浅谈混凝土温度应力控制及防裂措施

□ 于德洋 康迎春

混凝土结构中，由温度作用产生的应力常比其他外荷载产生的应力总和还要大，特别是在大体积混凝土结构中。水工混凝土结构中的大部分裂缝属于温度裂缝或干缩裂缝，因此，对混凝土进行温度控制是十分必要的，也是非常重要的。下面，从大体积混凝土及碾压混凝土两个方面来简要论述一下混凝土结构中的温度应力控制及裂缝控制措施。

一、大体积混凝土裂缝的成因及防裂措施

对于混凝土坝、船闸、泄洪建筑物、电站厂房等大体积混凝土来说，裂缝是最常见的问题。不管是上世纪早期修建的混凝土坝，还是目前正在施工的各种大体积混凝土水工建筑物，都不同程度地出现了裂缝，未出现任何裂缝的大体积混凝土结构非常少见。对于混凝土坝这样的大体积混凝土来讲，可以说裂缝是难以避免的。

大体积混凝土内出现的裂缝，按其深度的不同，一般可分为贯穿裂缝、深层裂缝及表面裂缝三类。贯穿裂缝切断了结构断面，可能破坏结构的整体性和稳定性，其危害性是严重的。如与迎水面相通，还可能引起漏水。深层裂缝部分地切断了结构的断面，也有一定的危害性。表面裂缝一般危害性较小。但处于基础或者老混凝土约束范围以内的表面裂缝，在内部混凝土温降过程中，可能发展为深层甚至贯穿裂缝。可以说，所有裂缝对水工混凝土结构都有危害性，防止裂缝发生是混凝土结构设计、科研、施工各个环节中的一项重要任务。

大体积混凝土的裂缝主要来自于温度应力。混凝土浇筑后，由于水泥在水化热凝结过程中要散发大量水化热，使内部温度急剧上升，此时混凝土弹性模量小、徐变度大，升温引起的压应力不大；在后期混凝土逐步冷却、温度降低时，弹性模量比较大、徐变小，在一定约束条件下会产生较大的拉应力。另外，大体积混凝土常年暴露于大气中，有些部位与水接触，一年四季气温和水位的变化都会在混凝土结构中产生较大的拉应力。混凝土材料的抗裂能力低，抗拉强度一般仅为抗压强度的十分之一。当温度变化引起的拉应力超过混凝土的抗拉强度时，即可产生裂缝。

在大体积混凝土结构内一旦出现大的裂缝，要通过修补来恢复结构的整体性是很困难的。对于大体积混凝土结构的裂缝，应以预防为主。由于裂缝问题牵涉的因素较多，施工周期较长，经验表明，要完全防止大体积混凝土结构的裂缝，既有可能，又很不容易，需要从结构、材料、施工等各个环节入手。结构形式对温度应力和裂缝的出现有重要影响，国际国内早期修建较多的大头坝、支墩坝、宽缝重力坝等，由于使用薄壁结构，结构形式复杂，无一例外地出现了严重裂缝。目前最常用的实体重力坝、拱坝的危害性裂缝相对较少。合理的分缝分块也是防止裂缝的有效措施。多年实践表明，当浇筑分缝分块尺寸控制在15×15m左右时，温度应力已比较小，较少出现基础约束裂缝。防止裂缝的另一个重要因素是材料。通过合理的材料配合比设计，选择具有极限拉伸应变大、水化热低、收缩变形小的配合比，有利于防裂抗裂。

防止裂缝发生的最常用、最重要的手段是温度控制。温度控制主要是控制三个温差，即基础温差、内外温差、上下层温差。由于这三个温差都与混凝土内部的最高温度有关，因此，直接控制对象即是混凝土的最高温度。除采取骨料冷却等措施降低混凝土的入仓温度、通水冷却、仓面保温、洒水养护等传统措施外，我国的工程技术人员又开发了仓面喷雾防止高温倒灌等温控措施。大量的工程实践表明，大部分裂缝都与内外温差有关。当混凝土内部温度较高，而外部温度较低或遇寒潮温度骤降时，由于内外温差过大引起拉应力超标，进而导致混凝土开裂。减小内外温差、防止表面裂缝的有效手段即是表面保温。除施工期的临时保温外，部分大坝已采取外贴保温板(如聚乙烯苯板等)、喷涂泡沫保温材料等，进行长期或永久保温。

二、碾压混凝土的温控及防裂

碾压混凝土是上世纪后半叶发展起来的一种新技术，它是借用土石坝施工方法进行铺筑、振动碾压的干硬性混凝土，具有上升速度快、施工简单、造价低等优点。

碾压混凝土一般掺大量粉煤灰，与常态混凝土相比水泥用量大大减少，绝热温升相对较低。施工时厚度相对较小，似乎易于散热，因此在碾压混凝土问世初期人们曾一度认为碾压混凝土已不存在温度控制问题。同时认为碾压混凝土坝的横缝间距可以超过l00m，甚至可以不分缝。因此，早期国内外对碾压混凝土的温度应力和温度控制均不够重视。

随着研究的深入和工程经验教训的不断积累，人们逐步认识到碾压混凝土同样需要严格的温度控制和适当分缝。专家研究发现：碾压混凝土虽然具有水泥用量少、绝热温升低的优点，但因大量掺用粉煤灰，水化热散发推迟，而碾压混凝土上升速度较快，施工中层面散热不多，因此碾压混凝土中的水化热温升并不太低；由于水泥用量少、碾压混凝土的徐变度较低，极限拉伸值也略低，从而使抗裂能力较低；碾压混凝土浇筑仓面大、块体长，在同样温度作用下温度应力较大；碾压混凝土浇筑温度高，寒潮、冬季低温也同常态混凝土一样容易引起裂缝。因此，碾压混凝土仍然存在温度控制问题。实际上国内不少碾压混凝土坝也都出现了裂缝问题，有些甚至出现了较严重的裂缝问题。

除以上特点外，与常态混凝土相比，碾压混凝土坝还有一个重要特点即是坝体降温速度慢，坝内持续高温。碾压混凝土坝一般不铺设冷却水管，少量使用冷却水管的大坝，也因无接缝灌浆要求而不进行二期通水冷却，坝体冷却只靠自然散热，当坝体较厚时，温度要降到稳定或准稳定温度场需要一个较长的过程，有的需要几十年甚至上百年。因此，在很长的一段时间内，坝内持续高温会有较高的内外温差。

碾压混凝土裂缝按发生的时间可分为施工期裂缝、建成早期裂缝和后期裂缝三种。

施工期坝内温度高，气温骤降、寒潮等很容易引起过大的内外温差，从而在混凝土表面引起超标拉应力导致开裂。施工期的裂缝不仅会发生在低温季节，高温季节遇连续阴雨或温度骤降时，同样会出现这个问题。另外，如果在夏季高温季节停工，汛期度汛，坝体过水，当水温较低时，也会因冷击引起混凝土的表面裂缝；在老混凝土上浇筑新混凝土，当新老混凝土温差过大时，也有可能因新老混凝土的相互约束引起裂缝。

大坝建成早期，表面一定范围内的混凝土温度逐步下降，约束区的混凝土与基础的温差加大，遇低温季节和水库蓄水冷击等因素时，易在上下游表面引起较深的裂缝。上游面的浅层裂缝如果进水，则会因水力劈裂的作用发展成深层裂缝，部分会穿透防渗体，对大坝的防渗体和安全带来不利影响。另外，由于大坝建成早期内部混凝土持续高温，冬季低温季节内外温差加大，尤其是当遇到寒潮时，极易出现表面裂缝，并逐渐发展成深层裂缝。

随着大坝的长期运行，坝体内部温度缓慢下降，使约束区混凝土的基础温差与高、低温季节浇筑的混凝土的上下层温差不断加大。当这两种温差引起的拉应力超过混凝土的抗拉强度时，会产生裂缝。这种裂缝会出现在大坝长期运行之后，对于高碾压混凝土重力坝来讲，将出现在大坝完工数十年后。

另外，由于碾压混凝土抗渗性能差，一般要在上游面布置一层二级配混凝土、富浆混凝土或变态混凝土防渗层。由于防渗混凝土的水泥用量大，绝热温升高，尤其容易出现裂缝，这会破坏防渗层，水渗入后还有可能出现水力劈裂，危害较大。