三峡大学职业技术学院建筑工程系
水工混凝土的温控与防裂
2000级水工 杨元红
[摘 要]为了兴修水利、防治水害，人类在几千年前就开始建造水坝，早期建造的是土坝、砌石坝、堆石坝和木坝。混凝土坝的建造始于20世纪初叶。由于混凝土是脆性材料，其抗拉强度远大于抗压强度，在建造混凝土坝时，如何防止裂缝始终是一个问题。
关键词 混凝土 裂缝 温控 防裂
气温骤降在混凝土表层将引起急剧的降温，由于混凝土为热量的不良导体，这时内部混凝土仍处于高温阶段，因而，在表层将形成很陡的温度梯度，严重表层混凝土的积聚收缩，使混凝土的徐变性能不能发挥作用。必须指出，在龄期3~5d拆模的混凝土，使表层混凝土突然暴露在较冷的空气中，也相当于一次气温骤降，因此，拆模后必须立即进行保温。据美国混凝土学会杂志(A.C.I)的资料统计：“一个缓慢的降温，混凝土承受降温的数值（可考虑在几个星期内发生的）比陡降甚至可以大３~４倍，由于很缓慢的降温，徐变作用大约可以减小混凝土的变形模量2/3左右，其余的部分，由于大体积混凝土和基岩或上下层的温度变形一致而降低了约束的程度”。所以气温骤降，是很容易在混凝土表层产生裂缝的，如果这些裂缝，是出现在基岩面附近，由于坝体后期的均匀降温、受基岩约束产生的温度应力，将在这些裂缝出现的部位，形成应力集中，逐步发展成贯穿裂缝。如果这些裂缝是出现在脱离基础约束范围以外；则在经历一个较长降温过程以后，如果内部的温度比较高，在混凝土块内部将形成一个梯度比较陡的非线性温度场，从而，使裂缝向纵深发展，形成深层裂缝。
平行于坝轴方向的基础贯穿裂缝或深层裂缝，一旦形成以后，它的危害性是十分严重的。这些裂缝破坏了结构的整体性，改变了设计安排的应力分布图形，改变了混凝土建筑物的受力条件，从而使局部甚至整体结构发生破
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坏的可能，即使是一般的表面裂缝对混凝土的耐久性也是有损害的，温度应力和结构应力迭加，对整个结构的应力状态，在运行阶段具有不容忽视的影响。发生在大头坝，宽缝重力坝乃至实体重力坝上游面的垂直深层裂缝，严重的可以贯通到基岩，不但影响结构稳定，还可能成为渗漏的通道，对结构有很大的危害，需要处理。
70年代以来，实体坝上游面发生这类裂缝的多起来。美国利贝坝(1966~1971)坝高127米，有七个坝段上游面裂缝，并导致基础廊道漏水。我国的恒仁大头坝、侵莴重力坝和柘溪大头坝也都发生过这类裂缝。
水工混凝土的温控防裂的综合措施有：选用中热或低热水泥最好是微膨胀性能的混凝土，必须具备足够大的抗裂能力、合理的分缝分块、有序的进行安排、控制坝体温度和表面保护等。
1 保证并改善混凝土的抗裂能力
由于混凝土抗拉强度仅为抗压强度十分之一左右，且温控防裂设计的安全储备远小于结构设计，而现在实际施工水平有时又达不到设计要求的施工匀质性指标，所以在施工过程中还应提高混凝土施工管理和工艺水平，改善混凝土性能，保证达到设计的混凝土抗裂能力并力争有所提高。
2 合理分缝分块
大坝被永久性横缝划分为坝段，合理选择坝段竖向施工缝形式和分缝间距是大坝防裂的主要措施之一。现从温控防裂角度分叙合理分缝分块应考虑的主要因素：
（1）温控条件：通仓浇筑的温度标准比柱状块严格，柱状块尺寸大的比尺寸小的温差标准严格，因而坝块尺寸越大，就需要配制规模更大和更有效的制冷设施，以满足温控防裂要求。另一方面通仓或大柱块的基础约束区高度民主比一般柱状块为高，往往难以避免高温季节浇筑约束区混凝土，所以温控严格的部位多且难度较大。
（2）分块形状与尺寸：理论分析和工程实践均表明，浇筑块绝对尺寸
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越大，长宽比越大对防裂越是不利。块体长边尺寸小于15m的柱状块，基本无需专门温控防裂措施。长边尺寸由15m增大至40m左右，温度应力随尺寸增加而增加，温控防裂措施也随之从严。至于长边尺寸达50m以上则与通仓相当。
（3）施工条件：通仓和大柱块要求施工机械化和施工管理水平较高，以便能连续、均衡地浇筑混凝土，以利于防裂。而较小尺寸柱状块可使用于一般施工机械和施工水平。
（4）结构措施：大坝结构一般采用通仓、灌浆纵缝或宽槽等分缝形式。电站结构形状较复杂，一般采用错缝为主的分缝形式。
3 控制坝体最高温度
应采取必要温控措施，使坝体实际出现的最高温度不超过坝体设计允许最高温度，这是防止基础贯穿裂缝或深层裂缝的主要措施之一。控制坝体实际最高温度的有效措施是降低混凝土浇筑温度，减少胶凝材料的水化热温升。
降低水化热温升靠采用发热量低的中热硅酸盐水泥和低热硅酸盐水泥，选择较优骨料级配和掺适量优质粉煤灰、外加剂，并采取合理层厚、间歇期和初期通水冷却等措施。
在混凝土浇筑温度与当时外界气温相近情况下，为较充分利用浇筑层顶面散热的有利因素，层厚可根据温控、浇筑能力、结构和立模等条件调整，夏季一般采用1~2m，春、秋、冬季可适当加厚。
4 合理安排混凝土施工程序和施工进度
合理安排混凝土施工程序和施工进度是防止基础贯穿裂缝、减少表面裂缝的主要措施之一，也是我国目前大型水电工程施工与国际先进水平的主要差距之一。应合理安排混凝土施工程序和施工进度，并努力提高施工管理水平，以利于大坝防止裂缝。施工程序和施工进度安排应注意满足如下几点要求：
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（1）基础约束区混凝土在设计规定的间歇期内连续均匀上升，不得出现薄层长间歇。基础约束区混凝土宜在低温季节施工。
（2）脱离基础约束区基本作到短间歇、连续均匀上升。
（3）相邻坝块的高差宜控制不超过8~12m,相邻坝段高差也应基本上控制在这一范围。
（4）电站采用错缝施工，相邻块要均匀上升，为防止产生尖角裂缝，控制相邻块允许高差4~6m。施工中严禁采用台阶缝。
（5）为防止并缝失效，不仅要求并缝以下的分缝区域混凝土降至稳定温度，而且宜在低温季节浇筑位于老混凝土约束区范围内的并缝混凝土，并连续均匀上升。
5 初、中、后期通水冷却
初期通水是削减浇筑层水化热温升的措施之一。当层厚1.5～2m，夏季初期通冷水较不通水的情况可降低最高温度1.5～2℃，一般通水10～15d，通水流量控制20L/min。
中期通水是削减坝体内外温差，预防坝块产生表面或深层裂缝的有效措施之一。中期通水一般采用河水，通水历时为2个月左右，以坝体温度降至略高于年平均气温为准。
后期通水是使混凝土柱状块达到接缝灌浆温度的必要措施，一般采用通河水和通制冷水相结合的方案，以满足大坝分期分批冷却、灌浆的需要。
6 养护和表面保护
充分养护是保证混凝土强度等性能正常发展和防止干缩裂缝的重要措施。混凝土浇筑完毕后，应及时洒水养护以保持混凝土表面经常湿润，一般浇筑完毕后12~18h内即开始养护，养护时间视不同水泥品种和结构重要性有所区别，最少不少于14d，重要部位至少28d。对于抗冲磨混凝土，由于水泥用量高，易发生早期失水过快的塑性裂缝回干缩裂缝，因此养护显得更为重要。
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混凝土表面保护是防止表面裂缝的主要措施之一。大坝暴露面大，遇气温骤降极易发生施工初期的表面裂缝；遇气温年变化和气温骤降也可能发生施工中、后期表面裂缝或深层裂缝。应根据设计提出的表面保护标准确定不同部位、不同条件的表面温度要求。应重视基础约束区、上游面及其他重要结构部位的表面保护。尤其应重视防止气温骤降的冲击，在施工中加强气象预报，即使进行表面保护。
表面保护措施的要点有如下几个方面：
（1）保温材料：应选择保温效果好且便于施工和安全的材料。保温后混凝土表面等效放热系数β需由计算分析确定，长江流域一般可选择β值为1.5~4W/(m2˙℃)，重要工程、重要结构部位、坝体尺寸大和气温变化幅度大及气温骤降频繁者选择偏低值，反之选择偏高值。
（2）当日平均气温在2~3d内连续下降不小于6~8℃时，28d龄期内混凝土表面（顶、侧面）必须进行表面保护，顶面保护持续到上层混凝土上升时止。
（3）对于永久暴露或因特殊原因长期间歇的暴露面，在低温季节浇筑的混凝土需在入秋时及时进行表面保护。保护持续时间至少经历1~2个低温季节。
（4）没年入秋时应将大坝泄水孔道、廊道、竖井等孔洞口用保温材料进行封堵。
（5）低温季节在拆模后立即采取表面保护措施，当正值气温骤降时一般推迟至气温骤降期过后再行拆模。
我国于60年代兴建，70年代建成的丹江口工程，在60年代初浇筑的100万m3 混凝土上，出现了大量的裂缝，经过停工整顿，并集中设计、施工、科研和大专院校的科技力量，在现场进行了历时数年的调查研究工作，总结了设计施工方面的经验，于19年复工后，浇筑的200多万m3混凝土上，没有再发现严重危害性的贯穿性裂缝或深层裂缝，一般的表面裂缝也很
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少出现。在这一时期，采取的三条主要措施是：①严格控制基础允许温差，新老混凝土上下层温差和内外温差；②严格执行新浇混凝土的表面保护；③提高混凝土的抗裂能力。下表是丹江口工程于19年复工后提出的温控标准：
浇注块的最大长度基岩约束区 0～(m) ＜25 25～3 5 35～50 0.2L 19℃ 17℃ 15℃ 内部约束区0.2L以上 22℃ 基岩约束区σ28=1.5 20℃ 内部约束区σ28=1.0 18℃ 混凝土抗拉强度 （Mpa） 7 结束语
如何避免发生早期的表面裂缝，特别是在基岩和上游面以及其他结构应力集中的部位，边成了防止发生严重危害性裂缝的首要问题。理论和实践证明，对新浇混凝土表面进行保护，是一项十分有效的措施，再加上合理的温度控制，大体积混凝土的裂缝问题，切实采用综合防裂措施，是可以控制的。主要手段，除保证混凝土质量外，在温控方面，一是表面保护，二是进行温度控制（包括基础和内部）。采取人工冷却的办法（包括预冷骨料和加冰拌合等）来保证达到不同季节的温控标准（严寒地区则要在保护棚内加温或加热水拌合）。此外，对减少水化热水泥品种的研制，除现有的硅酸盐大坝水泥、矿碴大坝水泥以外，如低热膨胀水泥新型粉煤灰水泥、掺膨胀剂水泥等新型水泥，有的已经研制成功，有的正在逐步改进，都是值得重视的。在满足设计荷载和早期防裂强度要求的条件下，减少水泥用量和用水量，采取长块浇筑、通仓浇筑等以加快施工进度的方法，也是在今后需要进一步研究的工作。
指导老师：应东亮
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参考文献：
1、《水工混凝土的温控与防裂》 中国水利水电出版社 2、《水工建筑物》 中国水利水电出版社
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