基于断裂力学的大体积混凝土施工阶段裂纹研究

林海燕

(中冶建工集团有限公司勘察设计研究院)

0 引言

大体积混凝土的厚度大于或等于1.5 m，长、宽较大，施工时水化热引起混凝土内的最高温度与外界温度之差不低于25℃，其整体性要求较高，通常不允许留施工缝。一般多为建筑物、构筑物的基础，如水利水电工程、港工建筑物、重型机械基础等。大体积结构对整体性要求较高。因此，必须保证混凝土搅拌、运输、浇筑、振捣各工序协调配合。实践表明，大体积混凝土所产生的裂缝，绝大多数都是表面裂缝，但其中有一部分后来会发展为深层或贯穿性裂缝，影响结构的整体件和耐久性，危害很大。常见的大体积混凝土结构裂缝类型如图1。

在大体积混凝土结构的设计中，通常要求不出现拉应力(如重力坝的设计)或者只出现很小的拉应力，对于自重、水压力等外荷载，一般并不困难。但在施工过程中，大体积混凝土结构往往会由于周围温度的变化而产生很大的拉应力，并且初期混凝土强度低，一旦结构出现裂纹，则裂纹尖端将出现巨大的应力集中，即出现应力的奇异性。带裂纹结构的强度将远远低于相应无裂纹结构的强度。作为承重结构，大体积混凝土施工期间减少微裂纹的出现，将极大提高结构的强度。

图1 大体积混凝土结构裂缝类型示意图

1 大体积混凝土微裂纹控制

1.1 大体积混凝土微裂纹扩展

混凝土中微裂纹主要分为三种:第一种是砂浆与石子粘结面上的裂纹，为主要的微裂纹形式，在混凝土受荷之前即已存在，并随着荷载的增大而扩展，使应力应变关系偏离直线。荷载继续增加，相继出现第二种、第三种裂纹，即穿越砂浆的微裂纹及为数极少的穿越骨料的微裂纹。混凝土试件加载过程中，内部裂纹的发展可分为四个阶段，如图2所示。第一阶段:原始粘结裂缝逐渐扩大;第二阶段:新的粘结裂缝逐渐出现，并产生少量穿越砂浆的裂缝;第三阶段:穿越砂浆裂缝较快发展，并出现局部穿越骨料的裂缝;第四阶段:各种裂缝迅速发展并逐渐贯通。

1.2 大体积混凝土的断裂韧度

大体积混凝土施工阶段的裂纹多由拉应力产生，属于裂纹扩展类型中的第一种——张开型。坐标系如图3所示，根据弹性力学分析，裂纹尖端附近的应力分量和位移分量可表示为

图2 混凝土内部裂缝

图3 坐标系

其中:(γ，θ)为以裂纹顶点为原点的极坐标;K1为Ⅰ型应力强度因子;σ为断裂应力;a为裂纹长度一半;E为弹性模量;μ为泊松比。

裂纹尖端的扩展与应力强度因子K1是否达到临界值KIc有关，裂纹扩展的临界条件可写为K1=KIc。当KI达到KIc时，裂纹将扩展;而当KI＜KIc时，裂纹不扩展。KIc是通过材料试验测定的，表征材料对裂纹扩展的抗力，称为断裂韧度。经过大量试验统计分析，于晓中等建议用下式估算混凝土的断裂韧度

其中，对于大体积混凝土取k=1.9，混凝土劈裂抗拉强度Rt的量纲为MPa。即

由上可知裂纹尖端应力值σ与混凝土劈裂抗拉强度Rt的关系

有

2 施工期微裂纹发展规律

2.1 温度控制因素

混凝土的浇筑温度和水化热升温是控制大体积混凝土微裂纹发展的主要因素。从温度控制观点来看主要涉及三个特征温度:(1)混凝土浇筑温度TP，混凝土建筑物的起始温度;(2)混凝土最高温度TP+Tr，等于浇筑温度TP加水化热升温Tr;(3)最终温度Tf。

混凝土强度是通过水泥不断水化体现的，水泥水化越充分整个混凝土结构强度越接近于设计强度值。然而，水泥水化反应为放热反应，过高的温度不利于混凝土强度发展。大体积混凝土结构断面尺寸比较大，内部水化热不易散失，与表面环境温度形成较大温差，抑制混凝土强度的发展。因此，TP+Tr与外界温度T0之差△T是控制施工期裂纹发展的关键，为了防止温差过大需采取保温隔热措施。

保温隔热措施可以有效的降低△T，阻止裂纹的发生。下面以寒潮期间混凝土坝体为例，说明表面保温λ/β对混凝土表面降温幅度的影响:

按无限大平板计算，厚度为2R。寒潮期间气温变化近似用折线表示

温度场的初始条件和边界条件为

满足这些条件和热传导方程的解为

在表面上温度最低、应力最大，在上式中令x=R，得表面温度

式中:λ为导热系数;a为导温系数;μn为特征方cotμn-(λ/βR)μn=0的根;β为表面放热系数。

由式(10)算的温度见图4。可以看出表面保温λ/β对混凝土表面降温幅度的影响十分显著。

表面保温系数λ/β可以有效降低混凝土表面降温幅度。λ/β越大，降温效果越明显;对于相同的保温系数λ/β，随着养护时间的增长，混凝土表面降温幅度增大。因此，浇筑大体积混凝土早期必须加强保温措施，使内外温差均衡下降。

图4 寒潮期间混凝土表面最低温度

2.2 裂纹尖端应力值折减

混凝土养护龄期内，实际的混凝土劈裂抗拉强度R't远比设计抗拉强度Rt低;根据公式(5)知，实际的断裂韧度K'Ic也较小。

由公式(6)可得

由上式知，混凝土劈裂抗拉强度Rt与裂纹尖端应力值σ成正比。施工阶段由于混凝土内外温差，减缓了混凝土劈裂抗拉强度Rt的增长，则裂纹尖端应力值σ也较小，出现裂纹尖端应力值的折减。

3 结论

大体积混凝土施工阶段裂纹分析可得如下结论。

(1)提出了加载大体积混凝土裂纹发展四阶段;

(2)施工阶段大体积混凝土裂纹尖端临界应力强度因子KIc较小，实际施工中容易达到，提供了微裂纹生成的外部条件;

(3)采取保温措施可以有效降低混凝土表面降温幅度，抑制内部微裂纹的生成。

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