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大体积混凝土裂缝及温度应力研究 摘要 大体积混凝土在固化过程中释放的水化热会产生较大的温度变化和收缩作 用。因此而产生的温度和收缩应力是引起混凝土出现裂缝的主要原因，混凝土 开裂影响结构的整体性、防水性和耐久性，危害结构安全。为此在施工过程中 应当考虑混凝土裂缝的控制问题。为了进一步探求大体积混凝土裂缝形成机理， 为施工现场裂缝控制提供一定的依据，论文从热传导原理和地基上长墙计算模 型出发，考虑大体积混凝土温度应力的主要影响因素，分析了大体积混凝土裂 缝的形成机理，总结了裂缝控制方法。结合具体的工程实践，通过实验及数据 分析，从混凝土的原材料、配合比、外加剂等方面研究提出了裂缝控制措施。 通过对施工中温度、应力测试结果与设计计算结果的分析对比，讨论了施工现 场温度控制措施的效果，并提出了裂缝控制的一些建议。 关键词：大体积混凝土；裂缝控制；温度应力：温度场；水化热 r e s e a r c ho nc r a c ka n dt e m p e r a t u r es t r e s so fm a s s i v e c o n c r e t e a b s t r a c t r e l e a s i n gs t e a mh e a tf r o mt h em a s sc o n c r e t es t r u c t u r e sw h i l es o l i d i f y i n gl e a d s t op r o d u c et h et e m p e r a t u r ec h a n g ea n dc o n t r a c t i o n t h e yc a l l s et h ec o r r e s p o n d i n g s t r e s s e sw h i c ha r et h em a i nf a c t o r st of r o mc r a c ki nt h em a s sc o n c r e t es t r u c t u r e s i ti s o b v i o u sf o rc r a c kt od e s t r o yt h ec o m p l e t e n e s s ，a n t i - w a t e ra n dw a t e r - t o l e r a n tb e h a v i o r o ft h es t r u c t u r e sa n dt ob e c o m eah i d d e np e r i lo ft h es t r u c t u r e s t h u s ，c r a c kc o n t r o l m u s tb ec o n s i d e r e dw h i l eam a s sc o n c r e t es t r u c t u r ei si nc o n s t r u c t i o n i no r d e rt o s e e kt h er e a s o n so fc r a c ki nm a s s i v ec o n c r e t ea n dp r o v i d eas p e c i f i c a t i o n sf o r p r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，t h i sp a p e rm a i n l y f o c u so nt h e t h e r m o c o n d u c t i v i t y f u n d a m e n t a l sa n dt h em o d e lo fl o n gw a l lo nt h es u bg r a d e ，t h e na n a l y s et h er e a s o n s o fc r a c ki nm a s s i v ec o n c r e t ea n dc o n c l u d et h em e a s u r e so fc r a c kc o n t r 0 1 t h i sp a p e r c o n b i n i n gt h ee n g i n e e r i n g ，s t u d yt h em e a s u r e so fc r a c kc o n t r o lf r o mo r i g i n a lm a t e r i a l ， m a t c h ，a d m i x t u r eb ye x p e r i m e n ta n dd a t aa n a l y s i s b ym e a n so fc o m p a r i n gt h e t e s t i n gd a t ao ft e m p e r a t u r ea n ds t r e s sw i t l lc a l c u l a t i n gr e s u l t s u m m a r i z et h ee f f e c to f c r a c kc o n t r o lm e a s u r e sa n dp r o p o u n ds o m eu s e f u ls u g g e s t i o n sf o rw o r k s i t e k e y w o r d s ：m a s s i v ec o n c r e t e ；c r a c kc o n t r o l ；t e m p e r a t u r es t r e s s ； t e m p e r a t u r ef i e l d ；h e a to f c e m e n th y d r a t i o n 表z 一1 表2 2 表3 1 表3 2 表3 3 表4 一l 表4 2 表4 3 表4 - 4 表4 5 表格清单 大体积混凝土裂缝特征8 含泥量及泥块含量指标2 l 隐式差分求温度场算例3 9 一般条件下应力松弛系数表4 5 忽略混凝土龄期影响的松弛系数表4 6 粉煤灰品质指标4 8 水化热试验结果4 8 混凝土配合比及性能检验4 9 各层最高温度和最大温度主拉应力4 9 最大温度应力5 4 图2 1 图2 2 图2 - 3 图2 - 4 图2 - 5 图2 - 6 图3 一l 图3 - 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 - 8 图3 - 9 图4 一l 图4 2 图4 3 图4 - 4 插图清单 微裂计算模型图 大体积混凝土结构裂缝类型示意图 骨料品种对水泥砂浆和混凝士膨胀系数的影响图 大体积混凝土水量蒸发曲线图 混凝土强度的随机分布图， 混凝土浇筑法图 混凝土温度和弹性模量的变化过程图 微元体示意图 内点温度计算示意图 一维数值计算图 绝热边界图 左边界计算图 地基上长墙裂缝图 长墙受地基约束计算简图 应力图 锚碇浇筑分层图 冷却水管平面布置示意图 北锚碇a 4 层断面平均温度历时曲线 北锚锭a 4 层3 号应变计历时图 屉一国挖孔盯嬲弛弛辐聃蛆铊h肌弱 ! | 一 一 一 ： 一 一 一 一 一 一 一 一 一 i|一|；|；|；| 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果也不包含为获得 金胆王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同： 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：；多f 习井卫 签字日期： 。占年，阴垆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹王些态坐有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和借阅。本人授权金 壁至些叁堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：三，多f 钥术又 导师签名 签字日期：d 年p 蒴c 佃 学位论文作者毕业厩去向： i ：作单竹： 通讯地址： 甏砼 签字日期；。z 年。珀i 阳 电话 邮编 致谢 值此论文完成之际，谨向我的导师蔡敏教授表示真诚的感谢! 导师对我研 究生阶段的学习及论文的撰写自始至终提供了很多的帮助，倾注了大量的心血， 对我论文的选题、修改直至定稿一直给予热情的精心的指导，提出了很多宝贵 的修改意见。 同时，导师渊博的知识，孜孜不倦的、严谨的求学态度，热情谦逊的人品， 平易近人的作风都给我留下了终生难忘的印象，是我以后学习、生活和工作中 的楷模，使我终生受益。 感谢付辉、于景洋、张扬永、孙浩、石飞停等同学在生活与学习中给予的 帮助! 最后，感谢我的父母、姐姐，我学业的顺利完成离不开他们的支持，他们 是我克服困难的动力! 十八年的学生生活转眼即逝，感激之情油然而生，无以回报这么多关怀过我的师 长与朋友，唯有将来努力工作，奋斗不惜。 1 1 基本概念 1 1 1 大体积混凝土【l 】 第一章绪论 水泥混凝土是一种家喻户晓的建筑材料，它的发展虽只有1 0 0 多年，但如 今己成为世界上应用最广、用量最大、几乎随处可见的建筑材料。广泛用于工 业与民用建筑、港口、道路桥梁、大坝等工程中。如果一个混凝土结构，在温 度或湿度变化引起体积变化的情况下，能够自由收缩或膨胀，这个结构的混凝 土就不会开裂。实际上，混凝土的各部分在不同程度上都受到一定的约束，它 不能自由的收缩，差异应变产生的拉应力大于抗拉强度时便产生裂缝。 港口工程、桥梁工程以及其他土木工程中有一些钢筋混凝土结构尺寸较大， 由于结构尺寸较大，水泥水化热引起的混凝土温度升高，不易及时的散发，形 成较大的温度差异，温差引起的体积变化，常常导致受约束的混凝土开裂。对 于大体积混凝土，通常认为是体积很大的现场浇筑的混凝土，其尺寸大到必须 采取措施以对付水泥水化发出的热量以及伴随发生的体积变化，尽量减少温度 裂缝。直观的讲，最小尺寸大小2 m 左右的混凝土都可以称之为大体积混凝土。 日本建筑学会标准( 3 s s s ) 的定义为：“结构断面最小尺寸在8 0 c m 以上，水化 热引起混凝土内的最高温度与外界气温之差预计超过2 5 的混凝土，称为大体 积混凝土。”美国混凝土协会a c l 2 0 7 认为大体积混凝土是“现场浇筑的混凝土， 其尺寸大到必须要采取措施解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限 度减少开裂”。同时，美国混凝土协会还认为，结构最小尺寸大于0 6 m 时就应 考虑水化热引起的混凝土体积变化和开裂问题。国际预应力混凝土协会( f i p ) 在“海工混凝土设计与施工建议”中规定，“凡是混凝土一次浇筑最小尺寸大于 0 6 m ，特别是水泥用量大于d o o k g m 3 时，应考虑采用水化放热慢的水泥或采取 其他的降温散热措施”。 我国港口、桥梁工程经验说明，泵房、大型的挡土墙、桥墩等大体积混凝 土结构在浇筑时如不采取适当的温控措施，因水化热会导致混凝土开裂。 1 1 2 温度应力 大体积混凝土施工过程中，因水泥水化时放出大量的热量，丽混凝土本身 又有一定的保温性能，所以导致其内部温升幅度比表面大得多，而在升温峰值 的降温过程中，内部降温速度又比表面慢。在这些过程中，混凝土由于温度的 升降变化而引起的应力称为温度应力。根据引起应力的原因，温度应力可分为 以下两类【2 j ： ( 1 ) 自身应力：边界上没有受到任何约束或者完全静定的结构，如果内部温 度是非线性分布的，由于结构本身的互相约束而出现的湿度应力。 ( 2 ) 约束应力：结构的全部或者部分边界受到外部约束，温度变化时不能自 由变形，从而引起的温度应力。 在静定结构中一般只会出现自身应力，但是在超静定结构内可能同时出现 约束应力和自身应力。 1 2 研究现状 l2 1 温度应力的研究 在大体积混凝土结构中，温度变化对结构的应力状态具有重要的影响。有 时温度应力可超过其他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极为重要。 在大体积混凝土问题上，朱伯芳 1 l 等人早在七十年代初就进行了水工混凝 土结构的温度应力和裂缝控制的研究。通过研究水工混凝土结构的温度、温度 应力的变化规律，得出了运用有限元法进行温度应力计算，并提出了控制温度 防止裂缝的技术措施。如：混凝土分块浇筑，混凝土水管冷却，混凝土浇筑前 的预冷等。 文献 3 】中介绍了几种防止裂缝的方法。文中通过对几个试验的描述，介绍 了温度对弹性模量的影响，开裂框架的温度和拉力受时间的影响，由温度引起 的拉力等。 文献 4 中作者在上世纪九十年代初对于混凝土的早期情况，利用裂缝温度 的关系估计了混凝土开裂的趋势，并得出了经验公式。 文献 5 中s t i n gb e r n a n d e r 等学者对早期的混凝土的热应力和热裂缝做了 许多试验，通过试验提出了理论模型，并编成程序，可以进行不同工况下的混 凝土的分析。从具体实例分析得出结论：为了控制结构开裂，仅只考虑早期温 度场是有局限的，我们还应注意到结构不同构件中的不同的轴向和环向约束， 早期混凝土的短时力学性能的影响等。 文献 6 提出一分析模型来对箱型梁大桥的温度和应力分布进行预测。分析 过程中充分考虑了环境、材料性质、桥的截面形状以及所处地点的影响，最后 并对比了分析推导的结果和试验结果，情况良好。 1 2 2 混凝土的力学研究【7 l 大体积混凝土产生裂缝的原因很多，但总的来说，大多是由于混凝土水化 热引起的温度应力及收缩作用超过了混凝土抗拉强度，或者说是，从变形角度， 我们认为温度及收缩变化而引起的约束拉应变超过了混凝土的极限拉伸值。因 此，对混凝土抗拉力学性能进行试验研究是很有必要的。 在这方面，国内外一些学者有过许多研究。如苏联布拉茨克和克斯诺雅尔 斯克水电站试验表明混凝土轴向拉伸应变值变化范围为0 5 i 0 一1 0 l o 一。 法国鲍斯进行的轴向拉伸试验，在抗拉强度为2 0 5 m p a 时，极限拉伸值为0 9 1 0 。美国卡普兰在轴向拉伸试验中极限拉伸为0 8 1 0 。前苏联齐斯克列 提出当轴向抗拉强度为1 2 m p a 时，极限拉伸为0 7 1 0 一。我国一些研究单位 和工程单位对混凝土的极限拉伸值也做过不少研究。如丹江工程混凝土极限拉 伸值为0 5 8 l o 一0 8 2 1 0 。乌江渡工程为0 8 6 l o 一1 0 2 1 0 1 等。 1 2 3 裂缝控制的研究【7 】 裂缝控制的理论研究是随着科学计算水平的提高和试验技术的完善而逐步 发展的。工程中，混凝土结构裂缝在一定范围内是允许的，要想控制混凝土结 构不开裂是很难的，最主要是控制裂缝宽度在允许范围内。这在国内外都有研 究。 我国著名工程结构裂缝控制专家王铁梦在大量实践和现场实验研究基础 上，运用综合研究方法，结合设计、施工、材料、地基、环境等条件，最早提 出了“抗”与“放”的设计原则，通过实践提出了伸缩缝间距及裂缝控制的计 算公式。 裂缝控制中“抗”，主要是通过增加结构物的配筋以起到控制裂缝扩展，减 少裂缝宽度的作用。在实际工程中更多用到的是“以防为主”的原则，通过设 伸缩缝来解决问题。我国现行的钢筋混凝土设计规范( g b 5 0 0 1 0 - - - 2 0 0 0 ) 规定： 现浇钢筋混凝土连续梁式结构，处于室内或土中条件下伸缩缝间距为5 5 m ，露 天条件下为3 5 m ，无筋混凝土工程相应间距为2 0 m 或l o m ，与水工结构相近。从 上世纪五十年代后期开始，为了避免永久式伸缩缝带来的缺点，在一些重大工 程中经常采用临时性的伸缩缝( 也就是后浇缝) 来控制裂缝。如人民大会堂主 体结构选择后浇带宽达1 o m ，3 个月后浇筑成一整体，至今情况良好。某轧钢 车间主轧机基础于1 9 7 2 年7 月施工，混凝土量5 6 2 5 立方米，一次浇筑完毕。 采用3 2 5 及4 2 5 号矿渣硅酸盐水泥，水泥用量为每立方米混凝土3 2 0 3 7 7 k g ， 砂子为当地细砂，石子为当地河卵石。浇筑完毕四个月后开始发现裂缝，经仔 细检查，相继发现1 7 组裂缝宽达o 9 1 9 m m 。通过分析：主要是温度应力 及千缩应力引起，没有依规范合理设置伸缩缝。上海某广场大厦工程，于1 9 9 0 年8 月丌始浇筑混凝土，1 9 9 0 年1 1 月暂停，1 9 9 2 年1 0 月继续施工，发现裂缝 2 3 2 0 条，其中贯穿裂缝和深层裂缝达1 6 0 8 条，占总数的6 9 。经分析：主要 是后浇带设置不合理导致。但实际中也有2 0 0 多米长结构一次浇筑基本无开裂 情况。 国外的情况也是如此。前苏联及东欧等国家一贯以伸缩缝作为控制裂缝的 主要措施。德国对于设置伸缩缝的问题并无具体规定，只是在实践中取3 0 4 0 m m 。法国连续墙式结构设计采用3 0 4 0 m m 的伸缩缝间距。从上面可知，目前， 大多数国家均靠设置永久伸缩缝或后浇带来控制裂缝，间距l o 4 0 m 不等。 当然，除此之外，控制裂缝的措施还有很多。如：采用低水化热水泥：预 埋水管，通水冷却以降低温升；预冷混凝土降低浇筑温度等等。对每一个大体 积混凝土采用那些温控措施，我们应根据温度应力计算和经济分析才可以确定。 为计算混凝土的温度应力，必须了解混凝土的热物理性能力学变形性能，包括 混凝土的比热、导热系数、导温系数、徐交、抗裂性、极限拉伸等。 1 3 本课题研究的内容 1 3 1 问题的引出 改革开放以来，随着社会的发展，经济水平的不断提高，旖工技术的进步， 特别是建筑材料的革新，桥梁建设在满足经济、安全、功用、美观的基础上向 着大跨度方向发展。到目前为止，我国建成了许多大跨度斜拉桥和悬索桥。如： 位于江苏中部的江阴长江大桥为主跨1 3 8 5 m 的悬索桥，大桥锚体混凝土总量 1 1 9 0 0 0 立方米，其中主体部分锚块为3 3 7 0 0 立方米，鞍部为1 1 2 0 0 立方米，以c 3 0 混凝土为主【引。南锚碇大体积混凝土施工中采取了一系列防止温度裂缝的措施， 有、选用低水化热水泥。采用双掺技术，充分利用混凝土后期强度，以降低 水泥用量及水化热；、合理分层，薄层浇筑，以降低峰值温度：采取预冷 措施，降低混凝土浇筑时的温度，在混凝土内埋冷却水管等等。位于福建省内 的厦门海仓大桥是一座连接大陆和厦门岛的跨海悬索桥，全长1 1 0 8 m 。悬索桥 锚碇为重力式结构，锚锭由锚块和箱式基础组成，锚块实体棱台形结构，为大 桥的关键结构之一，主要承担主缆的拉力。锚块纵向3 2 m ，横向5 2 m ，最大高度 3 5 6 9 m ，采用c 3 0 混凝土。混凝土方量3 7 5 0 0 m 3 。该工程的主要施工及温控措施 有：( 1 ) 控制混凝士的入模温度。通过降低混凝土的原材料水泥、粉煤灰、砂、 石、拌和水等的温度，限制各月份混凝土的入模温度( 如8 月份入模温度不超过 2 8 ，一月份不超过1 5 。c ) 。( 2 ) 水管冷却。在每一建筑层的底面布置冷却水管， 进行一期冷却和二期冷却。( 3 ) 分块浇筑。锚块分为南北两块同期浇筑，中间 预留2 m 的后浇段，待混凝土温度降低至设计稳定温度后再采用微膨胀混凝土 封闭后浇段。( 4 ) 薄层浇筑。除顶层外，各层厚度都1 5 m ，其中1 3 层为0 4 m 4 1 2 m ( 为东厚西薄的楔形) ，4 6 层为1 0 m ，7 2 l 层为1 2 m ，2 2 2 7 层为1 5 m 2 8 层为2 6 9 m 。( 5 ) 控制浇筑间歇时间。层间浇筑的间歇时间控制在4 7 犬之内， 一般为5 de ( 6 ) 表面保温。当两天之内日平均气温下降6 8 时，即进行表面 保温。( 7 ) 温度监测。 在大体积混凝土施工过程中，如何防止因水泥水化热引起的裂缝，一直是 工程技术人员关注的问题。如果能够掌握大体积混凝土温度场温度变化和温度 应力变化的规律，我们就可以有针对性地控制裂缝的方法，以保证施工的质量， 这对于我国经济的发展有着重大意义。 1 3 2 本文的主要研究内容 1 、总结了裂缝的形成原因及控制裂缝的常用方法。 2 、介绍了大体积混凝土浇筑时温度场与温度应力的计算方法。 3 、结合具体工程，谈到了大体积混凝土浇筑时如何控制温度应力，以达 到尽量控制混凝土开裂的问题。 4 、对如何防止混凝土开裂提出了一些建议，并简要说明了裂缝的修补问题。 第二章大体积混凝土裂缝形成机理及控制 2 1 裂缝的种类 2 1 1 宏观裂缝和微观裂缝 混凝土是由水泥浆、砂子和石子组成的水泥浆体和骨料的两相复合型脆性 材料。存在着两种裂缝：肉眼看不见的微观裂缝和肉眼看得见的宏观裂缝。尚未 承受荷载的混凝土中一般都存在微观裂缝，但有微观裂缝的混凝土一般都不影 响其使用，同样可以承受拉力，不过它很容易引起应力集中，造成抗拉强度降 低，而实际工程的结构裂缝，大多数是由于抗拉强度不够引起的。微观裂缝的 宽度一般小于0 0 5 r a m 。一般认为，混凝土的微裂缝主要有以下三种【7 l ： ( 1 ) 粘着裂缝，是指集料水泥石的粘接面上的裂缝，主要沿集料周围出现： ( 2 ) 水泥石裂缝，是指水泥浆中的裂缝，出现在集料与集料之间： ( 3 ) 集料裂缝，是指集料本身的裂缝。如图2 一l 所示： 图2 1 微裂计算模型 l 一粘着裂缝；2 一水泥石裂缝；3 一集料裂缝 在这三种裂缝中，前两种较多，集料裂缝出现较少。混凝土的微裂缝主要 指粘着裂缝和水泥石裂缝。微裂缝的存在，对混凝土的基本性质，比如弹塑性、 徐变、各种强度、变形、泊松比、结构刚度、化学反应等产生重要影响。 微裂缝的原因可通过混凝土的构造理论加以解释，即认为混凝土为料、水 泥石、气体、水分等组成的非均质材料。混凝土在水化和硬化的同时，产生不 均匀的体积变形：水泥石收缩较大，集料收缩小；水泥石的热膨胀系数大，集 料较小。它们之间的非自由变形产生了相互约束应力。按照构造理论简单的计 算模型，假定圆形集料不变形且均匀地分布于均质弹性水泥石中，水泥石产生 6 收缩变形引起内应力就会导致粘着微裂缝出现。 宏观裂缝一般认为是微观裂缝发展的结果，宽度规定大于0 0 5 r a m 。从结构 的耐久性、承载力和正常使用等要求，我国规范规定裂缝最大允许宽度为0 1 m 。 总的说来，混凝土裂缝总是存在的，没有裂缝的混凝土结构是不可能的， 我们进行裂缝控制也只是把裂缝控制在规定的范围内即可。 2 1 2 贯穿裂缝、深层裂缝和表面裂缝i l 裂缝形式多种多样，大致可归纳为：表面裂缝、贯穿裂缝、深层裂缝、纵 向裂缝、横向裂缝、对角线裂缝、斜向裂缝、上宽下窄、下宽上窄、枣核形裂 缝等。根据危害性可以分为三种类型： 1 、贯穿裂缝 当结构受拉、弯曲受拉、偏心受拉时，导致结构表面开裂，从而形成了贯 穿裂缝；大体积混凝土的水化热形成的裂缝，也多为贯穿裂缝。这种裂缝一旦 出现，就会延伸至整个结构断面，将结构分离，导致结构整体性和稳定性的破 坏。所以，我们必须采取措施，防止结构进一步恶化。 2 、深层裂缝 结构老化；结构的不规则变化、约束：混凝土等级低、配筋不当，当受到 超重荷载、地震、冲击突然作用，使裂缝向深层延伸，危害结构的整体性能。 3 、表面裂缝 在结构表面浅层上，出现的龟纹状裂缝、竖向裂缝、水平裂缝、干缩裂缝 等均属于表面裂缝。这通常是因为混凝土等级低，施工方法不当，养护不到位 等原因所导致。 c a 】( b )i c ) 图2 2 火体积混凝士结构裂缝类型示意图 ( a ) 贯穿裂缝；( b ) 深层或表面裂缝：( c ) 表面裂缝 以上三种裂缝的特征见表2 一i 大体积混凝土裂缝特征 表2 1 2 2 混凝土的物理力学性能 钢筋混凝土结构施工中裂缝的产生与同期混凝土的物理力学性能有直接的 关系，本节简要介绍混凝土温度应力和收缩应力计算过程中涉及到的有关混凝 土的物理性能【2 1 。 2 2 1 混凝土的变形 在混凝土中除了外力引起的变形而外，由于各种物理化学作用，还会发生 各种体积变形。其中除了温度变形将是本节的主要论题而外，还有沉陷、干湿 变形、自生体积变形( 包括碱性膨胀) 等。 在这些体积变形中，般说来，以温度变形为最重要。由于温度变形受约 束而在混凝土结构中引起的应力常常远较外载引起的应力大，并对结构发生很 不利的影响。例如，混凝土坝浇筑块后期冷却形成的拉应力可达每平方厘米几 百牛顿，严重时能形成贯穿裂缝。 干湿变形对混凝土结构的影响也很重要。混凝土表面因水分蒸发干缩而形 成表面裂缝的现琢是很常见的。对于断面尺寸较小的结构，干缩对整体应力也 有不容忽视的影响。 为了分析各种体积变形对结构应力的影响。首先应该了解各种体积变形的 成因和物理特性【i l j 1 2 1 。 2 2 1 1 温度变形 随着温度的变化混凝土产生膨胀或收缩。混凝上的温度膨胀系数a 约在 ( 5 8 1 2 6 ) x1 0 1 1 之间，一般计算中取其平均值= l o 1 0 1 l 。骨料岩石 品种是影响膨胀系数的主要因索。用石英岩制备的混凝土的膨胀系数大，依次 是砂岩、花岗岩、玄武岩以及某种品种的石灰岩。石英岩本身的膨胀系数为1 2 6 xl o 1 c ，石灰岩最小值只有5 4 1 0 4 1 c 。但需注意石灰岩种类变化很大， 其膨胀系数变化范围亦大。图2 3 给出砂浆、水泥和各种不同骨料制备的混凝土 的热膨胀系数。 混凝主 砂浆 人 、k 石荚鬈 亦 砂岩 堤石 、 心3 卵石 花瑚封r - _ 一 白器岩 主妇 秘石： 1 花! i 6 岢 变武岩 t 石获爿 石灰岩。 嚣畚比( 重量比) m 2 - 3 骨料品种对水泥砂浆和混凝土膨胀系数的影响 某些试验资料还表明，混凝土在负温受冻情况下，其膨胀系数约为正温情 况下的1 6 倍。 混凝土内的温度变化取决于混凝土本身的热性能( 包括混凝土的水化热、比 热、导温系数、导热系数等) 和外界介质的温度状况。具体地说，可以把混凝土 内温度变化的原因分为四类： 1 ) 由于水泥胶结硬化产生的水化热； 2 ) 混凝土的浇筑温度与外界气温的差值( 以后简称初始温差) ： 3 ) 混凝土浇筑后。由浇筑时气温变化到建筑物经长期运行后所达到的稳定 温度： 4 ) 混凝土内由于外界气温变化而产生的温度变化。 水泥水化热是大体积混凝土结构中的主要温度因素，实测浇筑块内水化热 温升常达1 5 2 5 。 在大陆性气候地区或严寒地区，一年中月平均气温的变化可达4 0 5 0 c ， 极端温度( 指一年中最高瞬时温度与最低瞬时温度) 变化可达1 0 0 c 。在这种条件 下，水化热的影响相对降低，而外温变化就成为影响混凝土温度变形的主要因 素。 外界气温有规律的变化可分三类：年变化、中间变化( 周期1 0 3 0 天) 及日 变化。年变化在温凝土中的影响深度最大，而中间变化及日变化只对混凝土表 面部分有影响。但如研究薄壁结构或大体积结构的表面应力和裂缝，则中间变 化及日变化亦不容忽视。 2 2 1 2 干湿变形 混凝土失去水分时会产生干缩，丽吸收本分时又产生湿涨。这种由湿度变 化的直接影响而产生的体积变形就是干湿变形。 混凝土干湿变形主要起因于空隙水变化时引起的毛细管引力【1 3 j 。 试验表明，当混凝土干缩或湿胀时，变形和湿度之间存在线性关系。近来 试验又表明混凝土的干缩系数较湿胀系数大很多，并且混凝土在干湿交替的条 件下，还显示出干缩变形的滞后现象。应该说，对混凝上这些干湿特性的研究 虽然积累了一些成果，但还不够充分，需要进一步由试验来证实。 混凝土的湿度状况取决于其导湿性能( 如水分扩散系数) 和环境湿度。 混凝土内水分扩散的规律和温度传播的规律一样，一股都服从于同一数学 形式的扩散方程，但是混凝土的蒸发干燥过程比其降温冷却过程慢得多，大约 要慢1 2 0 0 1 6 0 0 倍。 大体积混凝土的干燥实际上只限于很浅台表面深度，一面暴露在5 9 相对湿 度空气中的大体积混凝土的蒸发计算曲线如图2 4 所示。可以看出，干燥深度达 至l j 7 c m 需要一个月，而达至l j t o c m 就需要将近1 0 年。因此，对整个大体积而言，干 缩是不重要的。但千缩会引起表面裂缝并可能成为进一步发展更严重裂缝的原 因，这一点在混凝土养护时是需要予以注意的。混凝土的湿胀变形远比干缩变 形小，一般对混凝土没有不良影响。 混凝土的千缩变形与下列因素有关： l 、水泥浆量是决定干缩变形大小的主要因素。即在水灰比相同的条件下， 水泥浆量愈多，混凝土的干缩率愈大，这是因为混凝土的干缩主要产生于水泥 浆的干缩。水泥用量一定，干缩率随着水灰比的增大而提高。 2 、水泥的品种与细度对混凝土干缩有很大的影响，如火山灰质硅酸盐水 泥的干缩率最大。水泥愈细、干缩率愈大， 1 0 3 、在混凝土的水灰比、集料与水泥比相同的条件下，干缩率随着砂率随 提高而增大。 4 、集料的弹性模量越大，混凝土捣圈的越密实，加强养护使混凝土强度 正常发展，则干缩率将会减小。 水 量 蒸 发 损 失 ，一、 忒 、 - 、 k n 、 隧 、 - 、 、 - j 1 i良 - 、 土 、 、 亡一 意 膨 、- 、 图2 - 4 太体积混凝土水量蒸发曲线 蛊( 汪来 2 2 1 3 自生体积变形 水泥水化时所产生的一种与外载或温湿度变化的直接影响无关的变形称自 生体积变形。 自生体积变形是由某些化学或物理因素所促成的。例如：水化过程中水泥 颗粒吸水而引起的水泥胶体的脱水和紧缩，混凝骨料的碱性反应，混凝吸 水时可能使水泥胶体产生新结晶，周期温度变化时水泥胶体结晶构造或骨料内 部构造微小变化所引起的残留变形等。 过去，测量混凝土自生体积变形的试验大都是在试验室恒温恒湿条件下进 行的，铡得的大多数结果是收缩。因此，一般都认为在混凝土自生体积变形中 由于水泥胶体凝缩而造成的收缩是主要的，并称这一现象为“自缩”。 根据国内外对大体积混凝土工程的实测资料表明：自生体积变形既有收缩 也有膨胀。这与水泥的品种有一定的关系，一般情况下，对于硅酸盐水泥为收 缩，而对于矿渣水泥为膨胀。同时混凝土所处部位不同，自生体积变形受到不 同温湿度条件的间接影响，其自生体积变形数值也相差较大。 2 。2 ，1 4 沉陷 在混凝土浇入模板以后，终凝之前，可以观察到浇筑块水平层面较刚浇筑 时降低的现象，这便是沉陷。沉陷是混凝土内固体颗粒沉降自由水析出的结果。 沉陷变形的大部分发生在温凝土浇筑后- 4 , 时内。甚至在浇筑后立即发生。混 凝土沉陷总量一般不超过1 。发生沉陷变形时混凝上还处于塑性状态，在混凝 土中不致引起应力。因此，沉陷变形对应力的影响可不予考虑。 综上所述，影响混凝土体积变形的因素很复杂。其中温度变形影响最大， 沉陷变形基本上可以忽略，干缩变形在计算薄壁结构或大体积结构表面的应力 时需要考虑，而对于自生体积变形的性质则还需要做进一步的研究。 2 2 混凝土的不均匀性 不均匀性和脆性都是混凝土易于形成裂缝的内在因素。混凝土本来就是水、 水泥和骨料组成的非均质体。组成混凝土的原材料的品质变化范围很大，再配 制成混凝土其影响就更复杂。每一种原材料的不均匀性都增加了混凝土性能的 不均匀性，混凝土本身不可能比每种组成材料更均匀。 混凝土的生产、浇筑大都在野外现场进行，其生产系统和浇筑系统都带有 一定的临时性，这也增加了混凝土质量均匀性控制的因难。在各项影响因素中， 水灰比和水泥标号的影响较大。为了获得强度均匀的混凝土，应该特别注意使 水灰比保持均匀，并注意水泥标号的检验。 混凝土的强度随机分布一般用正态分布曲线表示( 图2 5 ) 。 图2 5 混凝土强度的随机分布 混凝土不均匀性通常用以下两个指标表示 1 ) 离差系数c ， e = 善_ 帮丁 2 ) 匀质系数蚝 如= 争 式中：吒一混凝土强度的均方差： 一混凝土平均强度； 2 ( 2 一1 ) ( 2 - 2 ) 足一单个试件的强度； h 一检查试件个数： r 一混凝土设计强度； r 。一混凝土晟小强度。 离差系数反映了强度均匀的程度。分布曲线矮胖，说明不均匀。反之，分 布曲线度陡，说明强度比较均匀。 k ，。的数值与所要求的统计保证率有关。匀质系数实际上代表了在一定保 证率条件下混凝土可能出现的最小强度与设计强度的比值。匀质系数愈大，均 匀性愈好。 混凝土结构的断裂破坏与其均匀性关系很密切。混凝土结构的断裂破坏不 仅与平均强度有关而且与最低强度有关，往往破坏就是从最低强度处开始的。 曾在某混凝土坝工地对混凝土的裂缝、温差和混凝土质量不均匀性之间的 关系做过调查。发现在数以百计的结构形式、约束情况、设计强度大致相同的 浇筑层中，存在着错综复杂的情况，很多经历了相同内外温差的浇筑层，有的 裂缝，有的没有裂缝甚至有些温差大的没有裂缝，而温差小的却反而裂缝。上 述情况的出现与许多因素有关，但毫无疑问混凝土的不均匀性起了重要的作用。 2 3 混凝土的徐变 在荷载作用下，混凝土不仅产生弹性变形，而且产生随时间增长的非弹性 变形，这种随时间增长的变形称为徐变。 徐变与弹性、塑性变形均不同。弹性变形在加载后瞬间发生，卸载后立即 全部恢复。塑性变形是在材料初期的破坏现象，只有当应力超过材料的比例极 限后才会发生，并且完全不可恢复。而徐变是在加载后随时问的增长逐渐发生 的，卸载后只能部分恢复的。 混凝土徐变通常用徐变度表示，徐变度c 是单位应力作用下的徐变变形值。 用公式： c ：墨 ( 2 3 ) 盯 计算。式中：盯不变的加载应力； 一在应力仃作用下的徐变变形。 影响徐变的因素很多，主要有加荷应力、持荷对间、温度、水泥用量、水泥 品种、骨料等等。徐变可使混凝土的长期极限拉伸强度增加一倍左右，即提高 了混凝土的极限变形能力，因此在计算混凝土的抗裂性时，需要将松弛这个因 素考虑进去。松弛程度同加荷时的混凝土龄期有关，龄期越早，徐变引起的松 弛也越大。同时，在计算温度应力时，由徐变所导致温度应力的松弛，对防止 裂缝的开展是有好处的。 徐变的存在，会使混凝土建筑物内部的应力和变形都会不断产生重分布， 对建筑物受力条件的影响也很大，考虑混凝土徐变，对混凝土结构设计的合理 性、经济性和可靠性都具有重大的意义。对混凝土内部、原形观测资料整理和 大体积混凝土温度应力计算，都是很重要的资料。 2 4 混凝土的弹性模量和极限拉伸 2 4 1 弹性模量 弹性模量反映瞬时荷载作用下的应力应变性质。与结构最终应力状态有直 接关系。根据国内外大量资料表明：混凝土在瞬时荷载作用下也不具备完全弹 性性质，所以，弹性模量也称为“瞬时变形模量”，不过，当荷载作用很短促 时，非弹性变形并不明显，材料基本呈现弹性性质。 混凝土的弹性模量随龄期的增长而增长，在最初z 8 天内增长更为迅速。弹 性模量随龄期变化的规律有两种方法表示：双曲函数和指数函数表示法。严格 的说来，混凝土压缩和拉伸时的弹性模量是不等的，后者一般要低于前者。但 考虑到试验的结果和计算的方便，采用指数函数表示方法并且对拉压作用相同。 e ( r ) = e o l l 一肛1 ) ( 2 4 ) 式中：e ( r ) 不同龄期的弹性模量( m p a ) ； 邑一成龄期的弹性模量( m p a ) ( 根据混凝土强度等级按规范取值) ； p 、口一经验系数，= l ，口= 0 0 9 ； r 一龄期( d ) 。 弹性模量随龄期改变的这一特征，很大程度上影响了混凝土的温度应力性 质，不仅使应力在不同龄期改变符号，而且导致了很大的残余应力，可能造成 裂缝的产生。同时，养护温度对于混凝土弹性模量随龄期增长的发展过程有较 显著的影响。养护温度越高，混凝土早龄期弹性模量增长也越快。 2 4 z 极限拉伸 混凝土极限拉伸是鉴定混凝土抗裂性的重要指标。对于极限拉伸的研究， 国内外做了很多试验，但方法不一。不同的方法测定的极限拉伸值也不一样。 但是目前习啜上大部分都是以混凝土轴心受拉断裂时的极限拉应交值作为极限 拉伸值，根据这种试验方法所得到的资料已查明了许多对极限拉伸值影响的因 素。如： ( 1 ) 极限拉伸随龄期增长而增长。极限拉伸在早期增长较快，在龄期1 8 0 天 后，增长缓慢。可用公式： 1 4 邬( r ) = o 8 z p o ( 1 9v ) 狮 ( 2 5 ) 计算，式中 占。( f ) 一不同龄期的极限拉伸； f 。一龄期2 8 天后的极限拉伸。 ( 2 ) 养护条件对极限拉伸值有很大影响。潮湿时极限拉伸值比干燥时要大 2 0 5 0 。 ( 3 ) 高标号的水泥可提高极限拉伸值。同一标号不同品种的水泥的极限拉 伸值差别不大。 ( 4 ) 骨料从弹性模量和粘结力两方面影响极限拉伸。用低弹性模量骨料拌 制的混凝土，其弹性模量也比较低，因而可以使极限拉伸值提高。用不同品种 岩石骨料拌制的混凝土，极限拉伸值可相差2 3 倍。 ( 5 ) 在水灰比定时，极限拉伸值随混凝土中水泥浆相对体积或水泥用量 的增加而增加。 ( 6 ) 在水泥用量不变时，水灰比增大，极限拉伸减小。 ( 7 ) 根据大量试验资料所得的经验关系表明，极限拉伸随抗拉强度的增加 而增加。 总的说来，影响混凝土极限拉伸的因素很多，对于不同的工程，改善混凝 土的非匀质性和提高混凝土的极限拉伸值的途径不一。混凝土的极限拉伸与配 筋有关，大量工程实践表明，合理的配筋可以提高混凝土的抗裂性。大体积钢 筋混凝土结构的表面，受到不稳定的温差和收缩的作用，因而产生自约束应力， 常引起混凝土的表面裂缝，构造钢筋在混凝土面层中起了强化作用，配筋后的 混凝土极限拉伸值可采用齐斯克列里经验公式进行计算： 厂n 、 = 0 , 5 彤i1 + 号i 。1 0 4 ( 2 6 ) “ 式中：g 。一配筋后的混凝土极限拉伸值； r ，一混凝土抗裂设计强度( m p a ) ； p 一配筋率( 不加百分数，如：0 5 ，则p = 0 5 ) ： d 一钢筋的直径( c m ) ，( 如钢筋d = 1 5 c m ，则d = 1 5 ) 。 2 3 大体积混凝土裂缝成因 混凝土结构裂缝的成因复杂繁多，甚至多种因素相互影响，但每一条裂缝 均有其产生的一种或几种主要原因。主要与施工、设计、材料、环境等有关。 据有关资料统计，由施工因素造成的混凝土早期裂缝占8 0 左右，因混凝土材 料方面的原因造成的的裂缝占1 5 左右，因设计不当造成的裂缝占5 左右。下 面就以上所说的几个方面分别讨论。 2 。3 1 施工工艺质量因素 在混凝土结构浇筑、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装的过程中， 若施工工艺不合理、施工质量低劣，容易产生纵向的、横向的、竖向的、斜向 的、水平的、表面的、贯穿的等各种裂缝，特别是细长薄壁结构更容易出现。 裂缝出现的部位与走向、裂缝宽度因产生的原因而异，通常有： 2 3 1 1 违章施工、不当施工造成混凝土裂缝 混凝土搅拌、运输时间过长，使水分蒸发过多，导致混凝土坍损较大，使 得在混凝土体积上出现不规则的收缩裂缝。混凝土的和易性和流动性较差，用 泵送混凝土施工时，为保证流动性，现场工人人为加水，造成混凝土强度的降 低，加水部分的混凝土水灰比和强度与原配合比的混凝土不同造成不同配比混 凝土的凝缩裂缝和干缩裂缝。 主要结构部位模板刚度不足，或施工时拆模过早，混凝土强度明显不足， 使得构件在自重或施工荷载作用下产生裂缝。施工前对支架压实不足或支架刚 度不足，混凝土浇筑后支架发生不均匀下沉，导致混凝土出现裂缝。 施工时预留孔洞、预埋通风采暖水电管道不引起重视，未采取钢筋加强措 施，造成裂缝。 混凝土初期养护工作管理不严，造成混凝土早期强度增长时失水，收缩量 大，使得混凝土与大气接触的表面上出现不规则的收缩裂缝。 种种原因造成混凝土运输车不能及时到达及时供料，现场浇筑停歇时一间 超过混凝土终凝时间，而又没有按施工缝处理好接头部位等。 2 3 1 2 振捣方式不当引起裂缝 不正确的振捣方式会造成混凝土分层离析、表面浮浆而使混凝土面层开裂， 或造成混凝土砂浆大量向低处流淌致使混凝土产生不均匀沉降收缩而在结构厚 薄交界处出现裂缝。 商品混凝土由于采用搅拌车运输、泵送浇筑，混凝土坍落度比较大，凝结 时间比较长，一般混凝土初凝时间都在l o d , 时以上甚至更长，即使在炎热的夏 天，在掺了高效缓凝减水剂后，浇捣好的混凝土表面被太阳暴晒，水分蒸发很 快形成一层几毫米厚的“被子”，看上去混凝土似乎已凝结，实际内部还远 未达到初凝，甚至还能流动。曾多次用贯入阻力仪测定掺了高效缓凝减水剂的 混凝土砂浆在太阳直晒之下的凝结时间，结果初凝时间都在1 2 1 6 小时。这样 的混凝土若不进行二次振捣和多次抹面，混凝土表面不可避免会出现裂缝。开 始是浅表性的、窄细的，若不及时处理，裂缝就会扩展，由于应力集中，最终 1 6 的裂缝很可能是贯穿性的。采用二次振捣可以消除因塑性沉降引起的混凝土内 分层，阻断