水工混凝土裂缝的防止

　　水工混凝土裂缝的防止王国秉1宝瑛1王历1朱新民1江光亚1李文芳2赵玺3（1中国水利水电科学研宄院2山西黄河水利工程咨询有限公司3山西省引黄工程总公司偏关项目部）文摘：本文从混凝土的力学和热学物理性能出发，从力学观点阐明了水工混凝土裂缝发生的原因，并提出了保证基础块混凝土不产生贯穿性裂缝和表面裂缝的条件。作者结合多年的工程实践和研宄成果，简要介绍了对防止水工混凝土裂缝一些措施的认识，可供从事水工混凝土设计。施工。科研的人员借鉴。

　　1概述大体积水工混凝土自浇筑开始，就要经受外界环境和其本身的各种因素的作用，使混凝土中任一点的位移和变形不断地变化，从而产生了应力。一般情况下，当应力超过了混凝土的极限强度，或其应力变形超过了混凝土的极限变形值，由混凝土构成的结构物就要产生裂缝。裂缝发展到严重程度，结构物因失去承载能力而破坏。由于混凝土本身存在着抗拉强度低、极限拉伸值小这种缺点，而水工混凝土又多半是大体积素混凝土和少筋混凝土，所以要想避免结构产生裂缝，不是轻而易举的；K考虑混凝土早期温升作用的应力折减系数，一般可取0.混凝土的自生体积变形，当e0为膨胀时取负值，e为收缩时取正值；n考虑随龄期发展的折减系数，小于1.0.若膨胀（或收缩）主要发生在早龄期（如低热微膨胀水泥混凝土），n=0.05 ~0.1若其变形主要发生在晚龄期，可取n=0.7~0.9（如抚顺大坝水泥混凝土）。

　　A尸上二，Er地基的弹性模量；L浇筑块长度。

　　此式即为保证基础块混凝土不产生贯穿性裂缝的近似条件。

　　22防止施工期混凝土表面裂缝的条件对于施工期混凝土的表面裂缝，其破坏力如式（2）。如果混凝土早龄期时完全不进行养护而任其干缩，则巧将很大。即使是目前能够制出的干缩小的混凝土，也有可能产生干缩裂缝。所以对于现浇的大体积混凝土来说，必须提出养护的要求。实际上只要认真养护，是可以使干缩徐变应力巧变为很小的，因而在设计中不计入干缩应力。

　　对于自生体积变形应力力，根据水工大体积混凝土的特点，目前的有关规定要求自生体积变形为膨胀或至少不收缩。一般在设计龄期90d内有10X1（T6的膨胀量时，则在与基础接触浇筑层交界面上，约有0.05~0.08Mpa的压应力，若为同量的自生体积收缩，则得到相同数量的拉应力。

　　对于温度应力化它可分解为两部分，一为由混凝土本身水化热温升与初始温差升温引起的，一为环境温度变化的影响。对于前者，初始温差升温的作用产生压应力；水化热温升的作用在3~5d以前表面为压应力，此后由于降温作用，逐渐转变为拉应力。但这些早龄期的应力，不足以使混凝土表面产生裂缝。使混凝土在早龄期产生表面裂缝的激发力，是环境温度的急剧变化和较长时间的表面环境温度的下降，即寒潮袭击和新浇混凝土越冬。严格说来，要计算实际工程的此种应力，应该采用三维有限元法比较合理准确，但比较费时、费事、费钱。现在为了探讨各种因素对防止表面裂缝的作用，可以适当简化。中国水利水电科学研究院结构材料所、朱伯芳1986年在“混凝土保温能力计算”中提出将寒潮气温的变化以及气温年变化，近似简化为按正弦函数变化，分两种情况分析应力：（1）假设混凝土为半无限体（单向散热）。在寒潮和混凝土越冬时，应力公式为A气温变化振幅。

　　上，当寒潮时，Q为寒潮降温时段长度；当计算混凝土越冬时的应力，Q为气温年变化的1/4周期。X为混凝土导热系数（wAm.K）），P为放热系数（WWm！K）），其它符号代表意义同前。

　　（2）假设混凝土为1/4无限体（两向散热）。棱角上应力公式为混凝土产生贯穿性裂缝和表面裂缝的作用，从而可确定防止裂缝应采取的措施。

　　3防止水工混凝土裂缝的措施3.1提高混凝土的抗裂能力提高混凝土的抗裂能力，是一种综合的概念，一70.80.93.3.2水化热温升高的问题浇筑分层厚度Ah般包括以下几个方面：提高混凝土的抗拉强度和极限拉伸值；提高混凝土的徐变度以使应力有较大的松驰；在提高混凝土抗拉强度的同时适当降低混凝土的弹性模量或变形模量；降低混凝土的热膨胀系数；提高混凝土的比热，选择适当的导热系数；适当提高混凝土的自生体积膨胀量，尽可能不使用自生体积收缩的混凝土；降低混凝土绝热温升总量，其发展曲线应与分缝分层、降温措施相匹配；降低混凝土水分扩散系数与干缩系数。

　　当然对每一种结构混凝土，不可能全部达到上述要求。这些要求是一种努力的目标。至于抗压、抗渗、抗冻等要求，自然必须首先满足。

　　3.2减小混凝土结构中的应力和变形关于减小结构的应力和变形方面，其重要性是容易理解的。其内容包括以下几项：减小混凝土中的水化热温升；选择适当的分层厚度；适当地分缝，减小浇筑块体长度以减小约束应力；选择较好的体型，尽量减小暴露面，减小恶劣环境影响产生的应力；在结构上尽量采用减小应力集中的布置；尽量减小结构的干缩变形，特别在早龄期；尽量在不影响或少影响施工进度的前提下，采用施工分缝或预留槽的措施，变静不定结构为自由变形的静定结构，以减小约束应力；充分利用温度控制措施，减小温差而降低温度应力。

　　一个好的设计会充分利用一切天然的和人工的可能条件，以达到上述全部或部分条件，大限度地避免裂缝发生，提高工程质量。以上各种因素对结构发生裂缝的作用，以及防止混凝土裂缝的结构措施和施工措施，将在另文中详细叙述，以下讨论若干问题。

　　3.3若干问题的讨论3.3.1提高混凝土极限拉伸值的问题式（9）为保证基础约束部位混凝土不发生贯穿性裂缝的条件。不等式右端为容许的混凝土极限拉伸变形，左端为温度作用和自生体积变化产生的拉伸应变。显然，若能获得自生体积变化为膨胀的混凝土，则可直接抵消左端的拉伸应变而减小破坏力。

　　其次，在其他条件不变时，若能提高混凝土的极限拉伸值，对防止裂缝也是十分有利的。

　　提高混凝土极限拉伸值的方法，从目前的研究成果看，主要有以下几种措施，即提高混凝土的抗拉强度、加水泥用量和采用表面粗糙而且弹性模量低的骨料等。由于造价、运输和地域方面的限制，后两种措施只有在特殊情况下才有可能采用。就目前的技术水平看来，想提高普通混凝土的抗拉强度，比较简单的措施是适当提高混凝土的标号，从而也提高了极限拉伸值。由在一般情况下与混凝土标号之间可写成下式：由式（14）可得表1，表中也列入前苏联建筑法规（CHnil5677冲有关数据。

　　由表1可见，当混凝土标号提高后，其Sp值也随之提高，但是混凝土标号的提高也带来一系列问题：水化热温升加；水泥用量加、也加了造价；混凝土弹性模量提高；混凝土徐变度减小等。关于提高标号后水泥用量加，反映在经济上的问题显然是加造价。

　　表1混凝土标号与极限拉伸关系由于提高标号使混凝土单位水泥用量提高，绝热温升也高。当浇筑分层厚度不变时，在低粉煤灰掺量和正常的间歇时间条件下，则水化热温升与混凝土的终绝热温升00成正比，即一般的常规混凝土，Z值如表2.表2Z值Cc水泥用量；C、P分别为混凝土的比热和容重。

　　由式（15）、（16）可知，欲使Tr低，则必须要浇筑层薄、水泥用量少、水化热低。CP―般变化不大，影响较小。以上是不进行一期水管冷却的情况。若施工时采用了一期水管冷却，水化热温升Tr由下式计算：水管进口水温为6~8C时，近似地可按表3查出。采用一期水管冷却时，Tt不仅与水管间距有关，且水管进口水温值也有影响。

　　表3不同水管间距的ATr值按（9）式，当Tr高时，温度拉应力也加，这又是一个不利因素。

　　3.3.3混凝土弹性模量高问题混凝土标号提高后，其弹性模量也随之高。

　　由简化的公式（9）中，Ec未在出现似乎裂缝问题与弹性模量无关。其实Ec的作用隐含在A，A2和Kp中。以下加以简单说明。

　　若浇筑块为正常浇筑块（正常浇筑块定义为高宽比大于0.5的浇筑块），在式（7）中，Ai为Ec/Er的函数，A2为Ec/Er和L的函数，即A1= 1和表明了Ai和A2与Ec/Er的关系。一般说来，当建筑物所处位置确定后，要改变Er是很困难的。Ec的改变却对结构的Ai和A2有影响。如Ec提高一倍，A1降低约23；2约降低18~25随块体长度L的减小而加。

　　AL关系3.3.4混凝土徐变度减小的问题混凝土在外荷载作用下，立即产生弹性变形ey，随持荷时间的长，其变形不断加。长的变形扣除补偿变形（不加荷试件的变形）即称为徐变变形C.为应用方便起见，定义单位应力作用下的徐变变形称为徐变度，即e徐变变形与补偿变形之和，1　　本文研究假定温差和自生体积变形都是单调有界函数，于是由弹性徐变理论，根据拉氏变换的终值定理，计算基础块的后期应力，可以采用长期变形模量代替瞬时弹性模量，即1+EcC-E（m）混凝土长期变形模量；混凝土终弹性模量，对于一般混凝土可取90d的值；C混凝土徐变度表达的C（T=m）=C.：，随表达式C（T）=C（T）（1ek（1t））中C（t）的形式取值。

　　从式（20）看出，松驰系数Kp与混凝土弹性模量和徐变度有关。如果混凝土的弹性模量提高是由于提高标号得到的，则提高标号后徐变度又减小，所以松驰系数Kp与混凝土标号的关系，要看乘积EcC的大小而定。前苏联全苏水工研究院（BHHHI）用下式表示混凝土的徐变度：评价，对基础块混凝土来说，可近似地依据式（9）进行。一般讲当提出一种可行的混凝土设计方案和施工方案后，按式（9）来进行综合评价，就是要求出实际施工时的浇筑温度Tp：因此当T中，应用非线性数学规划理论，将经济因素差一倍。因此在现场允许的条件下，应尽量选用a值小的岩石作骨料。石灰岩骨料不但a值小，拌制的混凝土弹性模量低、极限拉伸值也大，施工时应优先米用。

　　以上从式（9）出发，讨论了有关各种因素在防止裂缝中的作用。从技术和经济方面分析，可以说混凝土的各种热学和力学性能之间，互相联系又互相制约。如为了提高混凝土的抗拉强度和极限拉伸变形，往往应使拉应力和拉伸应变也加了。所以不能仅仅从某一个单个因素来判断这种混凝土抗裂性的优劣，必须进行综合评价。从技术方面综合考虑进去，对混凝土坝温度控制进行优化设计，这是目前更为合理和准确的方法。

　　6关于防止表面裂缝问题（13）进行分析。显然松驰系数、导热系数、弹性模量、热膨胀系数和寒潮降温幅度各因素的数值大，则产生的应力也大，反之也小。这些情况反映在混凝土的性能上，则高标号混凝土松驰系数大，其弹性模量也高，因而在相同降温幅度下，产生的应力就大。

　　混凝土的A和a与骨料的岩石品种有关，石英岩、石灰岩和白云岩的X较高，寒潮时温度应力较大。对于掺粉煤灰混凝土，研究表明：对降温幅度较小的寒潮（降温6C以下），不掺粉煤灰的混凝土早期抗裂性较好。在较大的寒潮下（降温8C以上），不论掺与不掺粉煤灰，混凝土都无力抵抗，必须采取表面保护措施（见中国水利水电科学研究院材料所，岳耀真，丁宝瑛，1987年8月“掺粉灰混凝土早期抗裂性的有限元分析4结束语要完全防止水工建筑物混凝土的裂缝是十分不易的，但绝不是不能做到的。一般在设计和施工中，应采取可靠的措施，完全避免基础贯穿性裂缝，并尽量避免表面裂缝。对于表面裂缝，因为多发生在混凝土浇筑后的早龄期，一般都处在不稳定状态，将随着龄期长，随应力应变状态的变化而变化。所以要特别注意基础约束区发生的表面裂缝。因为基础约束范围内的混凝土，处在大面积拉应力状态，所以在这种区域产生了表面裂缝，则极有可能发展为深层裂缝，甚至发展成贯穿性裂缝。若能设法避免基础约束区的表面裂缝，且温差控制适当，则基本上可避免水工建筑物混凝土出现贯穿性裂缝。

　　举世瞩目的山西省万家寨引黄入晋工程具有枢纽大坝、地下引水隧洞、地下泵站、调节水库、渡槽、埋涵、发电站、分水闸倒虹等100余座建筑物，因而防止各类水工建筑物发生裂缝的任务十分艰巨，本文从混凝土的力学和热学物理性能出发，从力学观点阐明了水工混凝土裂缝发生的原因，并提出了水工混凝土不产生贯穿性裂缝和表面裂缝的条件，简要阐述了对防止水工混凝土裂缝一些问题的认识，可供从事引黄工程水工混凝土设计、施工、科研的人员和借鉴。