浅述水工混凝土的温度裂缝的成因与防治.pdf

1 6 2 内 蒙 古 水 利 2 0 1 0年第 3期 ( 总第 1 2 7期 ) 【 混 凝土 施 工 】 浅述水 工混凝土 的温度裂缝 的成 因与防治 吉 永 梅 ( 新疆喀什地区叶城县水利局， 新疆 叶城 8 4 4 9 0 0 ) 摘要 通过现场观察， 查阅有关水工混凝土内部应力方面的专著， 对水工混凝土温度裂缝产生的 原 因、 现场水工混凝土温度的控制和预防裂缝的措施等进行 阐述。 关键词 水工混凝土； 温度应力； 裂缝 ； 控制 中图分类号 ： T V 5 4 3 I 8 文章标识码 ： B 文章 编号 ： 1 0 0 9 0 0 8 8 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 1 6 2 0 3 目前 ， 叶尔羌河上已建成 4座引水枢纽工程 ， 分别 为喀群引水枢纽 、 勿甫渠首 、 民生渠首和艾里克塔木渠 首 ， 提孜那甫河上已建成 4座引水枢纽工程 ， 分别为江 卡渠首、 红卫渠首、 黑孜阿瓦提渠首和汗可尔渠首。叶 尔羌河上建成水电站 7座。这些水工建筑物建成后对 叶尔羌河流域的国民经济发展起着举足轻重的作用 。 但这些工程建成运行过程 中， 或多或少的存在一些问 题 ， 现就对这些水工建筑物建设 和运行期 间所产生的 混凝土温度裂缝进行论述。 1 裂缝 的原 因 水工混凝土中产生裂缝有多种原 因， 主要是 温度 和湿度 的变化 ， 水工混凝土的脆性和不均匀性 ， 以及结 构不合理 ， 原材料不合格( 如骨料级配不合理、 碱骨料 反应等) ， 模板变形 ， 基础不均匀沉降等。在叶尔羌河 流域， 存在粗骨料级配不良， 细骨料细度模数太小， 粗 砂含量小的特点。水工混凝土 的裂缝几乎无所不在。 尽管在施工中采取各种措施 ， 小心谨慎， 但裂缝仍然时 有出现。究其原因 ， 对水工混凝土温度应力的变化注 意不够是其中之一。 许多水工 混凝土 的内部湿度 变化很小或变化较 慢 ， 但表面湿度可 能变化较大或发生剧烈变化。如养 护不周、 时干时湿 ， 表面干缩形变受到内部水工混凝土 的约束 ， 也往往导致裂缝 ， 这在改建前 的叶尔羌河东岸 输水总干渠中局部裂缝就属于这种情况中比较严重的 裂缝 。小型及微型裂缝几乎在所建成的所有建筑物中 存在 。 水工混凝土是一种脆性材料 ， 抗 拉强度是抗压强 度的| 1 0 左右， 短期加荷时的极限拉伸变形只有( 0 6 1 0 )x 1 0 ， 长期加荷时的极限位伸变形也只有( 1 2 2 0)x 1 0 。由于原材料不均匀 ， 水灰 比不稳定 ， 及 运输和浇筑过程中的离析现象 ， 在同一块水工混凝土 中其抗拉强度又是不均匀的 ， 存在着许 多抗拉能力很 低， 易于出现裂缝的薄弱部位。在钢筋混凝土中， 拉应 凝土现浇前 1 d进行或削坡后及时用防雨布覆盖。削 坡时应严格控制高程及表面平整度， 采用人工挂线精 削。如果削坡过量 ， 不得用浮土回填 ， 应采用与现浇混 凝土同标号的混凝土填充。渠底及内边坡平整度允许 偏差控制在 0 5 c m。 河套灌区属于干旱、 严寒地区， 现浇混凝土渠道对 抗冻、 防渗要求十分严格， 施工中需加入一些外加剂来 提高其抗冻和抗渗性能。根据其他地区经验， 在混凝 土中加入 P C _2型引气剂 ， 可有效地提高混凝土的抗 渗性和抗冻性 ， 在水泥中加入 0 2 一 0 7 的 M型减 水剂 ， 可减少混凝土的渠道 的裂纹。 河套灌区有各类渠道总长5万多 k m， 其中斗渠以 下的各级渠道 占到 8 0 以上， 渠道衬砌工程量非常 大。近几年， 在河套灌区续建配套与节水改造工程中， 进行过许多类型的试验项 目， 目 前， 斗渠以上的渠道基 本采用混凝土预制板衬砌方式 ， 随着施工机械和施工 技术的不断完善， 斗渠以下的渠道可逐步尝试采用现 浇混凝土衬砌。 ( 编校： 杨亚军) 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 4 2 5 作者简介： 韩芬( 1 9 6 9一) ， 女 ， 水利工程师， 现从事水利工 程建设管理工作 。 浅述水工混凝土的温度裂缝的成因与防治吉永梅 1 6 3 力主要是由钢筋承担 ， 混凝土 只是承受压应力 。在素 混凝土内或钢筋混凝上的边缘部位如果结构 内出现了 拉应力， 则须依靠水工混凝土 自身承担。一般设计中 均要求不 出现拉应力或者 只出现很小的拉应力。但是 在施工中水工混凝土 由最高温度冷却到运转时期的稳 定温度 ， 往往在混凝土 内部引起相 当大 的拉应力。有 时温度应力可超过其它外荷载所引起 的应力 ， 因此 ， 掌 握温度应力的变化规律对于进行合理 的结构设计和施 工极为重要 。 2 温度应力的分 析 根据温度应力的形成过程可分为 以下 3个 阶段 ： ( 1 ) 早期 ： 自浇筑水工混凝 土开始 至水 泥放热基 本结束 ， 一般约 3 0 d 。这个阶段的两个特征， 水泥放 出大量的水化热； 混凝土弹性模量的急剧变化。由 于弹性模量的变化 ， 这一 时期在水工混凝 土内形成残 余应力 。 ( 2 ) 中期 ： 自水泥放热作用基本 结束 时起 至水 工 混凝土冷却到稳定温度时止 ， 这个 时期 中， 温度应力主 要是由于水工混凝土的冷却及外界气 温变化所引起 ， 这些应力与早期形成的残余应力相叠加 ， 在此期间混 凝上的弹性模量变化不大。 ( 3 ) 晚期 ： 水工混凝 土完全冷却 以后的运转时期 。 温度应力主要是外界气温 变化所 引起 ， 这些应力与前 两种的残余应力相迭加。根据温度应力引起 的原 因可 分为两类： 自生应力： 边界上没有任何约束或完全静 止的结构 ， 如果内部温度是非线性分布的 ， 由于结构本 身互相约束而 出现的温度应力。例如 ， 交通桥梁墩身 ， 水闸闸墩 、 渠首等建筑物 中的混凝 土挡土墙等素混凝 土结构。结构尺寸相对较大 ， 混凝 土冷却时表 面温度 低 ， 内部温度高 ， 在表 面出现拉应力 ， 在中间出现压应 力。约束应力： 结构的全部或部分边界受到外界的 约束 ， 不能 自由变形而引起 的应力 。如箱梁顶板混凝 土和护栏混凝土。这两种温度应力往往和水工混凝土 的干缩所引起的应力共 同作用 。 3 温度的控制和防止裂缝的措施 3 1 控制温度措施 为了防止裂缝 ， 减轻温度应力可 以从控制温度和 改善约束条件两个方面着手 。控制温度的措施如下 ： ( 1 ) 采用改善骨料级配 ， 用 干硬性水工混凝 土， 掺 混合料 ， 采用 l , J J u 剂等措施 以减少水工混凝土 中的水 泥用量。 ( 2 ) 拌合水工混凝土时加水或用水将碎石冷却以 降低水工混凝土的浇筑温度 。 ( 3 ) 热天浇筑水工混凝土时减少浇筑厚度， 利用 浇筑层 面散热。 ( 4 ) 在水工混凝 土中埋设水管 ， 通人冷水降温 。 ( 5 ) 规定合理的拆模时间， 气温骤降时进行表面 保温 ， 以免水工混凝土表面发生急剧的温度梯度 。 ( 6 ) 施工中长期暴露的水工混凝土浇筑块表面或 薄壁结构 ， 在寒冷季节采取保 温措施。改善 约束 条件 的措施是。合理地分缝分块 ； 如塔里 木河 流域 近期 综合治理项 目中对混凝土渠道衬砌过程中吸取东岸输 水总干渠板块尺寸大引起裂缝 的问题 ， 在设计 过程 中 将板块尺寸确定为 3 m4 m左右 。在泽普县波斯 喀 木干渠施工过程 中就采用 3 2 m， 施工完成后没有发 现裂缝。避免基础过大起伏； 合理的安排施工工 序 ， 避免过大的高差和侧面长期暴露 ； 如在喀群 引水枢 纽水毁工程修复工作 过程 中 ， 将底部挡土墙基础在达 到初凝后及时进行回填， 使挡土墙内外温度差别不大， 工程竣工已经 3年 ， 没有发 现较大的温度裂 缝。如 果是大体积水工混凝土 ， 如挡土墙 ， 大型水闸闸基础和 闸墩等 ， 可以适 当加一些毛石 ， 以便降低水化热 。如在 喀群引水枢纽 、 叶尔羌河勿甫渠首水毁工程修复工作 过程中 ， 在基础挡土墙 中添加 1 5 的卵石 ， 对 防止温 度裂缝也起 到了比较好的作用。 此外 ， 改善水工混凝土 的性能 ， 提高抗裂能力 ， 加 强养护 ， 防止表 面干缩 ， 特别是保证水工混凝土 的质量 对防止裂缝是 十分重要 。 在水工混凝土的施工 中， 为了增加经济效益 ， 缩短 施工期 ， 提高模板的周转率 ， 往往要求新浇筑 的水工混 凝土尽早拆模。当水工混凝土温度高于气温时应适 当 考虑拆模时间， 以免引起水工混凝土表面的早期裂缝。 新浇筑早期拆模 ， 在表面引起很 大的拉应力 ， 出现“ 温 度冲击” 现象 。在水工 混凝土 浇筑初期 ， 由于水 化热 的散发 ， 表面引起相 当大的拉应力 ， 此时表面温度亦较 气温为高， 此时拆除模板 ， 表面温度骤降， 必然引起温 度梯度 ， 从而在表面附加 拉应力 ， 与水化热 应力迭加 再加上水工混凝土干缩 ， 表 面的拉应力 达到很大 的数 值 ， 就有导致裂缝 的危险， 但如果在拆除模板后及时在 表面覆盖保温材料 ， 在叶尔羌河流域水利工程施工过 1 6 4 内 蒙 古 水 利 2 0 1 0年第 3期( 总第 1 2 7期) 程中一般多用草垫洒水养护。如用泡沫海棉等新型保 温材料， 对于防止水工混凝土表面产生过大的拉应力， 效果将会显著提高。 加筋对大体积水工混凝土 的温度应 力影响很小 ， 因为大体积水工混凝土的含筋率极低。只是对一般钢 筋混凝土有影响。在温度不太高及应力低于屈服极限 的条件下， 钢的各项性能是稳定的， 而与应力状态、 时 间及温度无关。钢的线胀系数与水工混凝土线胀系数 相差很小， 在温度变化时两者间只发生很小的内应力 。 由于钢的弹性模 量为水工混凝 土弹性模量 的 7 l 5 倍 ， 当水工混凝土应力达到抗拉强度而开裂时 ， 钢筋的 应力将不超过 1 0 0 2 0 0 k g c m 。因此 ， 在水工混凝土 中想要利用钢筋来防止细小裂缝的出现很 困难 。但加 筋后结构内的裂缝一般就变得数 目多、 间距小 、 宽度与 深度较小了。而且如果 钢筋 的直径细而间距密时， 对 提高水工混凝土抗裂性的效果较好 。水工混凝土和钢 筋水工混凝土结构 的表面常常会发生细而浅的裂缝 ， 其 中大多数属 于干缩裂缝。虽然这种裂缝一般 都较 浅 ， 但它对结构的强度和耐久性仍有一定的影响。 3 2混凝土外加剂的作用 为保证水工混凝土工程质量 ， 防止开裂， 提高水工 混凝土的耐久性 ， 正确使用外加剂也是减少开裂 的措 施之一。例如使用减水 防裂剂 ， 笔者在实验和监理实 践工作过程中总结出其主要作用为。 ( 1 ) 水工混凝 土中存在大量毛细孔道 ， 水 蒸发后 毛细管中产生毛细管张力 ， 使水 工混凝 土干缩变形。 增大毛细孔径可降低 毛细管表面张力 ， 但会使水： 混 凝土强度降低。这个表面张力理论早在 6 0年代就已 被国际上所确认 。 ( 2 ) 水灰 比是影 响水工混凝土收缩 的重要 因素 ， 使用减水防裂剂可使水工混凝土用水量减少 2 5 。 ( 3 ) 水泥用量也是 水工混凝 土收缩率 的重要 因 素 ， 掺加减水防裂剂的水工混凝土在保持水工混凝土 强度的条件下可减少 1 5 的水泥用量， 其体积用增加 骨料用量来补充 。 ( 4 ) 减水防裂剂可以改善水泥浆的稠度， 减少水 工混凝土泌水， 减少沉缩变形。 ( 5 ) 提高水泥浆与骨料的粘结力， 提高水工混凝 土抗裂性能。 ( 6 ) 水工混凝 土在 收缩时受到约束产生拉应力 ， 当拉应力大于水工混凝 土抗拉强度时裂缝就会产生。 减水防裂剂可有效的提高的水工混凝土抗拉强度 ， 大 幅提高水工混凝土的抗裂性能。 ( 7 ) 掺加外加剂可使水工混凝土密实性好， 可有 效地提高水工混凝土的抗碳化性 ， 减少碳化收缩。 ( 8 ) 掺减水 防裂剂后水工混凝土缓凝时间适 当， 在有效防止水泥迅速水化放热基础上 ， 避免因水泥长 期不凝而带来的塑性收缩增加。 ( 9 ) 掺外加剂后混凝 土和易性好 ， 表面易摸平 ， 形 成微膜 ， 减少水分蒸发 ， 减少干燥收缩 许多外加剂都有缓凝、 增加和易性 、 改善塑性的功 能， 但是在 叶尔羌河流域 ， 对外加剂 的使用才刚刚起 步 ， 我们只有不断摸索 ， 来提高这方面的认识 。 4 水工混凝土的早期养护 实践证明， 水工混凝土常见的裂缝 ， 大多数是不同 深度的表面裂缝 ， 其主要原 因是温度梯度造成寒冷地 区的温度骤降也容易形成裂缝。因此说水工混凝土的 保温对防止表面早期裂缝尤其重要 ， 水工混凝土浇筑 后的最初几天是养护的关键时期 。从温度应力观点出 发 ， 保温应达到下述要求 ： ( 1 ) 防止水工混凝土内外温度差及水工混凝土表 面梯度 ， 防止表面裂缝 。 ( 2 ) 防止水工混凝土超冷 ， 应该尽量设法使水工 混凝土的施工期最低温度不低于水工混凝土使用期的 稳定温度。 ( 3 ) 防止老水工混凝土过冷 ， 以减少新 老水工混 凝土间的约束。 5 结束 语 以上对水工混凝土的施工温度与裂缝之间的关系 进行了理论和实践上 的初步探讨 ， 虽然对 于水工混凝 土裂缝的成因和计算方法有不同的理论 ， 通过叶尔羌 河及十年的水利工程建设经验 ， 对于具体 的预防和改 善措施意见还是比较统一， 同时在实践中的应用效果 也是比较好的， 在以后具体的水利水电工程设计和施 工过程中要靠 我们多观察、 多 比较 ， 出现 问题后 多分 析 、 多总结 ， 结合多种预 防处理措施 ， 水工混凝土 的裂 缝是可以避免的。 ( 编校 ： 杨亚军) 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 4 2 5