（材料学专业论文）大体积混凝土相变控温方法与模型.pdf

摘要 摘要 混凝土结构尤其是大体积混凝土结构的温度裂缝问题是土木工程质量的顽 症之一，裂缝不仅影响美观，而且严重影响构筑物的使用寿命和安全性。目前 混凝土构筑物几乎都不同程度存在温度裂缝，温度裂缝问题已经成为土木工程 界普遍关注的问题。 温度裂缝是由于混凝土结构内部温度场温差形成温度应力而产生的，目前 在防治大体积混凝土温度裂缝问题上，一般对外部因素考虑比较多，而在提高 混凝土本身材料的特性以及开发新的混凝土品种上研究的很少。 相变储能材料，储热密度大、储放热过程近似等温特点，已成为有效利用 新能源和节能的重要途径。为此，论文提出了采用相变材料，在混凝土浇注过 程中将其掺入使之与混凝土结构一体化，利用相变材料在特定温度范围的热效 应控制混凝土内部温度场，达到机敏控制温度应力防止温度裂缝。结构混凝土 内部温度场随环境温度和混凝土水化热变化而变化，其温度应力变化具有随机 性和方向交替变化的特点，相变材料温控机制与混凝土结构有机一体化，同步 感应内部温度变化，实时随机应变启动控制温度机制，防止温度裂缝的形成。 利用计算机模拟计算分析相变大体积混凝土温度场分布，提出了采用非理 想相变材料在大体积混凝土温度场均匀化分布观点。通过自制的混凝土温度监 测系统，对相变控温混凝土内部温度变化进行监测分析，证实了非理想相变材 料石蜡更适合于大体积混凝土温度控制，同时也证明了采用非理想相变材料石 蜡做混凝土控温材料具有较好的控温效果。 论文根据大体积混凝土不同工况要求，选择了石蜡颗粒和石蜡乳液做混凝 土相变控温材料。研究了石蜡颗粒和石蜡乳液在混凝土( 或砂浆) 中的掺入方 法：质量代砂法和体积代砂法；研究了相变控温混凝土( 或砂浆) 的物理力学 性能、耐久性能和导热性能。结果表明：体积代砂法优于质量代砂法。相变控 温混凝土( 砂浆) 强度有所降低，抗渗性提高，石蜡相变控温砂浆导热系数略 低于普通砂浆。采用压汞法对相变控温砂浆进行孔结构分析，说明体积代砂法 配制相变控温砂浆孔隙率小于质量代砂法配制的相变控温砂浆，孔径分布更合 理。利用差示扫描量热法d s c 和调制d s c 法对相变材料、普通砂浆和相交控温 摘要 砂浆进行物性分析，包括熔点、潜热、比热容等性能。设计了圆环温度裂缝试 验，对相变控温砂浆抵抗温度裂缝性能进行评价，得出结论石蜡颗粒的控温效 果优于石蜡乳液的控温效果，提高了混凝土抵抗温度裂缝的能力。 根据温度场分布试验结果，对非理想相变材料石蜡的实际传热过程进行分 析，将相变控温大体积混凝土作为非理想相变材料来处理，借鉴焓法和有效热 容法，建立相变控温混凝土的温控模型，模拟分析相变控温混凝土温度场分布 情况。差示扫描量热法d s c 和调制d s c 法测试结果说明模型假设合理。相变温 控模型分析和预测不同工况下相变材料石蜡对大体积混凝土的控温效果。 论文采用计算机模拟系统地分析了相变材料在大体积混凝土温度控制中品 种、相变点和潜热的选择，优化相变控温参数。对相变控温混凝土的综合性能 和微观孔结构进行了测试，对于防治混凝土温度裂缝提供新方法；并从理论上 分析了，非理想相变材料在混凝土中的相变控温过程，建立了非理想相变材料 在大体积混凝土温度控制过程的模型，为非理想相变材料在大体积混凝土中的 应用提供了预测方法。 关键词：温度裂缝，相变材料，非理想，石蜡，温度场分布，控温模型 a b s t r a c t a b s t r a c t t e m p e r a t u r ec r a c k sc a u s e db yt h e r m a ld e f o r m a t i o nc a nt h r e a tt ot h el i f eo f c o n c r e t ea n dt ot h es e c u r i t yo fc o n c r e t es t r u c t u r e i ti sas e r i o u sp r o b l e mt oc o n c r e t e s t r u c t u r e ，e s p e c i a l l yt om a s sc o n c r e t e n o w a d a y s ，t h ep r o b l e mo ft e m p e r a t u r ec r a c k s i sc o n c e r n e db yc i v i le n g i n e e r i n gf i e l db e c a u s ei te x i s t si nag r e a tn u m b e ro fc o n c r e t e c o n s t r u c t i o n s t e m p e r a t u r ec r a c k sa l ec a u s e db yt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e i nt h ec o n c r e t e s t r u c t u r e m a n yp r e c a u t i o n sa r es t u d i e dt op r e v e n tt h e r m a lc r a c k i n go fc o n c r e t e ，b u t m o s to ft h e ma r ep a i dm u c ha t t e n t i o no nt h ec o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n , n o to nh o wt o i m p r o v ep r o p e r t i e so fc o n c r e t e ，a n dh o w t od e v e l o pn e wt y p eo fc o n c r e t e p h a s ec h a n g em a t e r i a l sa b s o r ba n dr e l e a s eh e a ta ta na p p r o x i m a t e l yi s o t h e r m a l c o n d i t i o n , a n dh a v eh i g he n e r g yd e n s i t ys ot h a tt h eu t i l i z a t i o no fp h a s ec h a n g e m a t e r i a l sh a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e t h o do fu s i n gn e we n e r g ya n df o r e n e r g y - s a v i n g p h a s ec h a n g em a t e r i a l sc a n b eu s e dt oc o n t r o lt e m p e r a t u r ei nc o n c r e t e t or e d u c et e m p e r a t u r ec r a c k sb yu s i n gt h el a t e n th e a ta tac e r t a i nt e m p e r a t u r e t e m p e r a t u r eo fc o n c r e t e s t r u c t u r e c h a n g e sw i t he n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ea n d h y d r a t i o nh e a t , a n dt e m p e r a t u r es t r e s sh a sp r o p e r t i e so fr a n d o m i c i t ya n du n c e r t a i n t y p h a s ec h a n g em a t e r i a lw a sa d d e dt oc o n c r e t et ot o u c ht e m p e r a t u r ec h a n g et i m e l ya n d c o n t r o lt h et e m p e r a t u r es m a r t l yi no r d e rt op r e v e n tt e m p e r a t u r ec r a c k s i tw a sp r o p o s e dt h a tn o n i d e a lp h a s ec h a n g em a t e r i a l sc a np r o d u c em u c hm o r e u n i f o r mt e m p e r a t u r ef i e l da c c o r d i n gt os i m u l a t i n gt e m p e r a t u r ef i e l do fm a s sc o n c r e t e w i t hp h a s ec h a n g em a t e r i a lu s i n gc o m p u t e r t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e mw a s d e s i g n e dt ot e s tp r o c e s so ft e m p e r a t u r ec h a n g ei nc o n c r e t ew i t hp h a s ec h a n g em a t e r i a l i ti sp r o v e dt h a tn o n i d e a lp h a s ec h a n g em a t e r i a l ，p a r a w m ，i ss u i t a b l ef o rt e m p e r a t u r e c o n t r o li nm a s sc o n c r e t ea n dp a r a f f i nh a sab e t t e re f f e c to ft e m p e r a t u r ec o n t r o li n m a s sc o n c r e t e p a r a f f i np a r t i c l e sa n dp a r a f f i ne m u l s i o nw e r es e l e c t e da c c o r d i n gt od i f f e r e n t r e q u i r e m e n to fc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n d i f f e r e n ts u b s t i t u t em e t h o d sw e r es t u d i e d ， i n c l u d i n gs a n ds u b s t i t u t eb ym a s sm e t h o da n ds a n ds u b s t i t u t eb yv o l u m em e t h o d p r o p e r t i e so fp c mc o n c r e t eo rm o r t a rw e r es t u d i e d ，i n c l u d i n gp h y s i c a lm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，d u r a b i l i t y ，a n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t y t h er e s u l t ss h o wt h a tm e t h o do fs a n d s u b s t i t u t eb yv o l u m ei sb e t t e rt h a nt h a to fb ym a s s s t r e n g t ho fc o n c r e t e ( 0 rm o r t a r ) i s h i a b s t r a c t r e d u c e d ；p e r m e a b i l i t yi m p r o v e s ；t h e r m a lc o n d u c t i v i t yh a sal i t t l er e d u c t i o na f t e r a d d e dp c m m e r c u r yi n t r u s i o np o r o s i m e t e rw a su s e dt oa n a l y z ep o r es t r u c t u r eo f m o r t a r , a n dr e s u l t ss h o wt h a tt h ep o r o s i t yo fs a n ds u b s t i t u t eb yv o l u m em e t h o di s l o w e rt h a nt h a to fm a s sm e t h o d ，a n di th a sab e t t e rp o r ed i s t r i b u t i o n m e t h o d so fd s c a n dm d s cw e r eu s e dt oa n a l y z et h e r m a lp r o p e r t i e s ，i n c l u d i n gm e l t i n gp o 砬，l a t e n t h e a ta n dh e a tc a p a c i t y e x p e r i m e n t so fa n n u l u st e m p e r a t u r ec r a c kw e r ed e s i g n e dt o e v a l u a t ea n t i - c r a c k i n gc a p a c i t yo fp c mm o r t a r , a n dr e s u l t ss h o wt h a tt e m p e r a t u r e c o n t r o le f f e c to fp a r a f f i np a r t i c l ei sb e t t e rt h a nt h a to fp a r a f f i ne m u l s i o n , a n dp a r a f f i n i m p r o v et h ea n t i t e m p e r a t u r e - c r a c k i n gp r o p e r t y h e a tt r a n s f e rp r o c e s so fn o n - i d e a lp c mw a sa n a l y z e da c c o r d i n gt ot h er e s u l t s o ft e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o n p c mc o n c r e t ew a st a k e na san o n i d e a lp h a s e c h a n g em a t e r i a l ，u s i n ge n t h a l p ym e t h o da n de f f e c t i v eh e a tc a p a c i t ym e t h o d , t o e s t a b l i s h t e m p e r a t u r e c o n t r o lm o d e lo fp c mc o n c r e t e ，w h i c h 锄s i m u l a t e t e m p e r a t u r ef i e l do fp c m c o n c r e t e d s ca n dm d s ce x p e r i m e n t sw e r eu s e dt ot e s t i f y s i m u l a t i n gr e s u l t s t e m p e r a t u r ec o n t r o lm o d e la n a l y z e da n de s t i m a t e de f f e c to f t e m p e r a t u r ec o n t r o l t om a s sc o n c r e t e t e m p e r a t u r ec o n t r o lp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e db yu s i n gc o m p u t e rs i m u l a t i o n ， i n c l u d i n gt h et y p eo fp h a s ec h a n g em a t e r i a l s ，t e m p e r a t u r er a n g eo fp h a s ec h a n g ea n d l a t e n th e a t c o m p l e xp r o p e r t i e sa n dm i c r o - s t r u c t u r eo fp o r ew e r ct e s t e d i tp r o v i d e sa n e wm e t h o dt op r e v e n tt e m p e r a t u r ec r a c k s t e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o nm o d e lw a s e s t a b l i s h e da n dp r o v i d e da l le s t i m a t i o nm e t h o df o rn o n i d e a lp h a s ec h a n g em a t e r i a l s u s e di nm a s sc o n c r e t e k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r ec r a c k , p h a s ec h a n g em a t e r i a l s ，n o n i d e a l ，p a r a f f i n ， t e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o n ，m o d e lo ft e m p e r a t u r ec o n t r o l i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位做作者签名立南 加- 7 年g 月加日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：要兔 叼年q 月加日 第1 章引言 1 1 论文研究背景及意义 第1 章引言 大体积混凝土在现代工程建设，占有重要地位。大体积混凝土可以分为两 大类，建筑工程的大体积混凝土和水利水电工程大体积混凝土( 叶琳昌，1 9 8 7 ) 。 我国每年仅在水利水电工程中所浇筑的大体积混凝土就在1 千万m ? 以上。水利 水电工程大体积混凝土包括，混凝土水坝、水闸、船坞、港工构筑物等。建筑 工程大体积混凝土主要包括，工业建筑中的大型设备基础( 如钢铁厂的转炉、 焦炉基础，铸锻厂的大吨位锻锤基础，火力发电厂的汽机基础等) ，大型料坑、 地下室、框架和筏式基础、水池、水泵房、沉箱、沉井等，目前逐渐增多的高 层、超高层建筑的框架基础等重要的、承受荷载大的结构，往往都是采用大体 积混凝土建造的。二者在施工阶段都存在着一个温度应力及温度控制的问题。 大体积混凝土结构厚重，混凝土用量大，水泥水化热使结构产生温度变形。 大体积混凝土经常出现的问题不是力学上的结构强度，而是控制混凝土温度变 形裂缝。应尽量采取相应措施，尽可能减少温度变形而引起的开裂。这直接关 系到混凝土的抗渗、抗裂、抗侵蚀性能，以提高建筑结构的耐久年限。如何防 止大体积混凝土的温度裂缝，一直是工程技术届长期关心和共同研究的重要课 题( 冯乃谦，2 0 0 1 ) 。 大体积混凝土结构具有其自身的特点( 朱伯芳，1 9 9 9 ) ： ( 1 ) 混凝土是脆性材料，抗拉强度只有抗压强度的1 1 0 左右；拉伸变形能力 也很小，短期加载时的极限拉伸变形只有( 0 每1 o ) x1 0 - 4 ，约相当于温度降低6 - 1 0 的变形；长期加载时的极限拉伸变形也只有( 1 2 2 o ) 1 0 一。 ( 2 ) 大体积混凝土结构断面尺寸比较大，混凝土浇筑以后，由于水泥的水化 热，内部温度急剧上升，此时混凝土弹性模量很小，徐变较大，升温引起的压 应力并不大；但在日后温度逐渐降低时，弹性模量比较大，徐变较小，在一定 的约束条件下会产生相当大的拉应力。 ( 3 ) 大体积混凝土通常是暴露在外面的，表面与空气或水接触，一年四季中 气温和水温的变化在大体积混凝土结构中会引起相当大的拉应力。 基于上述特点，在大体积混凝土结构的设计中，如重力坝的设计，通常要 求不出现拉应力、或者只出现很小的拉应力，对于自重、水压力等外荷载，要 做到这点一般并不困难。但在旌工过程中和运行期间，在大体积混凝土结构中 往往会由于温度的变化而产生很大的拉应力，要把这种温度变化所引起的拉应 第1 章引言 力限制在允许范围以内是不容易的。正是由于这个原因，在大体积混凝土结构 中往往会出现温度裂缝。 我国j g j 厂r 5 5 9 6 认为：结构最小断面的尺寸大于或等于l m 的混凝土称 为大体积混凝土。我国其它一些规范认为，当基础边长大于2 0 m ，厚度大于l m ， 体积大于4 0 0 m 3 时称大体积混凝土。日本建筑协会j a s s 认为，结构最小断面 尺寸大于8 0 c m ，由于水化热引起的混凝土内的最高温度和外界气温之差已经超 过2 5 的混凝土称为大体积混凝土。美国混凝土协会a c i 认为，混凝土体积大 到必须采取措施减小水化热引起的体积变形，以最大的限度减少开裂，即认为 是大体积混凝土。工程中，有时虽结构断面不大，但由于所使用水泥的水化热 较大，也应按大体积混凝土考虑。因此，通常认为当基础尺寸大到必须采取措 施，妥善处理所发生的温差，合理解决变形变化所引起的应力，力图控制裂缝 开展到最小程度，这种混凝土称为大体积混凝土。大体积混凝土除了结构最小 断面和内外温差有一定规定外，对于平面尺寸也有一些限制，如果结构物的平 面尺寸过大，基础约束作用产生的温度应力也越大。 1 2 大体积混凝土温度裂缝国内外研究进展 1 。2 。1 大体积混凝土存在问题 1 9 9 6 年k l a l l s s 和r o g a l l a 调查了美国和加拿大的2 0 万座桥梁，发现其中 超过1 0 万座以上的桥梁的混凝土桥面板在修建后不久就产生贯穿裂缝，联邦政 府每年不得不耗费数1 0 亿美元用于这些项目的维修。 我国目前虽然没有开展大规模的专门调查，但根据工程建设单位反馈的信 息和作者搜集的资料来看，房屋建筑中现浇混凝土结构楼板、地下室连续墙、 底板，道路工程中混凝土路面、机场跑道、桥面板以及许多大体积混凝土建筑 物的开裂现象十分严重。如：长江三峡大坝工程和目前我国首座跨海大桥上海 东海大桥桥墩大体积混凝土结构都出现了不同程度的温度裂缝。在混凝土结构 使用期间，由于环境温度的变化使混凝土内外或不同区域形成温度场差，也会 导致温度裂缝的形成( 覃维祖，2 0 0 1 ) ，如：商品住宅中普遍存在的混凝土楼板 裂缝现象。王铁梦( 1 9 9 7 ) 在其专著中也认为，变形作用引起的或者交形作用 占主导因素引起的裂缝可能占全部裂缝的8 0 以上，而荷载裂缝只占2 0 左右。 与荷载裂缝相比，混凝土温度裂缝机理复杂，影响因素众多，是复杂的综 合性问题，结构设计、施工方法、环境条件、原材料选择、配合比设计、外加 剂和掺合料的使用等都从不同的角度在不同程度上影响着裂缝的形成和发展。 2 第1 章引言 温度裂缝是早期裂缝的重要组成。 在大体积混凝土结构中，温度变化不但可能引起裂缝，对结构的应力状态 也具有重要影响，有时温度应力在数值上可能超过其他外荷载引起的应力。朱 伯芳在其专著中有着详尽的论述。例如，对三门峡重力坝孔口应力的研究结果 表明，按照荷载产生应力的大小排列，各种荷载的次序是：温度、内水压力、 自重、外水压力，而且温度应力比其他各种荷载产生应力的总和还要大。温度 变化对拱坝应力状态的影响也是十分显著的。 青铜峡水电站，系建国初期设计的，因缺乏经验，对温度应力的重要性认 识不够，在寒冷地区采用了河床式电站薄壁结构，又没有采取有效的温度控制 措施，开工以后产生了严重裂缝现象，被迫停工处理，延误工期数年。有的工 程在施工过程中对温度控制重视不够，出现大量裂缝后被迫停工处理。前苏联 5 0 年代在寒冷的西伯利亚修建了几座宽缝重力坝，无一例外地出现了严重裂缝。 龙羊峡重力拱坝，由于拆模过早，随即在所拆部位出现一批裂缝。 德沃歇克( i ) w o r s h a k ) 重力坝，位于美国西北部德爱达荷州，在施工过程中 未发现严重结构裂缝，被认为在温度控制方面取得优良实绩，但运行一段时间 后，在坝体上游面产生了严重的劈头裂缝，说明上游保护方面不够有效。 在大体积混凝土结构内一旦出现大的裂缝，要通过修补以恢复结构的整体 性实际上是很困难的。我国曾经有几个大型水利水电工程，由于出现大量裂缝， 被迫停工修补，费时数年才恢复正常旌工。温度控制和防止裂缝的措施，是大 体积混凝土结构设计与施工中十分重要的课题。 1 2 2 大体积混凝土温度裂缝研究现状 9 0 年代以来，由于早期开裂而引起的大量工程质量问题造成的巨大经济损 失，已引起了各方面的关注，同时也促进了各国学者对早期开裂和性能劣化问 题( e a r l ya g ec r a c k i n ga n dp r e m a t u r ed e t e r i o r a t i o n ) 的研究：1 9 8 9 年r i l e m 成 立了关于混凝土早期温度裂缝的委员会，并于1 9 9 8 年出版了“避免混凝土早期 热裂缝”的论文集，2 0 0 2 年创建了关于早期收缩变形、温度变形和开裂的技术 委员会( r i l e m d t d ) ；2 0 0 1 年美国a c i 出版关于混凝土早期变形性能和开裂 研究的论文集；日本、欧洲其他国家也都成立相应的技术委员会来调查研究混 凝土的早期开裂问题，欧洲还建立了混凝土耐久性d u r a n e t 工作网；国内一些 有关大体积混凝土温度裂缝的论著( 朱伯芳，1 9 9 9 ；潘家铮，1 9 9 0 ；叶琳昌， 1 9 8 7 ；龚召熊，1 9 9 9 ) 阐述了有关温度裂缝控制问题。 大体积混凝土结构温度场和温度应力场问题的研究是从二十世纪三十年代 中期美国修建鲍尔德坝( 现改称胡佛坝) 开始的( 唐杰锋，2 0 0 3 ) 。四十年代 3 第1 章引言 起，许多国家，如美国垦务局、前苏联水工研究院、日本京都大学等对大体积 混凝土结构的设计和施工技术、温度控制指标、温度控制措施都作了深入的研 究，如浇筑块的合理分缝、分块，适当减少水泥用量、选择低热水泥、各种骨 料预冷方法和对裂缝的深入研究等。上个世纪三十年代，为了建造当时世界上 最高的胡佛混凝土重力拱坝( 2 2 1 m ) ，美国垦务局事先进行了大规模的研究工作， 就水管冷却、宽槽低温空气冷却及装配式预制块等方式进行了细致的比较研究， 最后选定了分缝分块浇筑和水管冷却的温控防裂方式。继胡佛坝之后，用这种 方式又建造了大古力( 高1 6 7 m ) 、夏斯塔( 高1 8 0 m ) 等一系列高坝( 龚召熊， 1 9 9 9 ) 。 目前，大体积混凝土温度裂缝控制问题的研究，主要是温度场和温度应力 的理论求解( 田敬学，2 0 0 2 ) 。c e r v e r a ( 1 9 9 9 ) 建立了一种适于模拟早期混凝土 性态的热学一化学一力学模型，可模拟混凝土的水化、养护、破坏及徐变过程。 模型建立在多孔介质的理论基础上，可预测混凝土的水化程度及水化热的变化 过程。混凝土的力学性态则主要通过粘弹性力学模型模拟。 m a t se m b o r ga n ds t i gb e m a n d e r ( 1 9 9 4 ) 对早期混凝土的热应力和热裂缝作 了较多的实验研究。实验包括徐变实验、自由热体积变化实验、松弛实验等， 以实验数据为基础提出了理论模型。该文的理论模型是建立在非线性的粘弹性、 粘塑性、应变软化基础上的，并且编制了计算机程序，进行不同混凝土工况的 分析。 n j g a r d n e r ( 1 9 9 0 ) 研究了温度对早期i 型、i i 型及粉煤灰混凝土的影响。 j j b r o o k s ，af a i k a i s i ( 1 9 9 0 ) 研究了波特兰水泥和矿渣水泥在升温后浇 筑时的早期强度发展。 m i c h a e ls t a f fz u r ( 1 9 9 4 ) 对基础底板上的墙体与底板交界处因混凝土水化热 而产生的裂缝进行了分析。文献给出了理论计算方法，探讨了如何防止裂缝， 提出了对底板进行预冷却，同时对墙体预加热的技术措施，并且在实际工程中 进行了实测，与理论计算结果对比分析。 g e r dt h i e l e n ，h o i s tg r u b e ( 1 9 9 0 ) 中介绍了几种防止裂缝的方法，其中包括 由于热荷载产生的裂缝。文中介绍了实验设备和实验方法，实验研究了温度对 混凝土弹性模量的影响、开裂框架的温度与应力随时间的变化以及温度引起的 拉应力等。 f r a n kv e c c h i o ( 1 9 9 0 ) 对混凝土框架的温度应力进行了实验研究，研究了大尺 寸框架在热荷载和机械荷载作用下的反应。得出的结论认为，混凝土热荷载会 引起明显的变形、应力与裂缝，热应力引起的内力受结构刚度的影响很大。 k v a nb r e u g e l ( 1 9 9 8 ) 提出了混凝土硬化期间温度变化的预侧方法。认为混 4 第1 章引言 凝土的温度变化随水化度变化，通过实验分析了不同混凝土材料、水灰比、水 化温度对水化度的影响，提出了控制混凝土温度变化的措施。 s b e m a n d e r ( 1 9 9 8 ) 分析了温度裂缝产生的原因，提出了裂缝控制原则，对影 响裂缝发展的各种因素进行了分析，总结了裂缝控制措施。 我国水工界在大体积混凝土施工期温度场与徐变应力场的有限元分析技术 上，具有较高的水平( 唐杰锋，2 0 0 3 ) 。早在二十世纪五十年代，我国坝工界 就认识到温度荷载和水压力、自重、渗透压力、地震力等是重力坝的五种主要 荷载。潘家铮院士、朱伯芳院士等提出了水工大体积混凝土结构温度控制和设 计的整套理论( 潘家铮1 9 9 0 ；朱伯芳，1 9 9 9 ) ，解决了重力坝和混凝土浇筑块 的温度应力计算、拱坝的温度荷载、水泥水化热的绝热温升的计算、无限域内 圆形孔上的温度应力、混凝土浇筑块的临界表面放热系数、大体积混凝土结构 表面温度应力的计算，以及碾压混凝土重力坝及碾压混凝土拱坝的温度应力计 算与温度控制方法等问题，并分别用差分法、有限元法和数理统计理论对混凝 土结构的温度场进行了研究，提出解决各种边界条件和初始条件下的板梁、圆 管、浇筑块、拱坝、支墩坝、重力坝等温度应力的分析方法。 我国建工界对这一问题研究相对较少，以冶金建筑研究总院王铁梦教授为 代表，主要利用简化公式进行计算。王铁梦教授( 1 9 9 7 ) 从1 9 5 5 年开始研究温 度伸缩缝与裂缝控制问题，至今己4 0 多年。他运用综合研究方法，结合设计、 施工、材料、地基、环境等条件，提出“抗一与“放的设计原则，针对各类 典型结构提出了一些温度应力与温度裂缝实用简化计算方法，并已被相当一部 分工程技术人员所接受。 近年来，混凝土结构温度和收缩裂缝问题开始引起人们的注意，大量的文 献分别对大体积混凝土底板、砖混结构、框架结构、现浇楼板、地下室侧墙、 高层建筑、池类结构等裂缝进行了分析研究，绝大多数研究成果都是针对某一 具体工程实例定性分析温度和收缩裂缝开展机理并提出相应的构造措施和计 算。 河海大学吴胜兴教授( 1 9 9 4 ) 提出了估算混凝土热力学指标的公式，并完 善了钢筋混凝土非线性有限元程序，计算混凝土开裂后的温度应力和模拟实际 结构的开裂情况。众多学者，在数值计算方法这一领域对各种不同的结构形式 进行了大量的研究。 目前，对于大体积混凝土的温度场变化和温度裂缝产生的规律性，还缺乏 系统的研究。在防止大体积混凝土温度裂缝问题上，一般对外部因素考虑比较 多，而在提高混凝土本身材料的特性以及开发新的混凝土品种上研究的很少。 最初采用掺入火山灰的办法，2 0 世纪3 0 年代开发出低热水泥，后来发展到利 5 第1 章引言 用加大粗骨料粒径、降低水泥用量、预冷拌和物原料、限制浇筑层高和管道冷 却、掺缓凝剂、采用后期强度等措施，以尽量降低水化温升、抑制温度裂缝。 近几十年来，基础、桥梁、隧道衬砌以及其他构件尺寸并不大的结构混凝土开 裂现象也不断增多，水化热以及温度变化已经成为引起素混凝土与钢筋混凝土 约束应力和开裂的主导原因，早期热裂缝的研究又成为热点。 随着智能化时代的到来，作为建筑材料领域的高新技术，智能水泥基材料 的研究和开发方兴未艾，试图将其应用于大体积混凝土的温度控制中。如自诊 断光纤机敏混凝土已在日本输水隧洞施工的混凝土养护中得到了应用( 瞿伟廉 1 9 9 9 ) ，以及碳纤维温敏混凝土( 瞿伟廉1 9 9 9 ) 和水化热自控混凝土( 李佐芬 2 0 0 1 ) 等。纤维材料掺和料提高混凝土的抗拉强度，提高混凝土的抗裂性能， 并且在裂缝产生的情况下约束其继续发展，以解决混凝土的裂缝问题。武汉理 工大学的李卓球、孙明清教授等人研究了碳纤维混凝土的温敏性和s e e b e c k 效 应，发现利用碳纤维混凝土的机敏特性，将碳纤维混凝土制成温度传感器，可 监测混凝土结构体系的温度分布特征，对混凝土结构进行温度自诊断检测。碳 纤维混凝土的热电效应可以应用于监测结构体系的温度分布特征。 膨胀水泥和掺入膨胀剂，抵消水泥因水化而产生的化学收缩，防止裂缝出 现。俞品莲等人( 第二届全国混凝土膨胀剂学术交流会论文集1 9 9 8 ) 试验时发 现，掺膨胀剂会出现强度下降的问题。一些工程的应用中，虽然掺入了膨胀剂， 仍有许多工程出现大量的裂缝。从相关的资料( 第二届全国混凝土膨胀剂学术 交流会论文集1 9 9 8 ) 主要看存在实际膨胀量、膨胀量匹配、水泥适应性、标准 试验与实际应用的相关性等问题。膨胀随时间发展的匹配问题，由于膨胀剂的 膨胀大多发生在早期，许多膨胀剂的限制膨胀试验结果表明，掺膨胀剂混凝土 的膨胀一般集中在浇捣后2 4 小时内，至3 天已基本结束，而这期间混凝土的强 度低、与钢筋的握裹力较小、塑性变形较大，因此实际上最终用于有效补偿混 凝土收缩的量很小。钱匡亮( 2 0 0 1 ) 对h p c 复合膨胀掺合料水化热特性和混凝 土温升进行了研究。水化热自控混凝土可通过控制缓凝剂的释放量来主动控制 水化温升，但是目前对于缓凝剂封入胶囊的制备技术还有一定问题，因而水化 热自控混凝土并未获得实际应用( 陈美祝2 0 0 4 ) 。 1 2 3 目前大体积混凝土温度裂缝防治措施 为防止大体积混凝土结构的裂缝，目前主要从以下几方面着手。选择混凝 土原材料、优化混凝土配合比：( 1 ) 选择水泥，一般采用低热矿渣水泥、中热 硅酸盐水泥或硅酸盐水泥掺入一定量的粉煤灰。( 2 ) 掺用混合材料，掺入混合 材的目的在于减低混凝土的绝热温升、提高混凝土抗裂性能。混合材包括矿渣、 6 第1 章引言 粉煤灰、粘土等。( 3 ) 掺用外加剂，外加剂有减水剂、引气剂、缓凝剂、早强 剂等多种类型。( 4 ) 优化混凝土配合比在保证混凝土强度及流动性条件下，尽 量减少水泥用量，降低混凝土绝热温升。 也可以通过选择合理的结构形式和分缝分块；加强施工管理。如尽量利用 低温季节浇筑基础部分混凝土、加强养护等办法防止大体积混凝土温度裂缝的 产生。此外，环境气温对混凝土冷却的效果影响很大，暑期施工时，应避开烈 日的中午时间，最好选择在2 0 点以后的夜间施工。减少降温的技术措施费用。 1 原材料预冷却 为降低混凝土浇筑温度，削减混凝土内部的最高温度，可以对混凝土原材 料进行预冷却。预冷混凝土通常采用冷却拌和水，但是由于水在混凝土中所占 热容量的百分比不大，因此单凭冷却拌和水或掺加冰屑，还不能完全有效地降 低混凝土的浇筑温度，还常需对粗、细骨料进行处理。 在水利工程中，由于混凝土数量大，一般都在工地上设置专门的制冰机来 解决冰块的来源。但在拌和水加冰时，必须注意使冰在搅拌过程中完全融化。 否则，如残存的冰屑留在浇筑完的混凝土中，由于冰屑的融化，会在混凝土中 形成空洞。影响混凝土的质量。 预冷骨料通常有湿法、干法和真空汽化法三种。湿法冷却时通过冰水与骨 料直接接触进行降温，包括浸水法和喷水法。湿法冷去骨料时，由于砂子及小 石子的孔隙小，容易积水，而且细砂易被水冲走，所以改变了混凝土原有的级 配；更因骨料的含水量变化不一，不能很好控制混凝土的水灰比，所以在使用 上受到一定的局限性。干法冷却是用冷空气对骨料进行吹风冷却。但此法需时 较长，工艺工程也较复杂，技术经济效果差。真空汽化法是利用在骨料周围空 间形成的部分真空，使骨料中水分蒸发、吸热而冷却骨料。冷却时，将骨料装 满在封闭的料仓中，抽出几乎所有的空气。然后，将真空保持一定的时间。此 法，冷却效果好，需时也不甚长，但此法需设置大容量的冷却仓，技术措施费 用比较昂贵。 2 养护时的温度控制方法 混凝土养护时的温度控制方法，一般可归纳为两大类。第一类是降温法， 即在混凝土浇筑成型后，通过循环的冷却水进行降温，减小混凝土内外的温差。 第二类是保温法，混凝土浇筑成型后，通过保温材料( 如常用的模板、草袋、 锯末、塑料布等) 、碘钨灯或定时喷浇热水等办法，以提高混凝土表面及四周散 热面的温度。 ( 1 ) 降温法。降温法是在混凝土内部预埋水管，通入冷却水，降低混凝土 内部最高温度。此法在国内外水利工程上广泛应用。水利工程的水管冷却一般 7 第1 章引言 分为两期控制，即一期冷却和二期冷却。一期冷却是在混凝土刚浇筑完甚至正 在浇筑时就开始进行，以减少初期由于水泥水化热温升所形成的最高温度，满 足基础允许温差的要求。二期冷却是在水泥水化热已经基本散发完毕后进行， 主要目的是为了接缝灌浆，有时也兼顾浇筑块内外温差和防止表面裂缝的需要。 从建筑工程的特点来说，主要采取一期冷却。这是因为这类大体积混凝土单方 水泥用量较多，混凝土内部最高温度比水利工程高出1 0 一1 5 左右，采用水管 冷却，就可以有效地控制混凝土内外温差而引起的结构物开裂。 ( 2 ) 保温法。工程实践证明，大体积混凝土常见的裂缝，大多数是在不同 深度的表面裂缝，而这些裂缝又较多发生在早期。这主要因为早期混凝土内温 升很高，拆模后表面温度降低，在表面部分形成了很陡的温度梯度，发生很大 的拉应力；而早期混凝土强度低，极限拉伸小，如果养护不当，容易产生裂缝。 此外，在冬季负温季节中，或在早春晚秋气温骤变寒潮频繁的时节，由于 表面处于负温或因温度骤降，也易形成裂缝，因此表面裂缝也可能出现于晚期， 这在寒冷地区更为明显。 因此，利用保温材料提高新浇筑的混凝土表面和四周温度，减少混凝土的 内外温差，是一项简便有效的温度控制方法。同时在后期拆除保温材料后，还 应对结构物及时覆土加以保护，防止晚期混凝土出现开裂。 大体积混凝土结构物表面的保温。南方地区气温在1 5 以上季节施工时， 对于裸露的混凝土表面可采用层状材料，或一般简便的散装材料，如湿砂、锯 末等覆盖。北方地区以及低温季节施工时，则必须采取多种层状材料覆盖；此 时如遇气温骤变时，还应特别注意将保温材料紧密地固定于混凝土表面，以便 形成不透风的围护层，否则很难奏效。 大体积混凝土结构物四周的保温。除按规定设有模板保护外，在南方地区， 可在模板外侧再覆挂层状保温材料。北方地区及低温季节施工时，则必须采用 带填充材料的双层箱形保温模板，或再在外侧覆挂层状保温材料。 在大体积混凝土工程实践中，目前对于水平面保温还不够重视。一般只认 为在冬季施工进行表面保温，可以防止混凝土受冻，而在其它季节就没有保温 的必要。事实上，如果混凝土水平面直接暴露于大气中，气温的变化将引起混 凝土表面温度的变化。在这样情况下，混凝土表面的温度变形的约束系数可视 为1 o o ，外界气温的变化是短时间的，因此混凝土材料的徐变变形难以充分发 挥。根据混凝土早期极限拉伸变形值推算( 2 0 0 号混凝土3 d 的拉伸变形约为0 5 5 x1 0 叫) ，只要混凝土表面温度骤降5 7 ，就可能引起裂缝。在理论上可以归 结为不能“同步变形而产生的裂缝。采用保温法控制温度的基本原理是利用 混凝土的初始温度加上水泥水化热的温升，在缓慢的散热过程中( 通过人为控 8 第1 章引言 制) ，使混凝土获得必要的强度。 上述措施工艺复杂、工程造价高，而且不能有效控制温