的表面裂縫，在內(nèi)部混凝土溫降過程中，可能發(fā)展為深層甚至貫穿裂縫。可以說，所有裂縫對水工混凝土結(jié)構(gòu)都有危害性，防止裂縫發(fā)生是混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計、科研、施工各個環(huán)節(jié)中的一項重要任務(wù)。

大體積混凝土的裂縫主要來自于溫度應(yīng)力。混凝土澆筑后，由于水泥在水化熱凝結(jié)過程中要散發(fā)大量水化熱，使內(nèi)部溫度急劇上升，此時混凝土彈性模量小、徐變度大，升溫引起的壓應(yīng)力不大；在后期混凝土逐步冷卻、溫度降低時，彈性模量比較大、徐變小，在一定約束條件下會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。另外，大體積混凝土常年暴露于大氣中，有些部位與水接觸，一年四季氣溫和水位的變化都會在混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力?；炷敛牧系目沽涯芰Φ?，抗拉強度一般僅為抗壓強度的十分之一。當溫度變化引起的拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度時，即可產(chǎn)生裂縫。

在大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)一旦出現(xiàn)大的裂縫，要通過修補來恢復結(jié)構(gòu)的整體性是很困難的。對于大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫，應(yīng)以預防為主。由于裂縫問題牽涉的因素較多，施工周期較長，經(jīng)驗表明，要完全防止大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫，既有可能，又很不容易，需要從結(jié)構(gòu)、材料、施工等各個環(huán)節(jié)入手。結(jié)構(gòu)形式對溫度應(yīng)力和裂縫的出現(xiàn)有重要影響，國際國內(nèi)早期修建較多的大頭壩、支墩壩、寬縫重力壩等，由于使用薄壁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式復雜，無一例外地出現(xiàn)了嚴重裂縫。目前最常用的實體重力壩、拱壩的危害性裂縫相對較少。合理的分縫分塊也是防止裂縫的有效措施。多年實踐表明，當澆筑分縫分塊尺寸控制在15×15m左右時，溫度應(yīng)力已比較小，較少出現(xiàn)基礎(chǔ)約束裂縫。防止裂縫的另一個重要因素是材料。通過合理的材料配合比設(shè)計，選擇具有極限拉伸應(yīng)變大、水化熱低、收縮變形小的配合比，有利于防裂抗裂。

防止裂縫發(fā)生的最常用、最重要的手段是溫度控制。溫度控制主要是控制三個溫差，即基礎(chǔ)溫差、內(nèi)外溫差、上下層溫差。由于這三個溫差都與混凝土內(nèi)部的最高溫度有關(guān)，因此，直接控制對象即是混凝土的最高溫度。除采取骨料冷卻等措施降低混凝土的入倉溫度、通水冷卻、倉面保溫、灑水養(yǎng)護等傳統(tǒng)措施外，我國的工程技術(shù)人員又開發(fā)了倉面噴霧防止高溫倒灌等溫控措施。大量的工程實踐表明，大部分裂縫都與內(nèi)外溫差有關(guān)。當混凝土內(nèi)部溫度較高，而外部溫度較低或遇寒潮溫度驟降時，由于內(nèi)外溫差過大引起拉應(yīng)力超標，進而導致混凝土開裂。減小內(nèi)外溫差、防止表面裂縫的有效手段即是表面保溫。除施工期的臨時保溫外，部分大壩已采取外貼保溫板(如聚乙烯苯板等)、噴涂泡沫保溫材料等，進行長期或永久保溫。

二、碾壓混凝土的溫控及防裂

碾壓混凝土是上世紀后半葉發(fā)展起來的一種新技術(shù)，它是借用土石壩施工方法進行鋪筑、振動碾壓的干硬性混凝土，具有上升速度快、施工簡單、造價低等優(yōu)點。

碾壓混凝土一般摻大量粉煤灰，與常態(tài)混凝土相比水泥用量大大減少，絕熱溫升相對較低。施工時厚度相對較小，似乎易于散熱，因此在碾壓混凝土問世初期人們曾一度認為碾壓混凝土已不存在溫度控制問題。同時認為碾壓混凝土壩的橫縫間距可以超過l00m，甚至可以不分縫。因此，早期國內(nèi)外對碾壓混凝土的溫度應(yīng)力和溫度控制均不夠重視。

隨著研究的深入和工程經(jīng)驗教訓的不斷積累，人們逐步認識到碾壓混凝土同樣需要嚴格的溫度控制和適當分縫。專家研究發(fā)現(xiàn)：碾壓混凝土雖然具有水泥用量少、絕熱溫升低的優(yōu)點，但因大量摻用粉煤灰，水化熱散發(fā)推遲，而碾壓混凝土上升速度較快，施工中層面散熱不多，因此碾壓混凝土中的水化熱溫升并不太低；由于水泥用量少、碾壓混凝土的徐變度較低，極限拉伸值也略低，從而使抗裂能力較低；碾壓混凝土澆筑倉面大、塊體長，在同樣溫度作用下溫度應(yīng)力較大；碾壓混凝土澆筑溫度高，寒潮、冬季低溫也同常態(tài)混凝土一樣容易引起裂縫。因此，碾壓混凝土仍然存在溫度控制問題。實際上國內(nèi)不少碾壓混凝土壩也都出現(xiàn)了裂縫問題，有些甚至出現(xiàn)了較嚴重的裂縫問題。

除以上特點外，與常態(tài)混凝土相比，碾壓混凝土壩還有一個重要特點即是壩體降溫速度慢，壩內(nèi)持續(xù)高溫。碾壓混凝土壩一般不鋪設(shè)冷卻水管，少量使用冷卻水管的大壩，也因無接縫灌漿要求而不進行二期通水冷卻，壩體冷卻只靠自然散熱，當壩體較厚時，溫度要降到穩(wěn)定或準穩(wěn)定溫度場需要一個較長的過程，有的需要幾十年甚至上百年。因此，在很長的一段時間內(nèi)，壩內(nèi)持續(xù)高溫會有較高的內(nèi)外溫差。

碾壓混凝土裂縫按發(fā)生的時間可分為施工期裂縫、建成早期裂縫和后期裂縫三種。

施工期壩內(nèi)溫度高，氣溫驟降、寒潮等很容易引起過大的內(nèi)外溫差，從而在混凝土表面引起超標拉應(yīng)力導致開裂。施工期的裂縫不僅會發(fā)生在低溫季節(jié)，高溫季節(jié)遇連續(xù)陰雨或溫度驟降時，同樣會出現(xiàn)這個問題。另外，如果在夏季高溫季節(jié)停工，汛期度汛，壩體過水，當水溫較低時，也會因冷擊引起混凝土的表面裂縫；在老混凝土上澆筑新混凝土，當新老混凝土溫差過大時，也有可能因新老混凝土的相互約束引起裂縫。

大壩建成早期，表面一定范圍內(nèi)的混凝土溫度逐步下降，約束區(qū)的混凝土與基礎(chǔ)的溫差加大，遇低溫季節(jié)和水庫蓄水冷擊等因素時，易在上下游表面引起較深的裂縫。上游面的淺層裂縫如果進水，則會因水力劈裂的作用發(fā)展成深層裂縫，部分會穿透防滲體，對大壩的防滲體和安全帶來不利影響。另外，由于大壩建成早期內(nèi)部混凝土持續(xù)高溫，冬季低溫季節(jié)內(nèi)外溫差加大，尤其是當遇到寒潮時，極易出現(xiàn)表面裂縫，并逐漸發(fā)展成深層裂縫。

隨著大壩的長期運行，壩體內(nèi)部溫度緩慢下降，使約束區(qū)混凝土的基礎(chǔ)溫差與高、低溫季節(jié)澆筑的混凝土的上下層溫差不斷加大。當這兩種溫差引起的拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度時，會產(chǎn)生裂縫。這種裂縫會出現(xiàn)在大壩長期運行之后，對于高碾壓混凝土重力壩來講，將出現(xiàn)在大壩完工數(shù)十年后。

另外，由于碾壓混凝土抗?jié)B性能差，一般要在上游面布置一層二級配混凝土、富漿混凝土或變態(tài)混凝土防滲層。由于防滲混凝土的水泥用量大，絕熱溫升高，尤其容易出現(xiàn)裂縫，這會破壞防滲層，水滲入后還有可能出現(xiàn)水力劈裂，危害較大。