超长大体积混凝土结构早期开裂控制分析

李卫永，许成凯，于杰 （中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100176）

1 引言

超长大体积混凝土结构通常在水利工程建造中使用，其中由于水泥水化而产生热应力[1-3]。例如柱、梁、桥墩或大坝，需要采取特殊措施来应对热应力的产生。热应力可能会导致早期裂纹、结构损坏，并进一步降低结构的适用性、力学性能和耐久性[4]。超长大体积混凝土中只有大约20%的裂缝是由外部荷载引起的，而其他裂缝主要是由热变形、收缩和不均匀变形等约束变形引起的[5]。此外，一些大型钢筋混凝土(RC)结构，例如大型结构的混凝土墩、墙、柱和基础，比典型的混凝土坝裂缝数量要小得多。如果它们由高性能混凝土制成，则热裂可能与大坝一样严重。且已有研究结果显示，在大型RC 结构中，钢筋的作用是限制裂缝宽度。

通常采用某些措施来控制超长大体积混凝土结构中的温度上升，如混凝土浇筑温度控制（冷却前）和冷却管安装（冷却后）[6]。20 世纪40 年代初，工程兵团在诺福克大坝的建设过程中，首次采用了降低混凝土最高温度的混凝土预冷方法。根据规范要求，避免热开裂的最重要措施之一是混凝土浇筑温度控制。大体积混凝土冷却后的第一个主要应用是在20 世纪30 年代早期的胡佛大坝建设中。冷却措施是通过嵌入在混凝土中的管道循环冷水来实现的。根据规范要求，使温度下降得尽可能慢，以使应力释放。在缓慢冷却条件下，通常混凝土温度保持在20℃左右混凝土开裂概率较小。此外，在一些大坝的建设中还采用了预冷和后冷措施，特别是格伦峡谷大坝、利比大坝和德沃沙克大坝[7]。结果表明，上述项目的温度控制是有效的。在我国，部分学者首次介绍了嵌入式冷却管的应用。近年来，对超长大体积混凝土结构的热应力主要为数值模拟研究。然而，很少进行用于定量评估温度控制措施的实验室模型实验[8]。

基于此，本文中利用温度应力测试机（TSTM）测试在不同浇筑温度和冷却速率下混凝土变化规律。此外，定量研究了预冷和后冷措施对混凝土开裂的影响。基于TSTM 对钢筋混凝土试件进行试验验证钢筋效果，定量研究钢筋对混凝土开裂的影响。试验安装非接触式激光位移传感器可以更准确地测量试件变形，通过测量钢筋的变形，可以得到更清晰的钢筋对热裂的影响。研究结果可为超长大体积混凝土结构早期开裂控制提供参考依据。

2 试验方法

在工程实践中，采用三种常用措施来减少超长大体积混凝土的热裂[9]，一般分为预冷、后冷和钢筋配置。为了定量分析这些措施的效果，进行了三个案例分析，如表1 所示。在案例1 中，TSTM 测试的冷却阶段采用了两种不同的冷却速度（0.33°C/h 和0.21°C/h）。在案例2 中，使用TSTM 测试了两种不同养护温度（25.72°C 和20.53°C）的素混凝土试件。在案例3 中，测试了具有相同配合比的素混凝土和钢筋混凝土，以考虑钢筋对应力发展和开裂行为的影响。

表1 试验参数

表1 中的四个试验是在超长大体积混凝土上进行的，其配合比在表2 中给出。试验1、2 和3 中的试样是素混凝土，而试验4 的混凝土试样包含四根12mm直径的钢筋。

表2 混凝土配合比（kg/cm3）

3 实验装置TSTM

TSTM（图1）是一种闭环单轴约束测试装置，主要具有载荷测量、温度测量和控制、变形测量和控制、钢筋污渍测量四个功能[10]。对于混凝土试样，根据试样的变形，其中一个交叉头用钢爪约束，另一个由步进电机控制。试样上的荷载放置在可调交叉头上，精度为1n。

图1 实验装置

使用放置在混凝土试样中心部分的三个热电偶监测温度的变化。计算机可以计算并记录三个温度值的平均值。此外，采用“TSTM 温控系统”控制试件温度，该系统由温控模具（试模）、泵、循环管、温控箱组成。测试模具由四种不同的材料制成，并且内表面覆盖有特氟隆涂层，最大限度减少样品和测试模具之间的摩擦。温度由液体（乙二醇和水的混合物）循环通过的测试模具控制。试模有与“循环管”相连的出口和入口。循环液可根据计算机指令由温控系统加热或冷却，然后泵送至包围混凝土试件的试模中。

4 结果与讨论

在本文中，抗裂性代表了混凝土防止开裂的能力，因此提高抗裂性可以延缓混凝土开裂的程度。此外，选取裂缝温度和应力储量作为混凝土抗裂性的评价指标。较低的开裂温度或较高的应力储备意味着较低的开裂概率（更好的抗裂性）。在表3 中，参数σrt、σcr、S 和Tcr分别表示室温下的应力、开裂应力、应力储备和开裂温度。开裂温度和开裂应力表示TSTM 试验中混凝土开裂时的温度和应力。应力储备代表了在冷却阶段温度降至室温时的抗裂能力。

表3 TSTM的结果和裂纹指标

4.1 冷却速度对混凝土开裂的影响

在案例1 中，在冷却阶段以不同的冷却速率（0.33°C/h 和0.21°C/h）进行了两个测试（测试1 和测试2）。图2 中，方案2 的开裂温度比方案1 低8.82℃。方案1 的裂纹储备仅为1.95%，远低于试验2(30.55%)。两项裂纹指标均证明，方案2 中冷却速率较低的试样比方案1 具有更好的抗裂能力。与试件1（方案1）相比，试件2（方案2）由于混凝土成熟度较高，其抗拉强度较高，其应力变化率较低，有利于早期的反裂纹。

图2 不同冷却速率下的温度曲线

图3 不同的混凝土浇筑温度

在表3 中，方案2（258h）比方案1（162h）时间长，因此，试样2有足够的时间重新分配内应力并降低应力集中。总之，较低的冷却速度可以延缓混凝土开裂。

4.2 养护温度对混凝土开裂的影响

混凝土浇筑温度越高，水泥水化速度越快。在超长大体积混凝土中，浇筑温度平均每降低6°C，将导致混凝土最高温度降低约3°C。

与试验3相比，试验1的混凝土浇筑温度和绝热温升分别高出5.2°C 和3.7°C，这与其他学者研究结果一致。混凝土绝热温升越高，热应力梯度越大，开裂的概率越大。

表3 中，方案3 的开裂温度比方案1低13.9℃（26.11℃-12.21℃），方案3 的应力储备比方案1 约高31.24%（33.19%-1.95%）的开裂率。因此，两个裂纹指标都表明方案3 开裂的概率较低。虽然方案3 的开裂应力小于试样1（如图4 所示），但在TSTM 测试中，开裂应力不能作为开裂评估的合理指标，其重要性不如试样1。因此，较低的混凝土浇筑温度可以降低开裂的可能性。

图4 普通混凝土和钢筋混凝土之间的张力应变比较

4.3 钢筋对混凝土开裂的影响

在以往的研究中，钢筋是用来限制裂缝宽度的，但在混凝土开裂之前，钢筋的作用被忽略了。然而，实验结果表明，钢筋对混凝土应力发展起到了明显的作用，如图4所示。

在表3 中，RC 试件的开裂温度比普通混凝土低约21°C。在方案4 中，直到温度降至-9.24°C 才出现裂纹，这表明RC 试样可以抵抗较大的温度梯度。此外，钢筋混凝土的应力储备（58.93%）高于素混凝土（33.19%）。因此，RC 试件的开裂概率低于普通混凝土。同时钢筋混凝土与素混凝土开裂应力差约为1.01MPa（方案3 中最大张应力为29.76%），钢筋最大张应力为0.96MPa（试验2 中最大张应力的28.57%）。因此，在本实验中，钢筋混凝土试件的最大抗拉强度可提高近30%。

4.4 钢筋对混凝土极限拉伸应变的影响

钢筋对混凝土结构极限拉伸应变的影响是一个有争议的问题。一些研究人员指出，钢筋对极限抗拉值没有影响，但另一些研究人员表示，钢筋的存在提高了混凝土结构的极限抗拉值。此外，图4 表明RC 试件的极限拉伸应变值比普通混凝土高约105%。这种现象的原因可能是微小裂缝在第一次贯穿裂缝发生之前增强试样的应变能力，假设微小裂缝的形成是由在钢筋周围发展的裂缝形成区引发的。

5 结论

①案例1 表明，考虑到两次试验（方案1和方案2）的开裂温度和裂缝储备分别为26.11° C、17.29° C 和1.95%、30.55%，较低的冷却速度可以降低混凝土开裂的概率并延缓混凝土开裂。

②案例2 表明，浇注温度较低的混凝土具有较低的混凝土开裂概率。试验结果表明，方案3的开裂温度比试验1低13.9℃，方案3的应力储备比方案1高约31.24%。

③案例3 表明钢筋可以推迟第一次主要裂缝出现的时间。与素混凝土相比，RC 的开裂力矩延迟了约108h，应力储备提高了25.74%，开裂温度降低了21.45°C。此外，在本实验中，钢筋可以使RC试件的最大抗拉强度提高近30%。同时，考虑到长期荷载作用下的轴向受拉试件，由于徐变效应，内力可以从混凝土传递到钢筋。

④案例4 的实验证明了加固可以提高结构的极限拉应变。此外，RC 试件的极限拉伸应变值比本文中的素混凝土高约105%。