东岸水闸混凝土浇筑温应力及裂缝控制措施

钟玉华

（惠州市潼湖水利工程管理中心，广东 惠州516001）

1 工程概况

东岸水闸位于惠州市潼湖围东江堤段上，主要任务是在汛期将潼湖围内洪水排入东江，具有水道短、排涝调度便利、过流大等优点。

东岸水闸始建于1969年，现过闸流量峰值64m3/s，为Ⅳ类闸，需报废重建。新建东岸水闸标准为中型水闸，设置闸孔1孔（净宽10m），设计流量214.4m3/s，防洪设计标准50年一遇，排水设计标准20年一遇，工程等级为Ⅲ等。

2 大体积混凝土裂缝成因分析

2.1 大体积混凝土划分标准

大体积混凝土一般标准为：现场浇筑混凝土尺寸达一定数值后，必须采取措施来应对水泥水化产生的热量及伴随其发生的体积变化，以尽量减少温度裂缝产生［1］。其中日本建筑学会标准定义为：结构断面最小在80cm以上，同时水化热导致混凝土内部和外界温差超过25℃。

我国相关规程：混凝土结构物实体最小尺寸不小于1.0m，或因水泥水化热引起内外温差过大而导致裂缝的混凝土体［2］。

新建东岸水闸全长128m，涉及到混凝土浇注体积达8800m3，其中开口箱涵段、启闭机室、闸室最小浇筑尺寸均远大于1.0m，因此属于大体积混凝土范畴。

2.2 大体积混凝土裂缝成因

结合工程实际和研究成果，大体积混凝土发生裂缝原因有如下3个。而通过研究表明：水泥水化热则是裂缝产生的最主要原因，本文重点对该成因进行分析。

2.2.1 水泥水化热影响

水泥水化后释放大量热量，导致混凝土内部温度升高，内部和外部产生温度应力，进而造成裂缝产生［3］。

2.2.2 外界温差变化影响

若外界环境在短期内变化太大，特别是温度骤降，也会加大温度应力现象。

2.2.3 混凝土收缩变形

当混凝土不断干燥直至内部20%吸附水逸出就会出现干燥收缩，但表面和内部干燥收缩速度不一致，导致表面产生拉应力并产生裂缝。

2.2.4 混凝土沉陷裂缝

模板支架变形下沉或过早拆模板易使混凝土发生裂缝［4］。

3 大体积混凝土内部温度应力分析

3.1 东岸水闸混凝土温度场

从浇筑完工起，由于水化热作用，大体积混凝土处于一个动态温度场中，进而引起应力变化。

混凝土最初温度为入模温度，所有点均一致。随着浇筑时间增长，混凝土内部和外部温差ΔT（t）逐渐加大，引起混凝土体积变形。经分析，ΔT（t）是由水化热绝热温升T0、入模温度T（t）、混凝土结构物散热温降Ts（t）、外界温度Ta（t）共同作用而成，如式（1）［5］。

其中，ζ为温降系数，根据混凝土浇筑体厚度和龄期确定。

不同浇筑体厚度和浇筑龄期与混凝土温降系数ζ值关系如表1［6］。

表1 不同浇筑体厚度与混凝土温降系数ζ值关系

由表1数据可知：同一个浇筑厚度下，ζ值随着浇筑龄期d的增长而逐步减小；当相同的浇筑龄期下，ζ值随着浇筑厚度的增大也会逐渐增大。

3.2 东岸水闸混凝土浇筑体温度应力

3.2.1 温度场观测结果

为测定东岸水闸大体积混凝土浇筑体的温度及应力动态变化，将温度及应力传感器安设在开口箱涵段浇筑底板表面、中心、底面，以测定不同部位、不同龄期浇筑混凝土的温度值和应力值。通过观测，得出开口箱涵段各部分温度变化与浇筑龄期d之间的关系曲线如图1。

图1 混凝土温度与浇筑龄期d的关系

由图1曲线可知，浇筑混凝土上表面初始温度最低，且温度一直呈现降低趋势，并在浇筑完10d降低至环境温度；中心温度则初期呈现急剧上升，于浇筑第3d达到峰值75℃，之后急剧下降；下表面由于散热性差，温度呈现缓慢上升之后缓慢下降状态。最终均在30d后温度保持稳定。

3.2.2 温度应力

本项目采用混凝土等级为C30，水泥用量较大，达530kg/m3，为保证结构强度和控制裂缝，配筋率较高，为简化计算，本工程不考虑底底模的约束力。

浇筑混凝土温差所产生的最大温度应力σmax计算如式（2）。

式中 α为混凝土线膨胀系数，1.0×10-5；coshβ为双曲余弦函数；L为浇筑体结构长度；Et为混凝土各龄期对应的弹性模量；T为结构计算温度；s为混凝土应力松弛系数。

经计算本项目最大温度应力产生于中心位置，σmax=1.18MPa，该值小于混凝土30d龄期抗拉强度（1.89MPa），所以判断不会因收缩应力而产生收缩裂缝。

经应力传感器数据，得出各位置应变随混凝土龄期d的关系曲线如图2。

图2 应变随混凝土龄期d的关系

由图2中数据可知：上表面应变最大，在龄期10d时达-50；中心应变和下表面应变均在龄期5d时达最大值42。因此上表面是出现温度应力导致裂缝的危险区域。

4 混凝土温度裂缝控制分析

4.1 优化配合比并降低水泥用量

本项目掺入总量15%的粉煤灰后可将水化热降低15%，效果显著。

4.2 砂、骨料含泥量越大，越容易产生裂缝

砂料按照对混凝土收缩裂缝的影响程度从大到小依次为：河砂＞陆砂＞海砂＞山砂；而骨料影响排序为：山碎石＞河砾石＞石灰石碎石。因此本项目选用山砂和石灰石碎石进行混凝土制备。

4.3 温度较低时段施工

采用分层浇筑时（每层厚度3～5m），每层的中下部浇筑在早晚进行，表面部位在白天浇筑。同时控制各层间的浇筑间歇期，一般为7～15d。

4.4 降低混凝土入仓温度

控制混凝土浇筑温度平均低于环境气温+5℃。为保证质量，并采用冷却水管帮助混凝土降温，其水平和上下层基本间距均为1.0m，间距误差低于±0.05m。

5 结语

（1）大体积混凝土裂缝控制难点就在于温度应力控制，涉及到众多影响因素，其中水泥水化热是重点。

（2）通过东岸水闸混凝土浇筑体的应力场，得到了浇筑体上表面是温度应力裂缝的危险区域，并制定了应对措施。

（3）该水闸投入使用后，多年监测并未发现各浇筑结构损坏和变形，温度力裂缝得到了较好控制，也给类似工程提供了成功经验。

参考文献：

［1］龚剑，李宏伟.大体积混凝土施工中的裂缝控制［J］.施工技术，2012，41（6）：28-32.

［2］林一，王凯，高荣雄.大体积混凝土裂缝控制研究［J］.土木工程与管理学报，2011，28（3）：35-39.

［3］孙晓虎，齐剑，张军.大体积混凝土裂缝控制技术在工程中的应用［J］.混凝土，2008（8）：105-108.

［4］康德君，李永斌，李勇军，等.大体积混凝土裂缝控制和施工设计［J］.混凝土，2005（10）：88-91.

［5］刘京红，梁钲，刘晓华，等.大体积混凝土施工中的温度监测及裂缝控制［J］.河北农业大学学报，2008（2）：106-109.

［6］杨和礼.基础大体积混凝土裂缝的控制［J］.武汉大学学报（工学版），2007（S1）：349-354.