□ 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(duì)混凝土進(jìn)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(gè)方面來(lái)簡(jiǎn)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(duì)于混凝土壩、船閘、泄洪建筑物、電站廠房等大體積混凝土來(lái)說(shuō)，裂縫是最常見(jiàn)的問(wèn)題。不管是上世紀(jì)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(jiàn)。對(duì)于混凝土壩這樣的大體積混凝土來(lái)講，可以說(shuō)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(yán)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(guò)程中，可能發(fā)展為深層甚至貫穿裂縫?？梢哉f(shuō)，所有裂縫對(duì)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(jì)、科研、施工各個(gè)環(huán)節(jié)中的一項(xiàng)重要任務(wù)。

大體積混凝土的裂縫主要來(lái)自于溫度應(yīng)力?；炷翝仓螅捎谒嘣谒療崮Y(jié)過(guò)程中要散發(fā)大量水化熱，使內(nèi)部溫度急劇上升，此時(shí)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(shí)，彈性模量比較大、徐變小，在一定約束條件下會(huì)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(huì)在混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。混凝土材料的抗裂能力低，抗拉強(qiáng)度一般僅為抗壓強(qiáng)度的十分之一。當(dāng)溫度變化引起的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，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(guò)修補(bǔ)來(lái)恢復(fù)結(jié)構(gòu)的整體性是很困難的。對(duì)于大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫，應(yīng)以預(yù)防為主。由于裂縫問(wèn)題牽涉的因素較多，施工周期較長(zhǎng)，經(jīng)驗(yàn)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(gè)環(huán)節(jié)入手。結(jié)構(gòu)形式對(duì)溫度應(yīng)力和裂縫的出現(xiàn)有重要影響，國(guó)際國(guó)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(fù)雜，無(wú)一例外地出現(xiàn)了嚴(yán)重裂縫。目前最常用的實(shí)體重力壩、拱壩的危害性裂縫相對(duì)較少。合理的分縫分塊也是防止裂縫的有效措施。多年實(shí)踐表明，當(dāng)澆筑分縫分塊尺寸控制在15×15m左右時(shí)，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(gè)重要因素是材料。通過(guò)合理的材料配合比設(shè)計(jì)，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(gè)溫差，即基礎(chǔ)溫差、內(nèi)外溫差、上下層溫差。由于這三個(gè)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(duì)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(cāng)溫度、通水冷卻、倉(cāng)面保溫、灑水養(yǎng)護(hù)等傳統(tǒng)措施外，我國(guó)的工程技術(shù)人員又開(kāi)發(fā)了倉(cāng)面噴霧防止高溫倒灌等溫控措施。大量的工程實(shí)踐表明，大部分裂縫都與內(nèi)外溫差有關(guān)。當(dāng)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(shí)，由于內(nèi)外溫差過(guò)大引起拉應(yīng)力超標(biāo)，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土開(kāi)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(shí)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(jìn)行長(zhǎng)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(jì)后半葉發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)，它是借用土石壩施工方法進(jìn)行鋪筑、振動(dòng)碾壓的干硬性混凝土，具有上升速度快、施工簡(jiǎn)單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。

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(duì)較低。施工時(shí)厚度相對(duì)較小，似乎易于散熱，因此在碾壓混凝土問(wèn)世初期人們?cè)欢日J(rèn)為碾壓混凝土已不存在溫度控制問(wèn)題。同時(shí)認(rèn)為碾壓混凝土壩的橫縫間距可以超過(guò)l00m，甚至可以不分縫。因此，早期國(guó)內(nèi)外對(duì)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(yàn)教訓(xùn)的不斷積累，人們逐步認(rèn)識(shí)到碾壓混凝土同樣需要嚴(yán)格的溫度控制和適當(dāng)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(diǎn)，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(cāng)面大、塊體長(zhǎng)，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(wèn)題。實(shí)際上國(guó)內(nèi)不少碾壓混凝土壩也都出現(xiàn)了裂縫問(wèn)題，有些甚至出現(xiàn)了較嚴(yán)重的裂縫問(wèn)題。

除以上特點(diǎn)外，與常態(tài)混凝土相比，碾壓混凝土壩還有一個(gè)重要特點(diǎn)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(wú)接縫灌漿要求而不進(jìn)行二期通水冷卻，壩體冷卻只靠自然散熱，當(dāng)壩體較厚時(shí)，溫度要降到穩(wěn)定或準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)需要一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程，有的需要幾十年甚至上百年。因此，在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，壩內(nèi)持續(xù)高溫會(huì)有較高的內(nèi)外溫差。

碾壓混凝土裂縫按發(fā)生的時(shí)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(guò)大的內(nèi)外溫差，從而在混凝土表面引起超標(biāo)拉應(yīng)力導(dǎo)致開(kāi)裂。施工期的裂縫不僅會(huì)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(shí)，同樣會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題。另外，如果在夏季高溫季節(jié)停工，汛期度汛，壩體過(guò)水，當(dāng)水溫較低時(shí)，也會(huì)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(dāng)新老混凝土溫差過(guò)大時(shí)，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(kù)蓄水冷擊等因素時(shí)，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(jìn)水，則會(huì)因水力劈裂的作用發(fā)展成深層裂縫，部分會(huì)穿透防滲體，對(duì)大壩的防滲體和安全帶來(lái)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(dāng)遇到寒潮時(shí)，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(zhǎng)期運(yùn)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(dāng)這兩種溫差引起的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生裂縫。這種裂縫會(huì)出現(xiàn)在大壩長(zhǎng)期運(yùn)行之后，對(duì)于高碾壓混凝土重力壩來(lái)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(jí)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(huì)破壞防滲層，水滲入后還有可能出現(xiàn)水力劈裂，危害較大。