李衛(wèi)永，許成凱，于杰 （中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100176）

1 引言

超長大體積混凝土結(jié)構(gòu)通常在水利工程建造中使用，其中由于水泥水化而產(chǎn)生熱應(yīng)力[1-3]。例如柱、梁、橋墩或大壩，需要采取特殊措施來應(yīng)對熱應(yīng)力的產(chǎn)生。熱應(yīng)力可能會導(dǎo)致早期裂紋、結(jié)構(gòu)損壞，并進一步降低結(jié)構(gòu)的適用性、力學(xué)性能和耐久性[4]。超長大體積混凝土中只有大約20%的裂縫是由外部荷載引起的，而其他裂縫主要是由熱變形、收縮和不均勻變形等約束變形引起的[5]。此外，一些大型鋼筋混凝土(RC)結(jié)構(gòu)，例如大型結(jié)構(gòu)的混凝土墩、墻、柱和基礎(chǔ)，比典型的混凝土壩裂縫數(shù)量要小得多。如果它們由高性能混凝土制成，則熱裂可能與大壩一樣嚴重。且已有研究結(jié)果顯示，在大型RC 結(jié)構(gòu)中，鋼筋的作用是限制裂縫寬度。

通常采用某些措施來控制超長大體積混凝土結(jié)構(gòu)中的溫度上升，如混凝土澆筑溫度控制（冷卻前）和冷卻管安裝（冷卻后）[6]。20 世紀40 年代初，工程兵團在諾?？舜髩蔚慕ㄔO(shè)過程中，首次采用了降低混凝土最高溫度的混凝土預(yù)冷方法。根據(jù)規(guī)范要求，避免熱開裂的最重要措施之一是混凝土澆筑溫度控制。大體積混凝土冷卻后的第一個主要應(yīng)用是在20 世紀30 年代早期的胡佛大壩建設(shè)中。冷卻措施是通過嵌入在混凝土中的管道循環(huán)冷水來實現(xiàn)的。根據(jù)規(guī)范要求，使溫度下降得盡可能慢，以使應(yīng)力釋放。在緩慢冷卻條件下，通?；炷翜囟缺３衷?0℃左右混凝土開裂概率較小。此外，在一些大壩的建設(shè)中還采用了預(yù)冷和后冷措施，特別是格倫峽谷大壩、利比大壩和德沃沙克大壩[7]。結(jié)果表明，上述項目的溫度控制是有效的。在我國，部分學(xué)者首次介紹了嵌入式冷卻管的應(yīng)用。近年來，對超長大體積混凝土結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力主要為數(shù)值模擬研究。然而，很少進行用于定量評估溫度控制措施的實驗室模型實驗[8]。

基于此，本文中利用溫度應(yīng)力測試機（TSTM）測試在不同澆筑溫度和冷卻速率下混凝土變化規(guī)律。此外，定量研究了預(yù)冷和后冷措施對混凝土開裂的影響。基于TSTM 對鋼筋混凝土試件進行試驗驗證鋼筋效果，定量研究鋼筋對混凝土開裂的影響。試驗安裝非接觸式激光位移傳感器可以更準確地測量試件變形，通過測量鋼筋的變形，可以得到更清晰的鋼筋對熱裂的影響。研究結(jié)果可為超長大體積混凝土結(jié)構(gòu)早期開裂控制提供參考依據(jù)。

2 試驗方法

在工程實踐中，采用三種常用措施來減少超長大體積混凝土的熱裂[9]，一般分為預(yù)冷、后冷和鋼筋配置。為了定量分析這些措施的效果，進行了三個案例分析，如表1 所示。在案例1 中，TSTM 測試的冷卻階段采用了兩種不同的冷卻速度（0.33°C/h 和0.21°C/h）。在案例2 中，使用TSTM 測試了兩種不同養(yǎng)護溫度（25.72°C 和20.53°C）的素混凝土試件。在案例3 中，測試了具有相同配合比的素混凝土和鋼筋混凝土，以考慮鋼筋對應(yīng)力發(fā)展和開裂行為的影響。

表1 試驗參數(shù)

表1 中的四個試驗是在超長大體積混凝土上進行的，其配合比在表2 中給出。試驗1、2 和3 中的試樣是素混凝土，而試驗4 的混凝土試樣包含四根12mm直徑的鋼筋。

表2 混凝土配合比（kg/cm3）

3 實驗裝置TSTM

TSTM（圖1）是一種閉環(huán)單軸約束測試裝置，主要具有載荷測量、溫度測量和控制、變形測量和控制、鋼筋污漬測量四個功能[10]。對于混凝土試樣，根據(jù)試樣的變形，其中一個交叉頭用鋼爪約束，另一個由步進電機控制。試樣上的荷載放置在可調(diào)交叉頭上，精度為1n。

圖1 實驗裝置

使用放置在混凝土試樣中心部分的三個熱電偶監(jiān)測溫度的變化。計算機可以計算并記錄三個溫度值的平均值。此外，采用“TSTM 溫控系統(tǒng)”控制試件溫度，該系統(tǒng)由溫控模具（試模）、泵、循環(huán)管、溫控箱組成。測試模具由四種不同的材料制成，并且內(nèi)表面覆蓋有特氟隆涂層，最大限度減少樣品和測試模具之間的摩擦。溫度由液體（乙二醇和水的混合物）循環(huán)通過的測試模具控制。試模有與“循環(huán)管”相連的出口和入口。循環(huán)液可根據(jù)計算機指令由溫控系統(tǒng)加熱或冷卻，然后泵送至包圍混凝土試件的試模中。

4 結(jié)果與討論

在本文中，抗裂性代表了混凝土防止開裂的能力，因此提高抗裂性可以延緩混凝土開裂的程度。此外，選取裂縫溫度和應(yīng)力儲量作為混凝土抗裂性的評價指標。較低的開裂溫度或較高的應(yīng)力儲備意味著較低的開裂概率（更好的抗裂性）。在表3 中，參數(shù)σrt、σcr、S 和Tcr分別表示室溫下的應(yīng)力、開裂應(yīng)力、應(yīng)力儲備和開裂溫度。開裂溫度和開裂應(yīng)力表示TSTM 試驗中混凝土開裂時的溫度和應(yīng)力。應(yīng)力儲備代表了在冷卻階段溫度降至室溫時的抗裂能力。

表3 TSTM的結(jié)果和裂紋指標

4.1 冷卻速度對混凝土開裂的影響

在案例1 中，在冷卻階段以不同的冷卻速率（0.33°C/h 和0.21°C/h）進行了兩個測試（測試1 和測試2）。圖2 中，方案2 的開裂溫度比方案1 低8.82℃。方案1 的裂紋儲備僅為1.95%，遠低于試驗2(30.55%)。兩項裂紋指標均證明，方案2 中冷卻速率較低的試樣比方案1 具有更好的抗裂能力。與試件1（方案1）相比，試件2（方案2）由于混凝土成熟度較高，其抗拉強度較高，其應(yīng)力變化率較低，有利于早期的反裂紋。

圖2 不同冷卻速率下的溫度曲線

圖3 不同的混凝土澆筑溫度

在表3 中，方案2（258h）比方案1（162h）時間長，因此，試樣2有足夠的時間重新分配內(nèi)應(yīng)力并降低應(yīng)力集中?？傊^低的冷卻速度可以延緩混凝土開裂。

4.2 養(yǎng)護溫度對混凝土開裂的影響

混凝土澆筑溫度越高，水泥水化速度越快。在超長大體積混凝土中，澆筑溫度平均每降低6°C，將導(dǎo)致混凝土最高溫度降低約3°C。

與試驗3相比，試驗1的混凝土澆筑溫度和絕熱溫升分別高出5.2°C 和3.7°C，這與其他學(xué)者研究結(jié)果一致。混凝土絕熱溫升越高，熱應(yīng)力梯度越大，開裂的概率越大。

表3 中，方案3 的開裂溫度比方案1低13.9℃（26.11℃-12.21℃），方案3 的應(yīng)力儲備比方案1 約高31.24%（33.19%-1.95%）的開裂率。因此，兩個裂紋指標都表明方案3 開裂的概率較低。雖然方案3 的開裂應(yīng)力小于試樣1（如圖4 所示），但在TSTM 測試中，開裂應(yīng)力不能作為開裂評估的合理指標，其重要性不如試樣1。因此，較低的混凝土澆筑溫度可以降低開裂的可能性。

圖4 普通混凝土和鋼筋混凝土之間的張力應(yīng)變比較

4.3 鋼筋對混凝土開裂的影響

在以往的研究中，鋼筋是用來限制裂縫寬度的，但在混凝土開裂之前，鋼筋的作用被忽略了。然而，實驗結(jié)果表明，鋼筋對混凝土應(yīng)力發(fā)展起到了明顯的作用，如圖4所示。

在表3 中，RC 試件的開裂溫度比普通混凝土低約21°C。在方案4 中，直到溫度降至-9.24°C 才出現(xiàn)裂紋，這表明RC 試樣可以抵抗較大的溫度梯度。此外，鋼筋混凝土的應(yīng)力儲備（58.93%）高于素混凝土（33.19%）。因此，RC 試件的開裂概率低于普通混凝土。同時鋼筋混凝土與素混凝土開裂應(yīng)力差約為1.01MPa（方案3 中最大張應(yīng)力為29.76%），鋼筋最大張應(yīng)力為0.96MPa（試驗2 中最大張應(yīng)力的28.57%）。因此，在本實驗中，鋼筋混凝土試件的最大抗拉強度可提高近30%。

4.4 鋼筋對混凝土極限拉伸應(yīng)變的影響

鋼筋對混凝土結(jié)構(gòu)極限拉伸應(yīng)變的影響是一個有爭議的問題。一些研究人員指出，鋼筋對極限抗拉值沒有影響，但另一些研究人員表示，鋼筋的存在提高了混凝土結(jié)構(gòu)的極限抗拉值。此外，圖4 表明RC 試件的極限拉伸應(yīng)變值比普通混凝土高約105%。這種現(xiàn)象的原因可能是微小裂縫在第一次貫穿裂縫發(fā)生之前增強試樣的應(yīng)變能力，假設(shè)微小裂縫的形成是由在鋼筋周圍發(fā)展的裂縫形成區(qū)引發(fā)的。

5 結(jié)論

①案例1 表明，考慮到兩次試驗（方案1和方案2）的開裂溫度和裂縫儲備分別為26.11° C、17.29° C 和1.95%、30.55%，較低的冷卻速度可以降低混凝土開裂的概率并延緩混凝土開裂。

②案例2 表明，澆注溫度較低的混凝土具有較低的混凝土開裂概率。試驗結(jié)果表明，方案3的開裂溫度比試驗1低13.9℃，方案3的應(yīng)力儲備比方案1高約31.24%。

③案例3 表明鋼筋可以推遲第一次主要裂縫出現(xiàn)的時間。與素混凝土相比，RC 的開裂力矩延遲了約108h，應(yīng)力儲備提高了25.74%，開裂溫度降低了21.45°C。此外，在本實驗中，鋼筋可以使RC試件的最大抗拉強度提高近30%。同時，考慮到長期荷載作用下的軸向受拉試件，由于徐變效應(yīng)，內(nèi)力可以從混凝土傳遞到鋼筋。

④案例4 的實驗證明了加固可以提高結(jié)構(gòu)的極限拉應(yīng)變。此外，RC 試件的極限拉伸應(yīng)變值比本文中的素混凝土高約105%。