论大体积混凝土的温控和防裂

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 论文关键词:大体积混凝土;温度控制;防裂措施

  论文摘要:在大体积混凝土中，温度应力及温度控制具有重要的现实意义。然而，不管采取什么措施，大体积混凝土都会产生温度裂缝，不仅影响美观，而且可能会影响到结构的整体性和耐久性。本文扼要叙述了温控设计的基本要点及温度裂缝产生的原因。概述了提高大体积混凝土抗裂能力的主要因素及一些防裂措施。   一、前言   随着我国建筑行业施工技术的不断提高，大体积混凝土技术已广泛应用于工程项目中，大体积混凝土坝的裂缝及其防治一直水水电工程界十分关注的重大技术问题，研究温度控制及防裂措施具有十分重要的意义。   二、温度控制要点和温度裂缝产生原因   大体积混凝土如混凝土坝的温度控制是混凝土坝设计中的重要问题，对于保证混凝土坝工程的质量、加快施工进度等方面，起到关键性作用。在混凝土温度控制设计中，一般以基础温差的设计为重点，以单独浇注块的温度应力为理论基础，在限制应力或应变的条件下估算允许温差。实践表明，浇注块的分块尺寸越小，应力越小，基础允许温差就越大。   混凝土标号高，防裂能力强，但因水泥用量增加，故水化热温升也较高，从而使浇筑块早期约束应力较大，后期冷却约束拉应力也较大。浇筑层厚度对水化热温升有直接的影响，薄层浇筑水化热温升较低，冷却后约束应力较小。一般浇筑块高度超过4.5m时，大坝内部混凝土基本上处于不散热的绝热状态。   对大坝混凝土的温度控制，最关键的是要掌握混凝土的温度变化规律和将温度应力控制在混凝土的允许范围内。在施工过程中，混凝土温度场及应力场的变化过程是相当复杂的。在设计计算中，需要模拟实际施工过程，考虑各种复杂因素，如混凝土的弹性模量、线胀系数、徐变、抗拉强度、极限拉伸值、热力学指标、温度、荷载、自生体积变形等。   大体积混凝土结构，浇注后水泥的水化热很大，由于混凝土体积大，聚集在内部的水泥水化热不易散发，混凝土的内部温度将显著升高，而混凝土表面则散热较快，这样形成较大的温度梯度，引起较大的表面拉应力而超过混凝土极限抗压强度，就会在混凝土表面产生表面裂缝。这种裂缝多发生在混凝土浇注后的升温阶段。如果此时混凝土表面不能保持潮湿的养护环境，则混凝土表面由于水分蒸发较快而使初期的混凝土产生干缩，加剧裂缝的产生。这是混凝土浇注后由于温升产生的第一种裂缝。   由于温升影响产生的第二种裂缝是收缩裂缝。这种裂缝产生在混凝土的温降阶段，即当混凝土降温时，由于逐渐散热而产生收缩，再加上混凝土硬化过程中，由于混凝土内部拌和水的水化和蒸发，以及胶质体的胶凝等作用，促使混凝土硬化时收缩。这两种收缩，在收缩时由于受到基底或结构本身的约束，会产生很大的收缩应力，如果产生的收缩应力超过当时的混凝土极限拉升强度，就会在混凝土中产生收缩裂缝，这种裂缝有时会贯穿全断面，成为结构性裂缝，带来严重的危害。   三、防止混凝土裂缝的传统技术措施   为了防止产生危害性的裂缝，必须采取一系列技术措施包括合理选择混凝土原材料，严格控制施工质量，严格控制混凝土温度，选择合理的分缝分块和结构形式等。   （一）水泥水化热温度   1、选用低热或中热水泥（如矿渣水泥、火山灰质水泥或粉煤灰水泥）配制混凝土。   2、使用粗骨料：渗加粉煤灰等渗和料、或渗加减水剂，改善和易性，降低水灰比，控制塌落度，减少水泥用量，降低水化热量。   3、利用混凝土后期（90天、180天）强度，降低水泥用量。   4、在基础内部预埋冷却水管，通入循环冷却水，降低混凝土水化热温度。   5、在厚大无筋或稀筋的厚大混凝土中，掺加20%以下的块石吸热，并节省混凝土。   （二）降低混凝土浇灌入模温度   1、避开热天选择较低温季节浇筑混凝土：对现浇量不大的块体，安排在下午3时以后或夜间浇筑。   2、夏季采用低温水或冰水拌制混凝土，对骨料喷冷水雾或冷气进行预冷，或对骨料进行护盖或设置遮阳装置，运输工具加盖防止日晒，降低混凝土拌和物温度。   3、掺加缓凝型减水剂。采取薄层浇灌，每层厚20～30cm，减缓浇筑强度，利用浇筑面散热。   4、在基础内设通风和加强通风加速热量散发。   三峡工程针对高标准的混凝土温控标准，各个环节均采取了有力、有效的温控措施。如对混凝土用量最大的原材料——粗骨料采取两次预冷，即在进拌和楼前，在料仓内吹冷风进行一次风冷；进拌和楼后，又在贮罐内进行二次风冷，使各级骨料平均温度达到零下1～6℃。拌和时，加冷制水掺片冰拌和，用以控制混凝土的浇筑温度。在坝体内散布安装冷却水管，混凝土浇筑后即开始通冷却水，用以控制坝体最高温度，并使坝体提前达到稳定温度。（三）提高混凝土极限拉伸强度   1、选择良好级配的粗骨料，严格控制其含泥量，加强混凝土振捣，提高混凝土的密实度和抗拉强度，减少收缩，保证施工质量。   2、采取二次投料法，二次振捣法，浇筑后及时排除表面泌水，以提高混凝土强度。   3、在基础内设置必要的温度配筋，在基础突然变化、转折部位，底板与墙转折处、孔洞转角及周边部位，增加斜向构造配筋，以改善应力集中。   4、在基础与墙、地坑等接缝部位，适当增大配筋率，设暗梁，以减轻边缘效应，提高抗拉伸强度，控制混凝土裂缝开展。   5、加强混凝土的早期养护，提高早期相应龄期的抗拉强度和弹性模量。   四、防裂新技术   近30年来，随着科学技术的进步与工程实践经验的积累，通过多种途径，采取综合性措施来解决大坝混凝土的抗裂问题。其中氧化镁新材料和MgO水泥混凝土筑坝新技术的出现，打破了人们的传统认识，提出了筑坝新理论和筑坝新技术。据此，既可实现快速施工又大大拓宽和完善了水工混凝土筑坝防裂技术。实践证明，MgO混凝土筑坝技术是大体积混凝土施工的革命，是国内外筑坝技术的重大创新和突破。   采用MgO混凝土筑坝防裂原理是：在后天内中掺入适量的特制的轻烧MgO，利用MgO水化所释放的化学能转变为机械能，使混凝土产生自生体积膨胀，抵消其在温降过程中的体积收缩；也就是利用其独特的具有延迟性的、不可逆变形及长期稳定的微膨胀性能来补偿大坝混凝土在温降时的体积收缩和温度变形。更确切地说，就是利用MgO混凝土的限制膨胀来补偿混凝土的限制收缩，达到防裂目的。若辅以其它适当的综合性措施，可以取代传统的温控措施，如混凝土拱坝需分横缝，柱状、薄层、长间歇浇筑，预埋冷却水管冷却，封缝灌浆等施工工艺，实施通仓连续施工，大大加快了筑坝速度，从而实现了工程界长期希望达到的快速施工的目标。其防裂理论的基本特征是：把传统的通过预冷来降低和控制混凝土筑坝温度的办法，改为调节后天控制大坝混凝土的体积变形，达到大坝防裂的目的。   这项筑坝防裂新技术从1990年初开始，已先后在我国大中型水利水电工程中得到成功应用，其中包括常规混凝土和碾压混凝土重力坝（拱坝），碾压混凝土坝周边及上游防渗体、基础垫层垫座、基础深槽、填塘封洞、导流洞封堵、闸坝工程、厂坝连接及导流底孔、压力钢管外围回填等不同工程部位都应用了外掺MgO混凝土筑坝防裂新技术，并且都取得了成功和达到了预期效果。   五、结束语   由于混凝土本身的特性，大体积混凝土温度裂缝是不可避免的，但是，有害的裂缝是可以控制的，只要通过事前、事中、事后采取相应的措施，从各个方面入手进行有效的控制，就能减少温度裂缝的产生及发展，提高大体积的质量。