（工程力学专业论文）蚌埠闸混凝土裂缝控制的研究.pdf

蚌埠闸混凝土裂缝控制的研究 摘要 随着社会经济的快速发展，在现代工程建设中，尤其在水利水电工程、道路 桥梁工程、高层建筑工程的建设中，大体积混凝土作为主要承载结构，其性能 与施工组织、技术的应用是评价建筑物质量关键，此领域一直是工程设计与施 工组织者不断探究的源由。 论文以蚌埠闸扩建工程为背景，论述混凝土在浇筑和固化前期，水泥胶体产 生水化热，水化热形成了复杂的温度场，在固化过程中释放的水化热会产生较 大的温度变化和收缩作用，从而产生的温度应力和收缩应力，导致混凝土出现 裂缝，这种因非荷载作用开裂，影响结构的承载性能和安全使用。 大体积混凝土结构在施工过程中，内外温度变化较大，混凝土在凝结过程中 产生温度应力，导致混凝土体内或表面形成裂缝，分析和研究裂缝的产生与发 展机理，掌握内外温度变化规律是大体积混凝土结构设计与施工中关键，必须 掌握大体积混凝土的力学性能和裂缝的形成机理，实施温控防裂措施才能有效 地防止裂缝的产生。 。 大体积混凝土应用环境的多样性及水泥混凝土体系自身的复杂性，大体积混 凝土的开裂问题大量存在；大体积混凝土温度变化所带来工程问题，为针对施 工的技术问题，必须在施工过程中加以控制，所以，在蚌埠闸闸墩大体积混凝 土施工中，设计闸墩测温装置，测量和记录混凝土不同部位的温度，分析各测 点温度变化，控制大体积混凝土各部位温度变化，达到和满足设计要求。 国内外科技工作者在混凝土裂缝研究方面已取得了许多成果，随着科技发 展，新技术、新材料的应用，此领域的许多问题已得到了很好的解决；但现实 问题不仅要求我们继续对混凝土的开裂机理、裂缝发展、评价作研究，还应对 混凝土施工新技术应用、裂缝控制进行更加深入的研究，所以，本文通过蚌埠 闸扩建工程分析，将大体积混凝土工程中常规处理加以剖析，以此为工程建设 服务。 关键词：蚌埠闸，大体积混凝土，裂缝，温度应力，评价，工程应用 r e s e a r c ho fb e n g b uf l o o d g a t ec o n c r e t ec r a c kc o n t r o l a b s t r a c t a st h em a i nb e a r i n gs t r u c t u r ei nt h em o d e r nc o n s t r u c t i o np r o j e c t s ，e s p e c i a l l yi n w a t e rc o n s e r v a n c ya n dh y d r o p o w e r ，r o a d - b r i d g ep r o j e c t sa n dt h ec o n s t r u c t i o no f h i g h r i s eb u i l d i n g s ，l a r g ev o l u m eo fc o n c r e t ei st h ek e yt oj u d g et h eq u a l i t yo f b u i l d i n g s j u s tb e c a u s eo ft h i s ，l a r g ev o l u m eo fc o n c r e t ei sa l w a y st h ed i r e c t i o nf o r e n g i n e e r i n gd e s i g n e r sa n dc o n s t r u c t i o no r g a n i z e r st oe x p l o r ec o n s t a n t l ya l o n gw i t h t h er a p i ds o c i o e c o n o m i cd e v e l o p m e n t 。 p a p e r ss e t si nt h eb e n g b uf l o o d g a t ee x p a n s i o np r o j e c ta st h eb a c k g r o u n d ， w h i c h d i s c u s s i n gs t a g eo fc e m e n th y d r a t i o nh e a tg e n e r a t e dc o l l o i d ，c o n c r e t ep o u r i n g a n dc u r i n ge a r l y h y d r a t i o nh e a to ff o r m a t i o no fac o m p l e xt e m p e r a t u r ef i e l di nt h e c u r i n gp r o c e s so ft h er e l e a s eo ft h eh e a to fh y d r a t i o nw i l lh a v eag r e a t e rt e m p e r a t u r e c h a n g ea n dc o n t r a c t i o n a n dt h er e s u l t i n gs t r e s sa n dt e m p e r a t u r es h r i n k a g es t r e s s ， r e s u l t i n g i nc r a c k si nc o n c r e t e ，b e c a u s eo f t h i sn o n 1 0 a dc r a c k i n g ，t h es t r u c t u r eo f l o a d i m p a c to np e r f o r m a n c ea n ds a f e t y m a s sc o n c r e t es t r u c t u r ei n t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s ，i n t e r n a la n de x t e r n a l t e m p e r a t u r ec h a n g e sm o r ec o n c r e t ei nap r o c e s so fc o n d e n s a t i o nt e m p e r a t u r es t r e s s ， r e s u l t i n gi nc o n c r e t eo rc r a c k sf o r m e do l lt h es u r f a c e ，a n a l y z ea n ds t u d yt h ef o r m a t i o n a n dd e v e l o p m e n to fc r a c k si nt h em e c h a n i s mo fc o n t r o la n do u t s i d et e m p e r a t u r e c h a n g e so ft h el a r g ev o l u m ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fc o n c r e t es t r u c t u r e si nt h ek e y w em u s tm a s t e rt h em a s sc o n c r e t ec r a c k sa n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h ei m p l e m e n t a t i o no ft e m p e r a t u r ea n dc r a c kc o n t r o l m e a s u r e si no r d e rt oe f f e c t i v e l yp r e v e n tt h ef o r m a t i o no fc r a c k s m a s sc o n c r e t ea p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n ta n dt h ed i v e r s i t yo fi t sc e m e n tc o n c r e t e s y s t e mo ft h ec o m p l e x i t yo fl a r g ev o l u m eo fc o n c r e t ec r a c k i n gp r o b l e m se x i s ti nl a r g e q u a n t i t i e s ，m a s sc o n c r e t et e m p e r a t u r ec h a n g e sb r o u g h ta b o u tb yt h ep r o j e c t , t o a d d r e s st h et e c h n i c a la s p e c t so ft h ec o n s t r u c t i o nm u s tb ei 1 1t h ep r o c e s so f c o n s t r u c t i o nc o n t r o l ，s oi nt h eb e n g b uf l o o d g a t em a s sc o n c r e t ep i e rc o n s t r u c t i o n 。 d e s i g n i n gp i e rt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n td e v i c e s ， m e a s u r i n ga n dr e c o r d i n g i n d i f f e r e n tp a r t so ft h ec o n c r e t e ，t h em e a s u r i n gp o i n t so f t e m p e r a t u r ec h a n g e s ，c o n t r o l l a r g ep a r t so ft h em a s sc o n c r e t et e m p e r a t u r ec h a n g e s ，a n dt os a t i s f yt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s 。 a l o n gw i t hs c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t ，a sw e l la st h eu s eo fn e w t e c h n o l o g i e sa n dn e wm a t e r i a l s ，m a n yo ft h ep r o b l e m si nt h i sa r e ah a v eh a dg r e a t s o l u t i o n b u tt h er e a l i t yn o to n l yd e m a n d su st oc o n t i n u et h es t u d i e so fc o n c r e t e c r a c k i n gm e c h a n i s m ，c r a c k sd e v e l o p m e n ta n de v a l u a t i o nr e s e a r c h ，b u ta l s oa s ku st o l e a r nc o n c r e t ec o n s t r u c t i o na p p l i c a t i o no fn e wt e c h n o l o g i e s s ot h i se x p a n s i o np r o j e c t t h r o u g ht h ef l o o d g a t eo fb e n g b u ，al a r g ev o l u m eo fc o n c r e t ew o r kt ob ed e a l ti nt h e c o n v e n t i o n a la n a l y s i so ft h i sc o n s t r u c ts e r v i c e s k e y w o r d s ：b e n g b uf l o o d g a t e ，m a s sc o n c r e t e ，c r a c k s ，t e m p e r a t u r e s t r e s s ， e v a l u a t i o n ，e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n 图2 一l 图2 2 图2 3 图4 _ 1 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 插图清单 混凝土杨氏模量发展情况示意图 1 0 混凝土开裂试验的力学理论模型项式1 0 大体积混凝土的温度变化过程图1 2 大体积混凝土浇筑方式2 8 1 4 。闸墩( 中) 4 1 1 4 # 闸墩1 、2 、3 测点温度变化曲线4 2 1 4 # 闸墩l 、2 、37 测点温度变化曲线4 2 闸室侧墙冷凝管水管布置图4 9 表格清单 表2 1 不同水泥品种混凝土的绝热温升值1 1 表2 2 不同水泥品种混凝土的热力学性能1 2 表5 1c 2 5 配合比( 1 ) 3 3 表5 2 混凝土收缩当量温差计算3 5 表5 3 各龄期的混凝土收缩的当量温差3 5 表5 4c 2 5 配合比( 2 ) 3 9 表5 5 蚌埠闸扩建工程1 4 4 闸墩混凝土温度观测记录表( 1 ) 4 0 表5 8 裂缝宽度详细情况4 3 表5 9 钢筋混凝土结构最大裂缝宽度允许值4 3 表5 一1 0 常用浸渍液配方表4 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究丁作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金胆些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：叮谤而 签字日期硝多月动日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金肥王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权尘 筵工些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：町若节瓦 导师签 签字日期：现而年孑月刃日 学位论文作者毕业后去向： 通讯地址：么冬j 和绷未赴 签字日期：历口辟r 月f 始 电话：口叫一多j 夕占；彩 邮编：二汐参dj 致谢 本文的研究与撰写工作是在导师王建国教授悉心指导下，在土木工程学院 其他教授和研究生办老师帮助下的完成的，论文从资料收集、文献阅读、选题、 可行性研究撰写的全过程中，凝聚着导师们的心血，凝聚着导师无微不至的关 怀和及时指导，论文才得以顺利完成； 在论文写作过程中，论文的点滴进展都得益于导师的远见卓识，导师严谨 求实的敬业精神、高尚的学术风范、朴实无华的行为准则成为我的楷模，使我 将终生受益；同时我感受到王教授高屋建瓴、博学务实的大家风范；在此，我 再次向王教授致以衷心的感谢和崇高的敬意，衷心感谢各位专家、教授在百忙 之中对我论文的评阅和批评指正。 在本课题研究的过程中，安徽水利股份有限公司经理汪开如、陈育东工程师， 安徽水安股份有限公司投标公司主任杨毅、高级工程师陈方葵、何俊，合肥市 应科房地产开发有限公司高级工程师魏应乐，安徽水利水电职业技术学院副教 授关水平、毕守一等给予了我极大地帮助，提供大量工程资料和富有建设性论 文指导，在此表示诚挚的谢意。 一并向我的单位安徽水利水电职业技术学院给我提供这样学习机会表示感 激；再次感谢我的家人对我生活、学习支持! 特别要向我的女儿表示感谢，因 为她的努力学习给予我继续学习的极大动力。 作者：丁学所 2 0 0 8 年3 月 1 1 引言 第一章绪论 混凝土是当今世界上用量最大、用途最广泛的工程材料。随着社会经济的 快速发展，在现代工程建设中，尤其在水剩水电工程、道路桥梁工程、离层建 筑工程的建设中，大体积混凝土作为主要承载结构，其性能与施工组织、技术 的应用是评价建筑物质量关键，此领域一直是工程设计与施工组织者不断探究 的源豢。 混凝在浇筑和固化前期，水泥胶体产生水化热，水化热形成了复杂的温 度场，在固化过程中释放的水化热会产生较大的温度变化和收缩作用，从而产 生的温度应力和收缩应力，导致混凝土出现裂缝，这种因非荷载作用开裂，影 响结构的承载性能和安全使用。 大体积混凝土结构在施工过程中，内外温度变化较大，混凝土在凝结过程 中产生较大的温度应力，导致混凝土体内或表面形成裂缝，分析和研究裂缝的 产生与发展机理，掌握内外湿度变化规律是大体积混凝土结构设计与施工中关 键，必须掌握大体积潺凝土的力学性能和裂缝的形成枫理，实施有效温控防裂 措施才能防止和减少产生的裂缝。 由于大体积混凝土应用环境的多样性及混凝土体系成型的复杂性，大体积 混凝土的开裂闽题大量存在，大体积混凝土温度变化给工稷带来一系列劣化闽 题，为针对工程中出现的问题，一方面优化混凝土配合比，另一方面加强施工 的技术处理，在施工中加以过程控制，施工中对不同结构体系设计布设温度传 感器，测量和记录混凝土不同部位的温度，分析各测点温度变化，控制大体积 混凝主各部位温度变化，达到积满足设计要求。 目前，国内外科技工作者在混凝土裂缝研究方面已取得了许多成果，随着 科技发展，新技术、新材料的应用，此领域的许多问题已得到了很好的解决； 但有的学者认为：“裂缝与混凝同时存在 。裂缝是混凝土材料不可避免的， 这是水泥基材料先天的缺陷。囊于影响混凝土随机因素比较多，特别是大体积 混凝土复杂性；所以，现实问题不仅要求我们继续对混凝土的开裂机理、裂缝 发展、评价作研究，还应对混凝土施工新技术应用、裂缝控制进行不断探究， 以此进一步为工程建设服务。 1 2 大体积混凝土研究的基本现状 随着社会的发展和科技的进步，大型厂房和高层建筑、水利水电工程、道 路桥梁建设愈来愈多，与其相适应的大体积混凝土在建筑工程中得到广泛地应 用。混凝土结构在机械作用下工作状态及其开裂阀题的研究较为透彻，包括温 度应力在内相关闷题的研究成采应用广泛；诱对体积庞大，一次性混凝土浇注 量大，工程情况各异，加之各种复杂的工程环境，以及大体积混凝土应用条件 的多样性和水泥混凝土体系自身的复杂性，如果施工措施控制不当，不可避免 会产生各种混凝结构裂缝，轻者会影响混凝土昀耐久性，重者还会严重影响 混凝士的力学性能。这些工程问题要求我们对混凝土的开裂机理、裂缝发展、 评价体系和控制措施进行更加深入的研究。大体积混凝土结构施工期由于水化 热温升丽引起的结构损伤的机理和相应的措施的研究还不够。在降低大体积混 凝土水化热弓| 起的温井，通常采用掺加活性混合材料、加入膨胀剂、加入抗裂 纤维、缓凝剂、水冷却等方法，对控制温度应力及由此引起的裂缝起到了一定 作用，但并没有彻底地解决问题。大体积混凝土由于水泥凝结硬化早期的水化 热导致的温度应力是产生裂缝的主要原因。霜混凝的予缩、自收缩、温度收 缩和塑性收缩所产生的应力的叠加，也加剧了开裂程度。自身收缩与千缩一样， 是e i i 于水的迁移而引起。但它不是由于水向外蒸发散失，而是因为水泥水化时 消耗水分造成凝胶_ 孑l 的液面下降，形成弯月谣，产生所谓的自干燥作用，混凝 土体态的相对湿度降低，体积减小。混凝土在收缩过程中收缩量值交化是一种 动态，收缩量值的测量是比较困难的。 廿世纪三十年代开始，国内外学者已重视对大体积混凝土应用研究，随着 科技发展，学者们对大体积混凝结构进行了一系列的试验和理论研究，特别 是大体积混凝土受温度作用下受损机理；将温度场及温度应力的计算模型献二 维有限元计算模型发展为三维有限元计算模型，使数值分析方法在大体积混凝 土研究中得以提高。在温度场的计算中可尽可能考虑多种影响因素，如施工过 程中环境温度隧机性交化、阳光辐射、约束、覆盖养护以及地热梯度等，解决 温度随时间及随混凝土基础深度变化的规律。在温度应力计算方面，考虑了混 凝土材料的徐变特征、混凝土早期强度、弹性模量及热学参数变化的影响。以 试验方法研究了混凝热学参数早龄期的交化，并给出了温度、湿度及强度对 热力学性质的影响规律。 1 2 1 国内现状 廿世纪五十年代后，我国也探求了对己有的裂缝进行有效处理的各种技术 措施，特别是近年来我国大型水利水电工程建设，科技工作者展开了对大体积 2 混凝土结构的温度场及温度应力问题的研究，做了大量的研究工作，取得了许 多重要成果。 潘家铮院士、朱伯芳院士等提出了大体积混凝土结构温度控制和设计的整 套理论，解决了重力坝和混凝土浇筑块的温度应力计算、拱坝的温度作用、水 泥水化热的绝热温升的计算、无限域内圆形孔上的温度应力、混凝土浇筑块的 临界表面放热系数、大体积混凝土结构表蔼瀣度应力的计算、碾压澹凝土重力 坝及碾压混凝土拱坝的温度应力计算与温度控制方法等问题，并分别用差分法、 有限元法和数理统计理论对混凝土结构的温度场进行了研究，提出解决各种边 界条件和初始条传下的板粱、隧管、浇筑块、拱坝、支墩坝、重力坝等温度应 力的分析方法。 河海大学付作新、徐道远、张于明三位教授，冶金建筑设计总院王铁梦教 授，北京水利科学研究院许平博士等应用仿真技术，分别对引子渡双曲拱坝， 龙鼷双蓝拱坝，龙滩碾压湿凝坝，大体积混凝土基础疯板，三峡大坝等进行 了温度场及温度应力全过程仿真分析，为实际工程应用与理论研究提供了很多 有用的价值和参考性结论。 河海大学刘宁教授1 9 9 7 年将随机有限元法引入大体积混凝土结构随机温度 徐交应力的计算，给出了耜应的随机有限元计算方法。应爆有限元计算方法对 各种不同的结构形式进行了大量的研究工作，使数值计算方法得到很大的进展， 在囡内处于领先水平。 朱岳鳃教授在龙潍高r c c 重力坝夏季不同浇筑温度的温控防裂研究论文 中，采用非均质艨耦合单元的三维有限元仿真模拟大坝的施工及运行过程，计 算了夏季采用不同浇筑温度时舆型溢流坝段的温度场和应力场，模拟结果表明： 当夏季浇筑温度为自然浇筑温度时，龙滩大坝出现贯穿性裂缝将在所难免；如 果降低夏季的浇筑温度，可明显地降低混凝土的最高温舞和拉应力；巍浇筑温 度控制在1 6 4 c 左右时，基本能满足大坝的温控防裂要求。 杨华全高工在三峡工程夏季混凝土浇筑温控措施中论述了掺入粉煤灰 混凝土性能，不仪可以节约水泥，降低水泥水化热温升，还可以改善新拌混凝 的工作性能，提高硬纯混凝土的后期强度。 丁宝瑛、朱绛在混凝土浇筑层内冷却水管最优埋设位置的计算论文中 提出了一种计算混凝土浇筑层内冷却水管埋设最优位置的近似方法。采用简化 的混凝浇筑层的温度场模型，导出温度场变亿艇律的表达式，霉利用解析法 与数值法确定浇筑层内最高温度位置及变化规律，确定冷却水管的优化埋设。 咎德术、则长河在大体积混凝土结构施工温度场及温度应力研究中结 合工程实例，应用现代p a f e c 大型软件，对大体积混凝土基础的温度场及温度应 力进行较深入麴数值分析，给逝了计算值与实测值的比较结栗，为计算机在工 程中的应用提供了应用的依据。 3 清华大学自行开发研制出温度一应力试验机( t s t m ) ，能够对不同的混凝土 拌合物进行量化分析，通过测试混凝土的开裂倾囊来预防混凝土的早期开裂。 不仅可提供有关混凝土延性的相关信息，而且为分析校正新筑混凝土的基本力 学性能和参数提供了大量的实验数据。 圭。2 。2 善外研究 大体积混凝土结构温度场及温度应力问题的国外研究是从廿世纪三十年代 中期美蓬修建鲍尔德坝( 现称为麓佛坝) 开始的。自四十年代起，许多毽家， 诸如美国垦务局、( 前) 苏联水工研究院、隧本京都大学等对大体积混凝土结构 的实际设计和施工技术、温度控制指标、温度控制措施都作了深入的研究，如 浇筑块的合理分块分层、适当减少水泥用量、选择低热水泥、各种骨料预冷方 法、温度场、湿度应力计算等，重点是预防大体积混凝结构产生裂缝。 日本沼田晋一在高炉矿渣粉末利用中阐述了高炉矿渣粉作用，研究在 混凝土中掺用高炉矿渣细粉末的基本情况，如高炉渣细粉末的制作、质量管理 及掺用的混凝土性能，特别是在大体积混凝土设计中掺用高炉矿渣粉末，能改 善混凝土性能，在低温养护与温度控制等方面取得了很好的效果。 在控制混凝土开裂方面，裂缝控制的理论研究是随着科学计算水平的提高 和试验技术的完善而逐步发展的。早在十九世纪各国科学家开始从结构材料强 度理论为依据，探索混凝土开裂的基本原理，最早的理论是建立在简单基本实 验的基础上，假定混凝土是均震、弹性、各向同性连续物体，导出材料强度的 各种计算公式，后期又引进了塑性理论，为解决实际问题提供了理论依据。随 着对材料微观结构的认识，又提出了混凝土结构的构造理论和分子强度理论， 西前这两方面的研究还在不紧探究中；相翼二之下，在计算混凝土结构遗部温度 交化中热力学理论得到了较好的运用。在计算得到温度场的基础上建立合适的 力学模型，求解结构的温度应力，从而决定是否需采取工程控制措施，这种方 法在设计和施工过程中得到了普遍认可。对于边界条件比较筒单酶情况，国内 外不少学者从热传导基本方程出发，推导了混凝土结构温度场和应力场的理论 解，结合试验，编辑成可方便查阅的手册。对于比较复杂情况的计算，应用数 值解法，一般有一维和二维差分法、有限元法，这些方法的采用，可以较精确 地计算温度场和温度应力。实际上无论是理论解法还是数值解法都是建立在不 同程度假定的基础上，不可能完全客观地反映大体积混凝土裂缝发展的规律， 在裂缝控制方面，更多的研究集中在工程实践中如何采取有效措施来防止裂缝 的产生。大多采用控制温度来防止裂缝开展，面对温度应力的模拟和预测还需 更进一步研究。 在评价收缩、开裂方面，德国慕尼黑技术大学r s p r i n g e n s c h m id 教授早在 4 1 9 6 9 年开发了开裂试验架装置，这个装置可以模拟混凝土在初龄期受约柬条件 下产生匏应力，弹性模量赞增长、徐交橙懿佟溪藏小都酉以得到综合豹反映。 该装置可为工程应用提供参考，选择抗裂性能较好、开裂趋势较小酶原材料和 配合比，也可以用于预测在混凝土材料、邑知结构参数和浇注温度等各种条件 下使混凝土开裂的可能性。由予混凝材料本身的复杂性，工程环境隧机性， 该装置试验还难以客囊反映混凝土开裘过程，僵这已揭示了混凝土温度疲力、 收缩与开裂的关蒸。 混凝土是当今世界上用量最大、最广泛的人造石，在试验和应用证明：混 凝土结稳在使爝过程孛，受土壤中、拳中及空气孛有害介质翡侵蚀，或混凝 材料本身有害成分酶物理、化学作雳，会产生劣化；宏观上会出现开裂、剥落、 膨胀、松软及强度下降等，严掇影响了混凝土结构使用寿命，甚至会发生结构 破坏、倒塌，造成人员伤亡和经济损失。混凝土裂缝伴随混凝土结构形成而存 在，无裂缝混凝土结椅应该说是不存在麓，国蠹井研究表明，完全桎绝混凝 结构中的裂缝是不可能的，尤其是大体积混凝土结构，器前所采用的备种实验 方法、工程措施的应用主要是尽可能控制混凝土结构裂缝在允许范围内，以满 足工程使翔的可靠度需求。 1 3 课题研究的意义 出子大体积混凝属人造石，在成型的过程孛受影响霹素多且复杂，一旦 出现劣化现象，轻者直接影响结构的使用寿命，严重将导致生命财产损失；本 文根据己有温控防裂成果，宏观方面对混凝土的原材料、配合比、外加剂、施 工工艺等俸一定的分柝；徽飘方瑟对瀑凝土鹣徽麓结构给凄了大体积混凝土獒 温度廒力、开裂原因和裂缝控制措旋。综合考虑了温度赢力等对混凝开裂的 影响，应用一定的理论计算，以蚌埠闸扩建工程等例，说明大体积混凝土裂缝 施工控制技术的复杂性，对所涉及内容进行整合，以达到能对类似工程建设提 供一定鲶参考。 1 。4 课题研究的虎容 大体积混凝土应用环境的多样性及水泥混凝土体系自身的复杂性，大体积 混凝土的开裂闯题是不可避免的，尽管大体积混凝土理论研究成果和成功的工 程范铡缀多，到毽蓠秀止，对裂缝发生麓抑制与防止，还没有一令十分有效熬 方法，混凝结构的裂缝依然里现出渐增的趋势，所以，此领域仍有许多闯题 5 需要不断探索，因此，本文课题主要来源于蚌埠闸扩建工程，闸墩大体积混凝 土溢度控制的工程实践，苁混凝土的原材料、配合比、外加剂、旋工工艺等方 面着手，分析了大体积混凝土内部温度场和温度应力变化的规律，大体积混凝 土裂缝随温度变化扩展及温控防裂措施，具体： l 、大体积混凝土研究现状； 2 、大体积混凝土及裂缝的基本知识； 3 、大体积混凝土施工温度监测、控制； 4 、蚌埠闸扩建工程等应用。 6 第二章大体积混凝土裂缝控制技术基础 混凝土是由水泥、骨料、水等经过一定的配合比组合而成，混凝土在凝结 过程由于水化作用，胶凝材料的温度经历从升温到降温过程，升温阶段由于各 种约束作用影响，混凝土内部将产生压应力，降温阶段产生拉应力，升降过程 孛将有部分压应力和拉应力被抵消，从理论侧面考虑，不考虑升温阶段对混凝 土内部应力分布是有利的，实际情况并非如此简单，混凝土是几种材料组成的 混合物，每种材料力学性能不样，每种材料具有不同的热膨胀系数，同一温 差下具有不同的廒变值，不耜容的温度应变在升温的过稷中可能产生拽应力， 可导致混凝土界面及水泥砂浆中出现微裂纹，裂纹出现一般是不可逆的，降温 过程中已出现的裂纹依然存在，导致混凝土的性能劣化。研究温度变化作用对 混凝土结构内力分布及裂缝的扩展规律是重要的，所以探讨水泥水化热是控制 大体积演凝土裂缝重要内容之一。 2 1 基本概念 2 1 。1 大体积混凝生 大体积混凝土的概念目前有多种描述，目前国内外尚无明确的定义。 至铁梦在工程结构裂缝控制一书中，对大体积混凝土结构裂缝控制一 章中指出：“在工业与民用建筑结构中，一般现浇筑连续墙式结构、地下构筑物 及设备基础等容易由温度收缩应力引起裂缝的结构，通称大体积混凝结构 。其 观点主要是从控制结构温度开裂为出发点，控制现浇钢筋混凝土连续式结构的 伸缩缝和施工缝，从瑟控制混凝土的湿度裂缝。 中国建筑工程总公司在混凝土结构工程施工标准中指出：大体积混凝土是 “最小断面任何一个方向尺寸大于8 0 a m 以上的混凝土结构，其尺寸已大到必须 采取的技术措施降低其温差，控制温度应力与裂缝开展的混凝土 。这个定义强 调两点：其一是最小断面足寸的任一方向均在8 0 c m 以上；其二必须控制温度应 力而引起的开裂。 日本建筑学会( j a s s 5 ) 规定：“结构断面最小厚度在8 0 c m 以上，同时由于水 化热雩| 起混凝内部的最高温度与外界温差预计超过2 5 c 豹混凝土，称为大体 积混凝土 。这个定义明确指出两点：其一是断面最小厚度在8 0 c m 以上；其二 是内部的最高温度与外界温差 2 5 c 。说明由于温差而使混凝土产生应力，会导致 混凝土的开裂。 美国混凝学会( a c i ) 规定：任商现浇筑的大体积混凝土，圭予尺寸大， 必须要求解决水化热随之引起的体积变形问题，以便最大限度减少混凝土的开 7 裂a 按照上述接述，现代建筑中大多数结构所采用的商品质混凝都可确定为 大体积混凝土。 大体积混凝土的特点除体积较大外，更主要是由于混凝土是热的不良导体， 内部水泥水化热不易散发，在外界环境或混凝土内部相互约束下，极易产生温 度收缩裂缝。因此大体积混凝土仅焉混凝土的几何尺寸大小来定义，容易忽视 温度收缩裂缝及为防止裂缝而应采取的施工要求，有些工程虽然其厚度达到了 8 0 c m 或超过，但不属于大体积混凝土范畴；而有些工程虽然其厚度未达到了8 0 饿，但水化热较大，应纳入大体积混凝土范畴。如果用混凝土结构出现的最高 温度与外界气温之差达到某一规定值来确定大体积混凝土，也是不够严谨，因 为这一规定值确定依据可能是在某特定环境条件下得出的，并不能代表各种条 件，因为各种温差在不同的“约束”条件下将产生不同的温度应力，不同的温 度应力将弓| 起不丽的温度裂缝，所以，避免瞧现裂缝的允谗湿差还需根据约 束力 的大小来决定，当内外约束较小时，混凝土的允许内外温差就可以大一 些，反之则可以小一些。因此，一些研究者对大体积混凝土描述为：“现场浇筑 混凝土结构的几何尺寸较大，且必须采取工程技术措施解决水泥水化热，在凝 固过程中弓| 起的体积交形闻题，以最大的限度减少舞裂，这类结构称为大体积 混凝土 。一般大体积混凝土工程的条件比较复杂，施工环境工况各异，再加上 混凝土原材料的材性差异较大，研究大体积混凝土涉及范围广，应该是多学科 的综含性闻题，如结构计算、构造设计、材料组成、材料物理力学性能及施工 工艺等。 据统计，大体积混凝土结构中出现的裂缝，属于由荷载作用为主引起的只 占裂缝总数的2 0 左右，由变形为主引起的占约8 0 。而在变形引起的裂缝中， 湿度及混凝土收缩导致裂缝又蛊大多数。因此，温度变化与混凝裂缝爨现己 成为大体积混凝土的重要研究领域。 混凝土属典型脆性材料，抗压强度高，抗拉强度低，所以，混凝土防止裂 缝的安全系数比较小( 工程应用一般取k = l 。3 - - 1 8 ) ，两影响湿度应力的因素 又缀多，要完全防止裂缝是不可辘的；铁霉静国内外研究状况来看，我们可以 从材料、设计和施工三个方面综合着手，能达到有效防止裂缝对结构的危害。 在影响结构危害方面，温度的危害又是大体积混凝土结构的一个重要而复杂的 过程。因此，只有充分掌握混凝土湿度场帮疲力场的变化规律，才能有效控制 裂缝的产生。 对于大体积混凝土的开裂，仅仅从温度威力这个因素来考虑是不够的，还 要考虑混凝土组成材料在水化与凝结过程中自身结构的变化，它们之间又是相 互影响关系。 本文对大体积混凝土认识是指混凝土整个结构尺寸以相应的理论计算为依 8 据，必须采取相应工程技术措施，应用一定理论计算，结合工程技术的应用， 钝合理控制蠹外溢度差值，解决结构相应的溜度应力，使裂缝发展在霹控制的 范围内。 2 。1 2 裂缝 裂缝是建筑物破坏的薄弱环节，建筑物的倒塌都是先从结构裂缝的扩展开 始的，如强烈地震后震区的建筑物上布满了各种各样的裂缝，钢筋混凝土梁在 试验过程中出现大量裂缝等等。裂缝是结构破坏的前兆，人们对建筑物裂缝具 有一种恐惧和不安全感。裂缝的扩展是结构物破坏的初始阶段，结构裂缝可以 引起渗漏，引起结构强度的降低，使保护层剥落、钢筋腐蚀、混凝土碳化等。 对重要建筑，验收规范对裂缝要求相当严格，甚至于工程施工现场都不允许结 构出现任何裂缝。 裂缝是指固体材料中的某种不连续现象，在学术上属于结构材料强度理论 范畴。近代科学关于混凝土强度的微观研究以及大量的工程实践所提供的经验 表明：裂缝是一种人们可以接收的材料特征，而结构的裂缝又是不可避免的， 各嚣的规范对混凝构筑物的裂缝都有不同的控制范蠢和要求，要保证滗凝 构筑物不出现裂缝可以说是不可能的。大体积混凝土结构开裂一直是工程界所 密切关注的课题。以前一般是采用“温控防裂设计准则”来控制混凝土裂缝。 现在研究结果表明，“温控防裂准则 并不熊完全真实地反映混凝土早期温度应 力和温度应力发展情况，而且没有将影响混凝土早期开裂的其他因素，如：干 缩、自收缩等考虑在内，温度已不是唯一影响早期混凝土温度诱导裂缝的决定 性因素。人们认识到早期混凝土变形“约束度 和混凝土硬化过程中的“过境 力学性能”，并实际考虑应用各种试验或监测手段，通过“过境材料力学性能努 特性研究和借助先进的计算机模拟技术，估计和预测早期混凝土的温度应力和 裂缝发展趋势。 混凝土早期性能对混凝土的影响不容忽视，国内外从十年前就已开始系统 研究如何避免混凝土早期热裂缝，大体积混凝早期极易开裂，这是因为大体 积混凝土在浇灌后的2 5 d 内水化放热温升很高( 一般在1 3 d 内温升达最终温 升的1 2 以上) ，但这期间混凝土的强度和杨氏模量很低。国外b y f o r s 和u m e h e r a 等入已做过一些试验研究，早期性能和后期性能之闻存在“拐点弦，这就是前面 我们提到的“过境力学性能”的概念，见图2 一l 。因此，加强混凝土早期强度、 弹性模量、自身体积变形、干缩变形以及绝热温升等的发展演变对进一步认识 和了解混凝土早期性能，提高和改善混凝土的各项性能都有着重要的指导意义。 另一方愿，模拟现场情况，遥过早期开裂试验架和力学模型研究、分析和 评价早期热裂缝及其热裂缝风险。见图2 2 ，t ：。为第一零应力温度；t 。为第二 9 零应力温度：t c 为开裂温度。有些大型实验机构或实验室都开发和研制开裂试 验架和湿度一应力试验枫( 简称t s t m 装置) 。开裂试验架和温度一应力试验机能 够对不同的混凝土拌合物进行量化分析，通过测试混凝土的开裂倾向来预防混 凝土的早期开裂。 2 1 3 水化热 魏蕴囊塞，接艄 图2 一l 混凝土杨氏模量发展情况示意图 瓣 瓣 图2 2 混凝土开裂试验的力学理论模溅 水化热是指水泥与水之间化学反应放出的热量。通常以( j k g ) 表示；混 凝土的热量来自混凝土水泥水化过程中散发的热量，水泥品种不同，水泥用量 不同，它的绝热温升也就不同，试验不同水泥品种混凝土的绝热温升值如表2 - 1 。 水泥的水化热是影响混凝主温度应力的个重要因素，实际上温度场计算 中用的是混凝绝热温舞。测定绝热温升有两种方法，是直接法：用绝热温 升试验设备直接测定；二是间接法：先测定水泥水化热，再根据水化热及混凝 土的比热、容重和水泥用量计算绝热温升。聪种方法中以直接法较为准确。 水泥水纯热与龄期楣关，同时介质温度瓣水佬热也有重要影响。朱倦芳院 士给出了复合指数式计算表达式计算水泥水化热： 1 0 镌瓣书露鬃耘凝键鹾貉 镌滋嚣 q ( ，) = q ( 。) 【l p 一4 f 6 】( 2 一1 ) 式中：f 一龄期，d g ( ，) 一在龄期彳时的累积水化热，k j k g q ( o ) 一彳一o , o 时的最终水化热，k j k g 8 、b 一常数 表2 1 不同水泥品种混凝土的绝热温升值( ) 水泥水泥用鼍 l d2 d3 d4 d5 d6 d7 d2 8 d9 0 d 晶秘( k g m 3 中热 1 6 61 1 0 4l 垂5 莲1 6 2 71 7 2 91 9 9 71 8 。4 51 8 7 82 0 6 32 1 3 2 5 2 5 # 2 0 21 1 21 4 6 61 6 3 41 8 7 92 0 4 62 0 9 1 低热 r 2 s 2 0 0 #7 。3 9王l 。3 31 3 。7 81 5 。莲圭s 。鑫7王7 ，5 9圭8 。3 l2 2 。莲32 3 。6 8 4 2 5 辩 2 0 05 5 28 61 0 5 61 1 9 21 2 9 21 3 6 91 4 2 91 7 8 3 1 7 05 。5 4王o 6 01 2 。9 71 4 。3 41 7 9王8 9 8 1 6 5 6 4 81 3 41 4 9 51 5 71 5 9 51 5 9 5 1 5 9 51 5 9 51 5 9 5 低热 微膨 1 8 66 9 41 4 3 71 6 6 91 7 4 21 7 4 21 7 4 21 7 4 21 7 4 21 7 4 2 胀 2 l 王4 。39 。31 4 o1 61 6 61 7 61 7 。21 8 21 8 2 4 2 5 撵 影响大体积混凝土降温散热，引起混凝土温度场变化的贝f j 是混凝土组成材 料的热学性能和周围环境温度的变化，从表2 - 2 实验数据可以看出，在采用天然 骨料的情况下，混凝土的绝热温升随水泥品种而变化，同种水泥，又随水泥 用量多少愿不同。在相同的水泥和用量条件下，绝热温升则随混凝容重、毙 热的大小而波动，混凝土的热学性能随组成骨料的不同，它的线膨胀系数、比 热、导温系数和容重等，在一定程度上会影响浇筑块的初期水化热。 表2 2 不同水泥品种混凝土的热力学性能 承泥霜量 比热c 导热系 导湿系 线膨胀 泊松览 永漉黼种骨料种类j ( k g 数x 数q系数 ( k g m 3 )w 1 ( m v )m 2 hl o 。 口c ) 中热4 2 5 # 天然骨料 1 7 09 5 9 02 5 l0 0 0 3 48 。5 入工骨料 1 9 59 8 9 02 6 2 0 。0 0 3 6 9 oo 1 8 花岗糟 低热4 2 5 #2 0 59 8 8 02 0 8 20 。0 0 3 58 3 3 人工骨料 1 9 39 8 3 02 1 50 0 0 49 0 天然骨科 2 0 59 8 3 。02 7 王0 。0 0 49 。0 60 。1 6 7 低热水泥 2 2 0 9 5 8 82 5 10 0 0 3 5 9 o0 1 6 7 掺2 0 粉 1 9 39 9 6 。42 。1 7 80 。0 0 3 48 0 4 8 煤灰 低热微膨 天然骨料 r 9 0 1 5 0 #1 0 0 0 63 21 0 7 胀4 2 5 # 2 。王。矮温度应力分析 温度应力：f l j 于混凝土温度的升、降变化而引起混凝土内部产生的应力就 称为温度应力。大体积混凝土结构，通常要承受两种不同性质的作用，一种是 结构外作用，包括水压、泥砂压、地