大體積水工混凝土溫度應(yīng)力及裂縫控制

胡星，鄢煜川

（1.中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330029；2.江西省鄱陽湖水利樞紐建設(shè)辦公室，江西 南昌 330046）

1 大體積水工混凝土的特性

混凝土屬于脆性材料，當(dāng)其受到來自外界或者來自自身內(nèi)部的收縮力時(shí)很可能會(huì)有裂縫產(chǎn)生。由于混凝土自身具有的水化熱的特性，通常會(huì)造成混凝土內(nèi)部產(chǎn)生高溫。在溫度較高時(shí)混凝土的彈性模量會(huì)下降，混凝土不會(huì)產(chǎn)生大的變形。隨著大體積水工混凝土內(nèi)部溫度下降彈性模量增大，相應(yīng)地會(huì)發(fā)生較大的變形。當(dāng)混凝土變形的程度超出其最大受拉能力，裂縫就會(huì)在混凝土結(jié)構(gòu)中形成。

2 大體積水工混凝土裂縫成因

2.1 混凝土水化熱

混凝土水化熱是指在水工大體積混凝土進(jìn)行澆筑操作時(shí)，水和水泥的攪拌混合有大量的熱量產(chǎn)生。而且混凝土中水泥量的增多會(huì)造成水化熱的增高，如果熱量不能迅速散發(fā)到外界就會(huì)滯留在內(nèi)部致使其內(nèi)部溫度增加。而在混凝土外部，因?yàn)樗值恼舭l(fā)散熱致使外部溫度下降，因此混凝土內(nèi)部和外部會(huì)形成較大的溫度差異。在這種溫差作用之下，外部遇冷收縮形成的應(yīng)力和內(nèi)部溫度過高膨脹形成的應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生相互作用導(dǎo)致裂縫在混凝土中產(chǎn)生。

2.2 外界溫度改變

在各種影響水工大體積施工過程的因素中，外界的溫度是當(dāng)中影響作用較大的一個(gè)。因?yàn)橥饨鐪囟鹊母淖儠?huì)對(duì)混凝土內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)之間的溫度差異造成影響，進(jìn)而可能會(huì)威脅到混凝土的施工質(zhì)量。在澆灌過程中，混凝土結(jié)構(gòu)外部的溫度降低到一定水平，可以造成混凝土結(jié)構(gòu)溫度不均勻，混凝土?xí)驗(yàn)闊o法承受因此形成的溫度應(yīng)力而形成裂縫；而如果外界溫度上升到一定程度，會(huì)不利于澆筑時(shí)混凝土內(nèi)部的散熱致使混凝土內(nèi)部熱量集聚形成溫差，這也會(huì)使形成溫度裂縫的概率上升。

2.3 混凝土收縮

混凝土在經(jīng)歷攪拌之后會(huì)硬化和體積縮小，與水泥自身的特性有關(guān)。比如鋼筋和混凝土模板拉應(yīng)力的產(chǎn)生，裂縫會(huì)在拉應(yīng)力的大小大過混凝土的最大承受能力時(shí)在混凝土中形成。另外，不同收縮原因會(huì)造成混凝土形成不同的收縮類型，比如自收縮、干裂紋和溫度收縮等。其中自收縮的形成是因?yàn)樗嗪退跀嚢柚蟀l(fā)生了泥漿反應(yīng)，因此形成了C-S-H凝膠并吸收超過半數(shù)的水泥漿體，最終會(huì)導(dǎo)致混凝土的體積縮小8%左右。

2.4 混凝土荷載過重

雖然大體積混凝土結(jié)構(gòu)能夠承受較大的壓力，但是如果承受過重的負(fù)荷也會(huì)造成裂縫的產(chǎn)生。其主要原因是因?yàn)檫^重壓力的承擔(dān)造成混凝土發(fā)生了變形，這與混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有較大的關(guān)聯(lián)。所以在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，如果構(gòu)建的模型脫離實(shí)際而且計(jì)算過于理想化，很容易造成實(shí)際結(jié)構(gòu)狀態(tài)與設(shè)想不相符，而且混凝土模型中存在的內(nèi)力會(huì)導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。

3 溫度應(yīng)力及力學(xué)性能

混凝土抗拉強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系式為：

式（1）中：t 是指混凝土的齡期，ft（t）代表齡期為t 的混凝土抗拉強(qiáng)度，其隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 混凝土抗拉強(qiáng)度變化圖

另外，混凝土的彈性模量與齡期的關(guān)系可以表示為：

式（2）中：Ec是指齡期為二十八天的混凝土彈性模量。在混凝土溫度下降過程中，由于齡期的累計(jì)增長(zhǎng)，其彈性模量會(huì)同時(shí)上升，處于各個(gè)齡期的混凝土溫度應(yīng)力的計(jì)算公式如下：

圖2 溫度應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度變化關(guān)系圖

從上述的規(guī)律分析可以發(fā)現(xiàn)，伴隨著溫度的降低，混凝土的溫度應(yīng)力會(huì)反之增高，其抗拉強(qiáng)度則會(huì)隨著齡期增長(zhǎng)逐漸變大，而且增長(zhǎng)的規(guī)律呈現(xiàn)出初期增長(zhǎng)變化速度快而后期變化速度較小的特征。因此，在實(shí)際施工中可以對(duì)大體積水工混凝土在齡期達(dá)到28 d前進(jìn)行驗(yàn)算，評(píng)估混凝土是否可以抵抗溫度應(yīng)力帶來的壓力，確保形成的溫度應(yīng)力的大小水平低于混凝土的抗拉強(qiáng)度水平。

4 實(shí)例分析

4.1 工程概況

某新建泄洪水閘為3 孔，閘底板和閘墩設(shè)計(jì)為整體結(jié)構(gòu)，泄洪水閘上游混凝土厚度3.50 m，中部最大厚度6.50 m，下游厚度2.50 m，采用C30混凝土進(jìn)行施工澆筑。

4.2 模型參數(shù)與結(jié)果分析

考慮到溫度場(chǎng)計(jì)算的合理和計(jì)算時(shí)間的要求，建模時(shí)兼顧水閘結(jié)構(gòu)和基巖的尺寸，以該水閘閘墩及底板結(jié)構(gòu)為原型進(jìn)行仿真分析，有限元網(wǎng)格及計(jì)算坐標(biāo)系如圖3所示。

圖3 閘墩有限元剖分圖

在不同工況下，使用ANSYS 軟件對(duì)閘墩混凝土溫度應(yīng)力進(jìn)行仿真分析，得到底板中心點(diǎn)和倉(cāng)面點(diǎn)、閘墩中心點(diǎn)和倉(cāng)面點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線分別如圖4、圖5所示。

圖4 底板中心點(diǎn)和倉(cāng)面點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線圖

圖5 閘墩中心點(diǎn)和倉(cāng)面點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線圖

由圖4、圖5可知，在沒有任何表面保溫和內(nèi)部冷卻措施的情況下，閘墩強(qiáng)約束區(qū)（底板附近）內(nèi)部點(diǎn)最高溫48.95℃，閘墩內(nèi)部點(diǎn)最高溫51.80℃，在澆筑后約3.50 d 出現(xiàn)。底板和閘墩的最大內(nèi)外溫差都在第4 天出現(xiàn)，底板為28.16℃閘墩為28.12℃。在這樣的內(nèi)外溫差之下，若不采取溫控措施，則不論在早齡期的閘墩表面還是晚齡期的內(nèi)部，均存在較大的開裂。因此必須進(jìn)行早期表面保溫，降低內(nèi)外溫差，并配合內(nèi)部水管冷卻，此舉可降低內(nèi)外溫差。

4.3 擬采溫控措施

4.3.1 原材料選擇

首先，選取的凝膠材料應(yīng)具有低水化熱的特性。在開展混凝土的配制時(shí)，選取水化熱較低的水泥能夠有效緩解混凝土澆筑中出現(xiàn)的溫差過大的狀況。挑選摻合料時(shí)，則應(yīng)該選擇類似粉煤灰類的組成成分均勻且性能較為均衡的材料；其次，配制混凝土?xí)r必須要使用高質(zhì)量、優(yōu)性能的減水劑，因?yàn)楹玫臏p水劑能夠在提升混凝土的性能、改善和易性的同時(shí)做到很大程度地節(jié)約各項(xiàng)原材料在混凝土配置中的投入量；再次，挑選的骨料需有合適的級(jí)配且清潔、堅(jiān)硬。其中，天然砂以及人工砂細(xì)度模數(shù)的范圍分別要處于2.10～2.90以及2.30～2.70。而對(duì)于粗骨料，通暢選擇的級(jí)配是四級(jí)配，其最大顆粒直徑是150 mm。粗骨料在投入使用前需要清洗泥沙并除去表面存在的水分，粗細(xì)骨料兩者的含泥量通常都把控1%以下。

4.3.2 澆筑溫度控制

混凝土澆筑時(shí)溫度的上升很容易對(duì)混凝土的各項(xiàng)性能造成破壞?？梢圆扇∫韵氯N措施：第一，在混凝土中鋪設(shè)冷水管，這樣能夠有效控制澆筑時(shí)混凝土的溫度；第二，可以利用噴霧器在混凝土澆筑施工過程中進(jìn)行噴霧，噴霧的出現(xiàn)能夠造成低溫小氣候的產(chǎn)生，進(jìn)而能夠有效降低混凝土的外部溫度；第三，可以在施工過程中設(shè)置遮陽棚，以避免外部陽光過度曝曬沙石使其表面溫度升高。在實(shí)際的施工中，具體的操作步驟是先將冷水管埋設(shè)在混凝土中，然后冷水應(yīng)該在進(jìn)行混凝土澆筑操作時(shí)注入，管道內(nèi)的液體在運(yùn)動(dòng)過程中可以吸收很多熱量。另外，埋設(shè)水管內(nèi)引入的冷水最好是取自深層的地下水（地下水溫度低），抽水時(shí)最好要使用兩臺(tái)以上的水泵同時(shí)運(yùn)作。

4.3.3 溫度裂縫控制

大體積混凝土澆筑需要確保澆筑順序、方向等的正確性，混凝土澆筑完成后需要做好養(yǎng)護(hù)，把控好濕度以及溫度，確保混凝土表面在養(yǎng)護(hù)階段始終保持濕潤(rùn)。養(yǎng)護(hù)期間外部環(huán)境出現(xiàn)溫度過低的情況，需要使用具有保溫性能的外罩覆蓋在混凝土表面；養(yǎng)護(hù)期間外部環(huán)境過高，則應(yīng)該使用土工布遮蔽混凝土結(jié)構(gòu)外部，同時(shí)要定期灑水來控制溫度。如果混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋪設(shè)有冷水管，則需要保證管內(nèi)冷水的持續(xù)供應(yīng)，定期檢測(cè)冷水管道進(jìn)出口的溫度，監(jiān)控溫度水平。

5 結(jié)論

在實(shí)際的水工大體積混凝土施工中，采取必要的溫控措施對(duì)于減少混凝土裂縫產(chǎn)生來說是十分重要的。應(yīng)該合理科學(xué)地設(shè)計(jì)水工大體積建筑的結(jié)構(gòu)，選取最佳的施工材料，嚴(yán)格監(jiān)測(cè)把控混凝土的溫度，保證施工各環(huán)節(jié)操作的規(guī)范化，做好水利建設(shè)工程質(zhì)量的保障工作。