大壩大體積混凝土的溫度控制與防裂

【摘 要】大體積混凝土裂縫及其防治一直是水電工程界十分關(guān)注的重大技術(shù)問題，在大壩混凝土澆筑過程中，溫度應(yīng)力及溫度控制具有十分重要的意義。

【關(guān)鍵詞】大體積混凝土；溫度裂縫；溫度控制標(biāo)準(zhǔn)；控制措施

【Abstract】Mass concrete crack and its prevention and control has been one of the focuses of the hydroelectric engineering major technical problems， in the process of dam

concrete pouring， the temperature stress and temperature control is of great significance.

【Keywords】 Mass concrete Temperature control of mass Concrete temperature crack Standard and control measures

1.大體積混凝土溫度變化過程

混凝土在凝固過程中，由于水泥水化，釋放大量水化熱，使混凝土內(nèi)部溫度逐步上升，對尺寸小的結(jié)構(gòu)由于散熱較快，溫升不高，不致引起嚴(yán)重后果，但對大體積混凝土，最小尺寸也常在3～5m以上，而混凝土導(dǎo)熱性能隨熱傳導(dǎo)距離呈現(xiàn)性衰減，大部分水化熱將積蓄在澆筑塊內(nèi)，使塊內(nèi)溫度升達(dá)30～50℃，甚至更高。由于內(nèi)外溫差的存在，隨著時(shí)間的推移，壩內(nèi)溫度逐漸下降而趨于穩(wěn)定，與多年平均氣溫接近。

大體積混凝土的溫度變化過程可分為三個(gè)階段，即溫升期、冷卻期和穩(wěn)定期。顯然，混凝土內(nèi)的最高溫度Tmax等于混凝土澆筑入倉溫度Tp與水化熱溫升值Tr之和，由Tp到Tmax是升溫期，由Tmax到穩(wěn)定溫度Tf是降溫期，之后混凝土體內(nèi)溫度圍繞穩(wěn)定溫度隨外界氣溫有所起伏。

2.大體積混凝土溫度裂紋原因分析

混凝土壩的溫度控制是混凝土壩設(shè)計(jì)中的重要問題，對于保證混凝土壩工程的質(zhì)量、加快施工進(jìn)度等方面，起到關(guān)鍵性作用。在混凝土溫度控制設(shè)計(jì)中，一般以基礎(chǔ)溫差的設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，以單獨(dú)澆注塊的溫度應(yīng)力為理論基礎(chǔ)，在限制應(yīng)力或應(yīng)變的條件下估算允許溫差。實(shí)踐表明，澆注塊的分塊尺寸越小，應(yīng)力越小，基礎(chǔ)允許溫差就越大。

大體積混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土澆筑后，水泥的水化熱很大，由于混凝土體積大，要產(chǎn)生大量的水化熱，混凝土溫度升高，而混凝土表面則散熱較快，這樣形成較大的溫度差，引起較大的表面拉應(yīng)力而超過混凝土極限抗壓強(qiáng)度，就會在混凝土表面產(chǎn)生表面裂縫。

3.混凝土的溫度裂縫

大體積混凝土的溫度變化引起溫度變形，溫度變形受到約束，勢必產(chǎn)生溫度應(yīng)力，由于混凝土的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于抗拉強(qiáng)度，在溫度壓應(yīng)力作用下不致破壞混凝土，當(dāng)受到溫度拉應(yīng)力作用時(shí)，常因抗拉強(qiáng)度不足而產(chǎn)生裂縫，隨著約束情況的不同，大體積混凝土溫度裂縫有如下兩種：

3.1表面裂縫

混凝土澆筑后，其內(nèi)部由于水化熱溫升，體積膨脹，如遇寒潮，氣溫驟降，表層降溫收縮，內(nèi)脹外縮，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表層產(chǎn)生拉應(yīng)力。各點(diǎn)溫度應(yīng)力的大小，取決于改點(diǎn)溫度梯度的大小。在混凝土內(nèi)處于內(nèi)外溫度平均值的點(diǎn)應(yīng)力為零，高于平均值的點(diǎn)承受壓應(yīng)力，低于平均值的點(diǎn)為拉應(yīng)力；混凝土的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，當(dāng)表層溫度拉應(yīng)力超過混凝土的允許抗拉強(qiáng)度時(shí)，將產(chǎn)生裂縫，形成表面裂縫。這種裂縫多發(fā)生在澆筑塊側(cè)壁，方向不定，數(shù)量較多。

3.2貫穿裂縫和深層裂縫

變形和約束是產(chǎn)生應(yīng)力的兩個(gè)必要條件。由溫度變化引起溫度變形時(shí)普遍存在的，有無溫度應(yīng)力關(guān)鍵在于有無約束。人們不僅把基巖視為剛性基礎(chǔ)，也把已凝固、彈模較大的下部老混凝土視為剛性基礎(chǔ)。這種基礎(chǔ)對新澆不久的混凝土產(chǎn)生溫度變形所施加的約束作用在混凝土上升溫度膨脹期引起壓應(yīng)力，在降溫收縮時(shí)引起拉應(yīng)力。當(dāng)此拉應(yīng)力超過混凝土的允許抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會產(chǎn)生自基礎(chǔ)面向上開展、貫穿整個(gè)壩段，就稱為貫穿性裂縫。當(dāng)裂縫切割的深度達(dá)到3～5m時(shí)，就稱為深層裂縫。

4.防裂新技術(shù)

近30年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，通過多種途徑，采取綜合性措施來解決大壩混凝土的抗裂問題。其中氧化鎂新材料和MgO水泥混凝土筑壩新技術(shù)的出現(xiàn)，打破了人們的傳統(tǒng)認(rèn)識，提出了筑壩新理論和筑壩新技術(shù)。據(jù)此，既可實(shí)現(xiàn)快速施工又大大拓寬和完善了水工混凝土筑壩防裂技術(shù)。實(shí)踐證明，MgO混凝土筑壩技術(shù)是大體積混凝土施工的革命，是國內(nèi)外筑壩技術(shù)的重大創(chuàng)新和突破。

在大混凝土中內(nèi)中摻入適量的特制的輕燒MgO，利用MgO水化所釋放的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，使混凝土產(chǎn)生自生體積膨脹，抵消其在溫降過程中的體積收縮。也就是利用其獨(dú)特的具有延遲性的、不可逆變形及長期穩(wěn)定的微膨脹性能來補(bǔ)償大壩混凝土在溫降時(shí)的體積收縮和溫度變形。更確切地說，就是利用MgO混凝土的限制膨脹來補(bǔ)償混凝土的限制收縮，達(dá)到防裂目的。

5.大體積混凝土的溫度控制措施

大體積混凝土溫度控制是通過控制混凝土的拌合溫度來控制混凝土的入倉溫度，通過一期冷卻降低混凝土內(nèi)部的水化熱溫升，從而降低混凝土內(nèi)部的最高溫升，使溫差降低到允許范圍，通過二期冷卻，使壩體溫度從最高溫度降到接近溫度，以便在達(dá)到灌漿溫度后及時(shí)進(jìn)行縱縫灌漿。溫度控制的具體措施常從混凝土的減熱和散熱兩方面著手。

5.1減少混凝土的發(fā)熱量，減少每立方米混凝土的水泥用量

根據(jù)壩體的應(yīng)力場對壩體進(jìn)行分區(qū)，對于不同分區(qū)采用不同標(biāo)號的混凝土、采用低流態(tài)或無塌落度干硬性貧混凝土。改善骨料級配，增大骨料粒徑，對少筋混凝土可埋放大石塊，以減少每立方米混凝土的水泥用量。大量摻入粉煤灰，摻和料的用量可達(dá)水泥用量的25%～40%。采用高效外加減水劑不僅能節(jié)約水泥用量約20%，使28d齡期混凝土的發(fā)熱量減少25%～30%，且能提高混凝土早期強(qiáng)度和極限拉伸值。

5.2采用低發(fā)熱量的水泥

降低混凝土的入倉溫度，合理安排好澆筑時(shí)間。在施工組織上安排春、秋季多澆，夏季早晚澆，正午不澆，這是最經(jīng)濟(jì)、最有效的降低入倉溫度的措施。采用加冰或加冰水拌和?；炷涟韬蜁r(shí)，將部分拌和用水改為冰屑，利用冰的低溫和冰融解時(shí)吸收潛熱的作用，這樣，最大限度可將混凝土減低約20℃。對骨料進(jìn)行預(yù)冷。當(dāng)加冰拌和不能滿足要求時(shí)，通常采取骨料預(yù)冷的辦法。

5.3加速混凝土散熱，采用自然散熱冷卻降溫。采用低塊薄層澆筑可增加散熱面，并適當(dāng)延長散熱時(shí)間，即適當(dāng)增長間歇時(shí)間。在高溫季節(jié)已采用預(yù)冷措施時(shí)，則應(yīng)采用厚塊澆筑，縮短間歇時(shí)間，防止因氣溫過高而熱量倒流，以保持預(yù)冷效果，在混凝土內(nèi)預(yù)埋水管通水冷卻。

總結(jié)：

大體積混凝土硬化期間，由于水泥釋放水化熱，混凝土的溫度升高，混凝土內(nèi)外溫差增大，極易引起裂縫，即溫度裂縫，如何采取有效措施，防止溫度應(yīng)力造成混凝土出現(xiàn)有害溫度裂縫，一直是大壩大體積結(jié)構(gòu)施工的一個(gè)重大問題，所以，在大體積混凝土內(nèi)部各點(diǎn)的溫度不同，存在整體降溫及非線性溫度場，既受外部約束又有內(nèi)部約束，因而產(chǎn)生溫度應(yīng)力。

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