摘要:在大體積混凝土中，溫度應力及溫度控制具有重要的現(xiàn)實意義。然而，不管采取什么措施，大體積混凝土都會產(chǎn)生溫度裂縫，不僅影響美觀，而且可能會影響到結(jié)構的整體性和耐久性。本文扼要敘述了溫控設計的基本要點及溫度裂縫產(chǎn)生的原因。概述了提高大體積混凝土抗裂能力的主要因素及一些防裂措施。
關鍵詞:大體積混凝土;溫度控制;防裂措施
一、前言
隨著我國建筑行業(yè)施工技術的不斷提高，大體積混凝土技術已廣泛應用于工程項目中，大體積混凝土壩的裂縫及其防治一直水水電工程界十分關注的重大技術問題，研究溫度控制及防裂措施具有十分重要的意義。
二、溫度控制要點和溫度裂縫產(chǎn)生原因
大體積混凝土如混凝土壩的溫度控制是混凝土壩設計中的重要問題，對于保證混凝土壩工程的質(zhì)量、加快施工進度等方面，起到關鍵性作用。在混凝土溫度控制設計中，一般以基礎溫差的設計為重點，以單獨澆注塊的溫度應力為理論基礎，在限制應力或應變的條件下估算允許溫差。實踐表明，澆注塊的分塊尺寸越小，應力越小，基礎允許溫差就越大。
混凝土標號高，防裂能力強，但因水泥用量增加，故水化熱溫升也較高，從而使?jié)仓K早期約束應力較大，后期冷卻約束拉應力也較大。澆筑層厚度對水化熱溫升有直接的影響，薄層澆筑水化熱溫升較低，冷卻后約束應力較小。一般澆筑塊高度超過4.5m時，大壩內(nèi)部混凝土基本上處于不散熱的絕熱狀態(tài)。
對大壩混凝土的溫度控制，最關鍵的是要掌握混凝土的溫度變化規(guī)律和將溫度應力控制在混凝土的允許范圍內(nèi)。在施工過程中，混凝土溫度場及應力場的變化過程是相當復雜的。在設計計算中，需要模擬實際施工過程，考慮各種復雜因素，如混凝土的彈性模量、線脹系數(shù)、徐變、抗拉強度、極限拉伸值、熱力學指標、溫度、荷載、自生體積變形等。
大體積混凝土結(jié)構，澆注后水泥的水化熱很大，由于混凝土體積大，聚集在內(nèi)部的水泥水化熱不易散發(fā)，混凝土的內(nèi)部溫度將顯著升高，而混凝土表面則散熱較快，這樣形成較大的溫度梯度，引起較大的表面拉應力而超過混凝土極限抗壓強度，就會在混凝土表面產(chǎn)生表面裂縫。這種裂縫多發(fā)生在混凝土澆注后的升溫階段。如果此時混凝土表面不能保持潮濕的養(yǎng)護環(huán)境，則混凝土表面由于水分蒸發(fā)較快而使初期的混凝土產(chǎn)生干縮，加劇裂縫的產(chǎn)生。這是混凝土澆注后由于溫升產(chǎn)生的第一種裂縫。
由于溫升影響產(chǎn)生的第二種裂縫是收縮裂縫。這種裂縫產(chǎn)生在混凝土的溫降階段，即當混凝土降溫時，由于逐漸散熱而產(chǎn)生收縮，再加上混凝土硬化過程中，由于混凝土內(nèi)部拌和水的水化和蒸發(fā)，以及膠質(zhì)體的膠凝等作用，促使混凝土硬化時收縮。這兩種收縮，在收縮時由于受到基底或結(jié)構本身的約束，會產(chǎn)生很大的收縮應力，如果產(chǎn)生的收縮應力超過當時的混凝土極限拉升強度，就會在混凝土中產(chǎn)生收縮裂縫，這種裂縫有時會貫穿全斷面，成為結(jié)構性裂縫，帶來嚴重的危害。
三、防止混凝土裂縫的傳統(tǒng)技術措施
為了防止產(chǎn)生危害性的裂縫，必須采取一系列技術措施包括合理選擇混凝土原材料，嚴格控制施工質(zhì)量，嚴格控制混凝土溫度，選擇合理的分縫分塊和結(jié)構形式等。
（一）水泥水化熱溫度
1、選用低熱或中熱水泥（如礦渣水泥、火山灰質(zhì)水泥或粉煤灰水泥）配制混凝土。
2、使用粗骨料：滲加粉煤灰等滲和料、或滲加減水劑，改善和易性，降低水灰比，控制塌落度，減少水泥用量，降低水化熱量。
3、利用混凝土后期（90天、180天）強度，降低水泥用量。
4、在基礎內(nèi)部預埋冷卻水管，通入循環(huán)冷卻水，降低混凝土水化熱溫度。
5、在厚大無筋或稀筋的厚大混凝土中，摻加20%以下的塊石吸熱，并節(jié)省混凝土。
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1、避開熱天選擇較低溫季節(jié)澆筑混凝土：對現(xiàn)澆量不大的塊體，安排在下午3時以后或夜間澆筑。
2、夏季采用低溫水或冰水拌制混凝土，對骨料噴冷水霧或冷氣進行預冷，或?qū)橇线M行護蓋或設置遮陽裝置，運輸工具加蓋防止日曬，降低混凝土拌和物溫度。
3、摻加緩凝型減水劑。采取薄層澆灌，每層厚20～30cm，減緩澆筑強度，利用澆筑面散熱。
4、在基礎內(nèi)設通風和加強通風加速熱量散發(fā)。
三峽工程針對高標準的混凝土溫控標準，各個環(huán)節(jié)均采取了有力、有效的溫控措施。如對混凝土用量最大的原材料——粗骨料采取兩次預冷，即在進拌和樓前，在料倉內(nèi)吹冷風進行一次風冷；進拌和樓后，又在貯罐內(nèi)進行二次風冷，使各級骨料平均溫度達到零下1～6℃。拌和時，加冷制水摻片冰拌和，用以控制混凝土的澆筑溫度。在壩體內(nèi)散布安裝冷卻水管，混凝土澆筑后即開始通冷卻水，用以控制壩體最高溫度，并使壩體提前達到穩(wěn)定溫度。
?。ㄈ┨岣呋炷翗O限拉伸強度
1、選擇良好級配的粗骨料，嚴格控制其含泥量，加強混凝土振搗，提高混凝土的密實度和抗拉強度，減少收縮，保證施工質(zhì)量。
2、采取二次投料法，二次振搗法，澆筑后及時排除表面泌水，以提高混凝土強度。
3、在基礎內(nèi)設置必要的溫度配筋，在基礎突然變化、轉(zhuǎn)折部位，底板與墻轉(zhuǎn)折處、孔洞轉(zhuǎn)角及周邊部位，增加斜向構造配筋，以改善應力集中。
4、在基礎與墻、地坑等接縫部位，適當增大配筋率，設暗梁，以減輕邊緣效應，提高抗拉伸強度，控制混凝土裂縫開展。
5、加強混凝土的早期養(yǎng)護，提高早期相應齡期的抗拉強度和彈性模量。
四、防裂新技術
近30年來，隨著科學技術的進步與工程實踐經(jīng)驗的積累，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的出現(xiàn)，打破了人們的傳統(tǒng)認識，提出了筑壩新理論和筑壩新技術。據(jù)此，既可實現(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。實踐證明，MgO混凝土筑壩技術是大體積混凝土施工的革命，是國內(nèi)外筑壩技術的重大創(chuàng)新和突破。
采用MgO混凝土筑壩防裂原理是：在后天內(nèi)中摻入適量的特制的輕燒MgO，利用MgO水化所釋放的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C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償大壩混凝土在溫降時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償混凝土的限制收縮，達到防裂目的。若輔以其它適當?shù)木C合性措施，可以取代傳統(tǒng)的溫控措施，如混凝土拱壩需分橫縫，柱狀、薄層、長間歇澆筑，預埋冷卻水管冷卻，封縫灌漿等施工工藝，實施通倉連續(xù)施工，大大加快了筑壩速度，從而實現(xiàn)了工程界長期希望達到的快速施工的目標。其防裂理論的基本特征是：把傳統(tǒng)的通過預冷來降低和控制混凝土筑壩溫度的辦法，改為調(diào)節(jié)后天控制大壩混凝土的體積變形，達到大壩防裂的目的。
這項筑壩防裂新技術從1990年初開始，已先后在我國大中型水利水電工程中得到成功應用，其中包括常規(guī)混凝土和碾壓混凝土重力壩（拱壩），碾壓混凝土壩周邊及上游防滲體、基礎墊層墊座、基礎深槽、填塘封洞、導流洞封堵、閘壩工程、廠壩連接及導流底孔、壓力鋼管外圍回填等不同工程部位都應用了外摻MgO混凝土筑壩防裂新技術，并且都取得了成功和達到了預期效果。
五、結(jié)束語
由于混凝土本身的特性，大體積混凝土溫度裂縫是不可避免的，但是，有害的裂縫是可以控制的，只要通過事前、事中、事后采取相應的措施，從各個方面入手進行有效的控制，就能減少溫度裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展，提高大體積的質(zhì)量。
關鍵詞:大體積混凝土;溫度控制;防裂措施
一、前言
隨著我國建筑行業(yè)施工技術的不斷提高，大體積混凝土技術已廣泛應用于工程項目中，大體積混凝土壩的裂縫及其防治一直水水電工程界十分關注的重大技術問題，研究溫度控制及防裂措施具有十分重要的意義。
二、溫度控制要點和溫度裂縫產(chǎn)生原因
大體積混凝土如混凝土壩的溫度控制是混凝土壩設計中的重要問題，對于保證混凝土壩工程的質(zhì)量、加快施工進度等方面，起到關鍵性作用。在混凝土溫度控制設計中，一般以基礎溫差的設計為重點，以單獨澆注塊的溫度應力為理論基礎，在限制應力或應變的條件下估算允許溫差。實踐表明，澆注塊的分塊尺寸越小，應力越小，基礎允許溫差就越大。
混凝土標號高，防裂能力強，但因水泥用量增加，故水化熱溫升也較高，從而使?jié)仓K早期約束應力較大，后期冷卻約束拉應力也較大。澆筑層厚度對水化熱溫升有直接的影響，薄層澆筑水化熱溫升較低，冷卻后約束應力較小。一般澆筑塊高度超過4.5m時，大壩內(nèi)部混凝土基本上處于不散熱的絕熱狀態(tài)。
對大壩混凝土的溫度控制，最關鍵的是要掌握混凝土的溫度變化規(guī)律和將溫度應力控制在混凝土的允許范圍內(nèi)。在施工過程中，混凝土溫度場及應力場的變化過程是相當復雜的。在設計計算中，需要模擬實際施工過程，考慮各種復雜因素，如混凝土的彈性模量、線脹系數(shù)、徐變、抗拉強度、極限拉伸值、熱力學指標、溫度、荷載、自生體積變形等。
大體積混凝土結(jié)構，澆注后水泥的水化熱很大，由于混凝土體積大，聚集在內(nèi)部的水泥水化熱不易散發(fā)，混凝土的內(nèi)部溫度將顯著升高，而混凝土表面則散熱較快，這樣形成較大的溫度梯度，引起較大的表面拉應力而超過混凝土極限抗壓強度，就會在混凝土表面產(chǎn)生表面裂縫。這種裂縫多發(fā)生在混凝土澆注后的升溫階段。如果此時混凝土表面不能保持潮濕的養(yǎng)護環(huán)境，則混凝土表面由于水分蒸發(fā)較快而使初期的混凝土產(chǎn)生干縮，加劇裂縫的產(chǎn)生。這是混凝土澆注后由于溫升產(chǎn)生的第一種裂縫。
由于溫升影響產(chǎn)生的第二種裂縫是收縮裂縫。這種裂縫產(chǎn)生在混凝土的溫降階段，即當混凝土降溫時，由于逐漸散熱而產(chǎn)生收縮，再加上混凝土硬化過程中，由于混凝土內(nèi)部拌和水的水化和蒸發(fā)，以及膠質(zhì)體的膠凝等作用，促使混凝土硬化時收縮。這兩種收縮，在收縮時由于受到基底或結(jié)構本身的約束，會產(chǎn)生很大的收縮應力，如果產(chǎn)生的收縮應力超過當時的混凝土極限拉升強度，就會在混凝土中產(chǎn)生收縮裂縫，這種裂縫有時會貫穿全斷面，成為結(jié)構性裂縫，帶來嚴重的危害。
三、防止混凝土裂縫的傳統(tǒng)技術措施
為了防止產(chǎn)生危害性的裂縫，必須采取一系列技術措施包括合理選擇混凝土原材料，嚴格控制施工質(zhì)量，嚴格控制混凝土溫度，選擇合理的分縫分塊和結(jié)構形式等。
（一）水泥水化熱溫度
1、選用低熱或中熱水泥（如礦渣水泥、火山灰質(zhì)水泥或粉煤灰水泥）配制混凝土。
2、使用粗骨料：滲加粉煤灰等滲和料、或滲加減水劑，改善和易性，降低水灰比，控制塌落度，減少水泥用量，降低水化熱量。
3、利用混凝土后期（90天、180天）強度，降低水泥用量。
4、在基礎內(nèi)部預埋冷卻水管，通入循環(huán)冷卻水，降低混凝土水化熱溫度。
5、在厚大無筋或稀筋的厚大混凝土中，摻加20%以下的塊石吸熱，并節(jié)省混凝土。
?。ǘ┙档突炷翝补嗳肽囟?nbsp;
1、避開熱天選擇較低溫季節(jié)澆筑混凝土：對現(xiàn)澆量不大的塊體，安排在下午3時以后或夜間澆筑。
2、夏季采用低溫水或冰水拌制混凝土，對骨料噴冷水霧或冷氣進行預冷，或?qū)橇线M行護蓋或設置遮陽裝置，運輸工具加蓋防止日曬，降低混凝土拌和物溫度。
3、摻加緩凝型減水劑。采取薄層澆灌，每層厚20～30cm，減緩澆筑強度，利用澆筑面散熱。
4、在基礎內(nèi)設通風和加強通風加速熱量散發(fā)。
三峽工程針對高標準的混凝土溫控標準，各個環(huán)節(jié)均采取了有力、有效的溫控措施。如對混凝土用量最大的原材料——粗骨料采取兩次預冷，即在進拌和樓前，在料倉內(nèi)吹冷風進行一次風冷；進拌和樓后，又在貯罐內(nèi)進行二次風冷，使各級骨料平均溫度達到零下1～6℃。拌和時，加冷制水摻片冰拌和，用以控制混凝土的澆筑溫度。在壩體內(nèi)散布安裝冷卻水管，混凝土澆筑后即開始通冷卻水，用以控制壩體最高溫度，并使壩體提前達到穩(wěn)定溫度。
?。ㄈ┨岣呋炷翗O限拉伸強度
1、選擇良好級配的粗骨料，嚴格控制其含泥量，加強混凝土振搗，提高混凝土的密實度和抗拉強度，減少收縮，保證施工質(zhì)量。
2、采取二次投料法，二次振搗法，澆筑后及時排除表面泌水，以提高混凝土強度。
3、在基礎內(nèi)設置必要的溫度配筋，在基礎突然變化、轉(zhuǎn)折部位，底板與墻轉(zhuǎn)折處、孔洞轉(zhuǎn)角及周邊部位，增加斜向構造配筋，以改善應力集中。
4、在基礎與墻、地坑等接縫部位，適當增大配筋率，設暗梁，以減輕邊緣效應，提高抗拉伸強度，控制混凝土裂縫開展。
5、加強混凝土的早期養(yǎng)護，提高早期相應齡期的抗拉強度和彈性模量。
四、防裂新技術
近30年來，隨著科學技術的進步與工程實踐經(jīng)驗的積累，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的出現(xiàn)，打破了人們的傳統(tǒng)認識，提出了筑壩新理論和筑壩新技術。據(jù)此，既可實現(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。實踐證明，MgO混凝土筑壩技術是大體積混凝土施工的革命，是國內(nèi)外筑壩技術的重大創(chuàng)新和突破。
采用MgO混凝土筑壩防裂原理是：在后天內(nèi)中摻入適量的特制的輕燒MgO，利用MgO水化所釋放的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C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償大壩混凝土在溫降時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償混凝土的限制收縮，達到防裂目的。若輔以其它適當?shù)木C合性措施，可以取代傳統(tǒng)的溫控措施，如混凝土拱壩需分橫縫，柱狀、薄層、長間歇澆筑，預埋冷卻水管冷卻，封縫灌漿等施工工藝，實施通倉連續(xù)施工，大大加快了筑壩速度，從而實現(xiàn)了工程界長期希望達到的快速施工的目標。其防裂理論的基本特征是：把傳統(tǒng)的通過預冷來降低和控制混凝土筑壩溫度的辦法，改為調(diào)節(jié)后天控制大壩混凝土的體積變形，達到大壩防裂的目的。
這項筑壩防裂新技術從1990年初開始，已先后在我國大中型水利水電工程中得到成功應用，其中包括常規(guī)混凝土和碾壓混凝土重力壩（拱壩），碾壓混凝土壩周邊及上游防滲體、基礎墊層墊座、基礎深槽、填塘封洞、導流洞封堵、閘壩工程、廠壩連接及導流底孔、壓力鋼管外圍回填等不同工程部位都應用了外摻MgO混凝土筑壩防裂新技術，并且都取得了成功和達到了預期效果。
五、結(jié)束語
由于混凝土本身的特性，大體積混凝土溫度裂縫是不可避免的，但是，有害的裂縫是可以控制的，只要通過事前、事中、事后采取相應的措施，從各個方面入手進行有效的控制，就能減少溫度裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展，提高大體積的質(zhì)量。
