大体积混凝土裂缝的成因与防措施

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,有“无坝不裂”的说法。

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1/10。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施工,损失很大。因此,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15m×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环节是材料,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。早在20世纪30年代,为了建造当时世界最高的胡佛混凝土重力拱坝,美国垦务局进行了大量的研究工作,最后选定了分缝分块和水管冷却的温控防裂方式。到20世纪40～50年代美国发展了混凝土预冷技术,依靠风冷、加冰拌和等手段,降低混凝土的入仓温度,并辅之以水管冷却、分缝等,同时提出了表面保护的防止表面裂缝的措施。到20世纪50年代末,美国温度控制的基本思路和方法基本定型,并相继被欧洲、日本和前苏联等采用。(www.xing528.com)

我国高混凝土坝的建设始于新中国成立以后。通过佛子岭、梅山、响洪甸、丹江口、刘家峡等大坝的建设,积累了许多经验,初步形成了一套适用于我国混凝土坝建设的温度控制理论和方法。改革开放以后,为配合我国水利水电建设的需要,在“七五”、“八五”、“九五”科技攻关中都列入了与温控防裂有关的课题,取得了大量的科研成果,部分成果已直接应用于工程建设。通过大量的科学研究和工程实践,温度应力的基本理论和分析方法不断完善,温控理论和措施不断成熟。

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,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,如汾河二库拱坝、三峡大坝、龙首碾压混凝土拱坝等都采取了长期保温措施,朱伯芳院士提出了“加强混凝土坝面保护,尽快结束无坝不裂的历史”的观点。可以说,通过适当的表面保护,防止裂缝发生是完全可能的。

近20年来,我国工程技术人员在MgO 微膨胀混凝土对温度应力补偿效果和工程应用方面做了大量的研究工作,并逐渐应用于大坝的强约束部位,甚至整体拱坝,取得一定的工程效果。混凝土内掺MgO 后产生的微膨胀会在一定程度上补偿温度收缩,达到温控防裂的目的。但具体应用中对掺量、应用部位需进行慎重研究,同时还应保证掺Mg O 后混凝土的安定性。