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1、大体积混凝土的温度控制与防裂一、 混凝土温度控制的基本任务围了明确混凝土温度控制的基本任务，应首先弄清楚混凝土的温度变化过程及与温度变化密切相关的裂缝问题。（一） 混凝土的温度变化过程混凝土在凝固过程中，由于水泥水化，释放大量水化热，使混凝土内部温度逐步上升。对尺寸小的结构，由于散热快，温升不高，不致引起严重后果；但对于大体积混凝土，最小尺寸也常在以上，而混凝土导热性能随热传导距离呈线性衰减，大部分水化热将积蓄在浇筑块内，使块内温度升达，甚至更高。由于内外温差的存在，随着时间的推移，坝内温度逐渐下降而趋于稳定，与多年平均气温接近。大体积混凝土的温度变化过程，可分为如图5-66所示的三个阶段，即
2、温升期、冷却期（或降温期）和稳定期。显然，混凝土内的最高温度等于混凝土浇筑入仓温度与水化热温升值之和。由到是温升期，由到稳定温度是降温期，之后混凝土体内温度围绕稳定温度随外界气温略有起伏。与之差称混凝土体的最大温差，记为。很明显，要明确，须先根据水泥品种和用量，确定水泥水化热引起的温升，同时还须确定混凝土的入仓温度。值为：式中：为混凝土出拌和机到入仓的温度变化值，为混凝土的拌合温度；为混凝土组成材料的编号；为混凝土中材料的比热，水和水泥的比热分别为，骨料的比热约为；为混凝土中材料的用量，为拌和混凝土时材料的温度。当拌和温度与气温相近时，可取；当气温高于拌和温度时，温度有回升，取正值；当气温低于
3、拌和温度，有热量损失，取负值。绝对值的大小主要取决于混凝土拌和温度与气温的差值，以及盛料容器的隔热措施、运输时间和转运次数。其值约为拌和温度与气温差绝对值的。水温可用当地月平均气温；水泥温度视运输和储存条件而定，可取；骨料温度通常接近月平均气温，当使用前数周内受阳光照射，其温度约比月平均气温高。（二） 混凝土的温度裂缝大体积混凝土的温度变化必然引起温度变形，温度变形若受到约束，势必产生温度应力。由于混凝土的抗压强度远高于抗拉强度，在温度压应力作用下不致破坏的混凝土，当受到温度拉应力作用时，常因抗拉强度不足而产生裂缝。随着约束情况的不同，大体积混凝土温度裂缝有如下两种。1. 表面裂缝混凝土浇筑后
4、，其内部由于水化热温升，体积膨胀，如遇寒潮，气温骤降，表层降温收缩。内涨外缩，在混凝土内部产生压应力，表层产生拉应力。各点温度应力的大小，取决于该点温度梯度的大小。在混凝土内处于内外温度平均值的点应力为零，高于平均值的点承受压应力，低于平均值的点为拉应力，如图5-67所示。混凝土的抗拉强度远小于抗压强度。当表层温度拉应力超过混凝土的允许抗拉强度时，将产生裂缝，形成表面裂缝。这种裂缝多发生在浇筑块侧壁，方向不定，数量较多。由于初浇的混凝土塑性大，弹模小，限制了拉应力的增长，故这种裂缝短而浅，随着混凝土内部温度下降，外部气温升，有重新闭合的可能。图中为浇筑块内温度分布线的包络面积，为结构物或浇筑块
5、的宽度，故是平均温度。设一横坐标通过这一平均温度线，则横坐标上下的正负温度应力包络的面积彼此相等。沿结构物或块宽方向温度应力的变化可按下式计算：式中：为混凝土的线膨胀系数，一般取；为混凝土的弹性模量；为横坐标点的温度，2. 贯穿裂缝和深层裂缝变形和约束是产生应力的两个必要条件。由温度变化引起温度变形是普遍存在的，有无温度应力关键在于有无约束。人们不仅把基岩视为刚性基础，也把已凝固、弹模较大的下部老混凝土视为刚性基础。这种基础对新浇不久的混凝土产生温度变形所施加的约束作用，称为基础约束。这种约束在混凝土升温膨胀期引起压应力，在降温收缩时引起拉应力。当此拉应力超过混凝土的允许抗拉强度时，就会产生裂
6、缝，称为基础约束裂缝。由于这种裂缝自基础面向上开展，严重时可能贯穿整个坝段，故又称为贯穿裂缝。此种裂缝切割的深度可达以上，故又称为深层裂缝。裂缝的宽度可达，且多垂直基面向上延伸，既可能平行纵缝贯穿，也可能沿流向贯穿。新浇筑的浇筑块其内温呈均匀分布，温度为，由于基础对塑性混凝土的变形无约束，故无应力发生，由于温升过程时间不长，可将浇筑块温升视为绝热温升，其内温均匀上升至，温度发生了的变化，记为，相应的温度应变为。由于升温过程浇筑块尚处于塑性状态，变形自由，故无温度应力发生。事实上只有降温结硬的混凝土在接近基础面部分才受到刚性基础的双向约束，难以变形。冷却收缩时浇筑块对基础产生挤压，基础对混凝土则
7、产生大小相等、方向相反的拉应力，当此拉应力大于混凝土的抗拉强度，则将引起贯穿裂缝。温度变化引起变形为基础的约束力产生的变形所抵消，表现为紧贴基础部位无变形发生，根据变形相容条件有：得式中：为温度应立；分别为浇筑块温升引起的应变和基础约束产生的应变；为混凝土的泊桑比，可取为；其余符号意义同前。显然，对于浇筑块混凝土，均为常量，温度应力的大小只决定于温度变差。式是将混凝土浇筑块视为弹性体，对紧贴基础表面一层混凝土推导出来的约束应力值。其实混凝土是弹性材料，在应力持续作用下将产生徐变，会引起应力松弛，即徐变应力将抵消部分弹性应力。此外，离基础面越高，约束影响越小，加之老混凝土和基岩均非绝对刚体，综合
8、以上影响因素对式加以修正，可以表达为：式中：为混凝土的松弛系数，通常取0.5；为约束影响系数，离基础面越远值越小，其值除与混凝土和基础的弹性模量之比有关外，也与混凝土浇筑块高度与其边长比有关，取值大小可查表。（三） 大体积混凝土温度控制的任务综上可见，大体积混凝土紧靠基础产生的贯穿裂缝，无论对坝的整体受力还是防渗效果的影响比之浅层表面裂缝的危害都大得多。表面裂缝虽然可能成长为深层裂缝的诱发因素，对坝的抗风化能力和耐久性有一定影响，但毕竟其深度浅，长度短，如图所示，一般不形成危害坝体安全的决定因素。大体积混凝土温度控制的首要任务是通过控制混凝土的拌和温度来控制混凝土的入仓温度；通过一期冷却降低混
9、凝土内部的水化热温升，从而降低混凝土内部的最高温升，使温差降低到允许范围。其次，大体积混凝土温控的另一任务是通过二期冷却，使坝体温度从最高温度降到接近稳定温度，以便在达到灌浆温度后及时进行纵缝灌浆。总所周知，为了施工方便和温控散热要求坝体所设的纵缝，在坝体完建时应通过接缝灌浆使之结合成为整体，方能蓄水安全运行。若坝体内部的温度未达到稳定温度就进行灌浆，灌浆后坝体温度进一步下降，又会将胶结的缝重新拉开。因此将坝体温度迅速降低到接近稳定温度的灌浆温度是接缝灌浆和坝体蓄水受益的重要前提。需要采取人工冷却降低坝体混凝土温度的另一个重要原因，是由于大体积混凝土的散热条件差，单靠自然冷却使混凝土内部温度降
10、低到稳定温度需要的时间太长，少则十几年，多则几十年、上百年，从工程及时受益的要求来看，也必须采取人工冷却措施。二、 大体积混凝土温度控制的标准温度控制标准实质上就是将大体积混凝土内部和基础之间的温差控制在基础约束应力小于混凝土允许抗拉强度以内，即：式中：为混凝土的抗拉强度，为安全系数，一般取1.31.8，工程等级高的取大值，等级低的取小值。用基础约束应力作为控制标准，则式可改写为当用混凝土的拉伸应变来控制，则有：例：若取时，；若取，余同上，则得。应当指出：在确定大体积混凝土温度控制标准时，须把理论分析同已建工程的经验紧密结合起来。温度控制的理论分析，忽略了不少实际因素，诸如混凝土材料的非均质性
11、，浇筑块各向温度变化的非均匀性，骨料的性质和类型，岩基面的起伏程度和基岩的吸热作用等。基础温差的控制标准可根据现行设计标准，并结合工程的实际情况确定。表 是基岩与混凝土弹模相近的基础允许温差控制标准。实践证明，控制混凝土的极限拉伸值，对于防止大体积混凝土产生裂缝具有同等重要的意义。设计部门对施工单位提出基础温差控制标准的同时，也提出混凝土允许的极限拉伸值的限制。和表相对应的允许极限拉伸值，对混凝土为，对混凝土为，且离差系数宜小于。此外，考虑到下层降温冷却结硬的老混凝土对上层新浇混凝土的约束作用，通常需要对上下层混凝土的温差进行控制，要求上下层块体的间歇时间来实现。过长的间歇时间是使上下层块体温
12、差超标的重要原因之一。确定灌浆温度是温控的又一标准。由于坝体内部混凝土的稳定温度随具体部位而异，一般情况灌浆温度并不恰好等于稳定温度。通常在确定灌浆温度时，将坝体断面的稳定温度场进行分区，对灌浆温度进行分区处理，各区的灌浆温度取各区稳定温度的平均值。但对某些特殊部位，例如底孔周围、空腹坝的空腹顶部，灌浆后可能出现自然超冷，灌浆温度宜低于稳定温度。在严寒地区，经论证，灌浆温度可高于稳定温度一定值。由此可见，无论灌浆温度如何定，都以稳定温度为依据，都必须首先确定坝体内的稳定温度场。坝体稳定温度场系指混凝土坝经长期散热后，浇筑时的初始温差和水化热影响趋于消失，坝内各点温度趋于稳定，基本上不再随时间有
13、大的变化。一般当混凝土的温度变幅小于外部水温或气温变幅的10%，即可视为温度场是个三维空间的场，场内的温度分布可由热传导理论，建立热传导方程，经推导可得：式中：为混凝土的坝体温度，分别为三维的自变量。鉴于坝体沿坝轴线方向的长度远大于其高度和宽度。若令坝轴向为，其尺寸过大热传导可忽略不计，故可将式转化为平面问题：以上两个稳定温度场的表达式都是拉普拉斯微分方程。求解稳定温度场就是确定的边界条件下，求解拉普拉斯微分方程。对于平面问题，上游坝面以设计水位为边界，按不同高程分区，取年平均水温作为边界温度；下游坝面则以多年平均气温加日照升温值作为边界温度。当坝的边界温度值确定后，可用流网法或电模拟试验绘制
14、稳定温度场。图分别是国内一座重力坝和一座重力拱坝的稳定温度场。图中实线表示等温线，虚线表示热流线，它表示不同点的热传导方向。在确定灌浆温度时，为了施工方便，常对稳定温度场分区简化。分区时既要考虑浇筑分块和纵缝位置，也应考虑工作特征高程，如死水位、底孔高程、正常水位等，如图所示，大体上取各区稳定温度的平均值作为分区灌浆温度。三、 大体积混凝土的温度控制措施温度控制的具体措施常从混凝土的减热和散热两方面着手。所谓减热就是减少混凝土内部的发热量，如降低混凝土的拌和出机温度，以降低入仓浇筑温度；减少混凝土的水化热温升，以降低混凝土可能到达的最高温度。所谓散热就是采用各种散热措施，如增加混凝土的散热面，
15、在混凝土温升期采取人工冷却降低其最高温升，当到达最高温度后，采取人工冷却措施，缩短降温冷却期，将混凝土块内的温度尽快地降到灌浆温度，以便进行接缝灌浆。（一） 减少混凝土的发热量1. 减少每立方米混凝土的水泥用量其主要措施有：（1）根据坝体的应力场对坝体进行分区，对于不同分区采用不同标号的混凝土。（2）采用低流态或无塌落度干硬性贫混凝土。（3）改善骨料级配，增大骨料粒径，对少筋混凝土可埋放大石块，以减少每立方米混凝土的水泥用量。（4）大量掺粉煤灰，掺和料的用量可达水泥用量的（5）采用高效外加减水剂不仅能节约水泥用量约，使28d龄期混凝土的发热量减少，且能提高混凝土早期强度和极限拉伸值。常用的减水
16、剂有落木素、糖蜜、MF复合剂等。2采用低发热量的水泥过去采用的低热硅酸盐水泥，因早期强度低，成本高，已逐步被淘汰。当前多用中热水泥。近年已开始生产低热微膨胀水泥，它不仅水化热低，且有微膨胀作用，对降温收缩还可以起到补偿作用，减小收缩引起的拉应力，有利于防止裂缝的发生。吉林水电站，因采用低热水泥，起到防止裂缝发生的显著作用。（二） 降低混凝土的入仓温度1 合理安排浇筑时间 在施工组织上安排春、秋季多浇，夏季早晚浇，正午不浇，这是最经济有效降低入仓温度的措施。2. 采用加冰或加冰水拌和混凝土拌和时，将部分拌和水改为冰屑，利用冰的低温和冰融解时，吸收潜热的作用，这样，最大限度可将混凝土温度降低约。规范规定加冰量不大于拌合用水量的。加冰拌和，冰与拌和材料直接作用，冷量利用率高，降温效果显著。但加冰越多，拌和时间有所增长，相应会影响生产能力。
