超長大體積混凝土結構早期開裂控制分析

李衛永，許成凱，于杰 （中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100176）

1 引言

超長大體積混凝土結構通常在水利工程建造中使用，其中由于水泥水化而產生熱應力[1-3]。例如柱、梁、橋墩或大壩，需要采取特殊措施來應對熱應力的產生。熱應力可能會導致早期裂紋、結構損壞，并進一步降低結構的適用性、力學性能和耐久性[4]。超長大體積混凝土中只有大約20%的裂縫是由外部荷載引起的，而其他裂縫主要是由熱變形、收縮和不均勻變形等約束變形引起的[5]。此外，一些大型鋼筋混凝土(RC)結構，例如大型結構的混凝土墩、墻、柱和基礎，比典型的混凝土壩裂縫數量要小得多。如果它們由高性能混凝土制成，則熱裂可能與大壩一樣嚴重。且已有研究結果顯示，在大型RC 結構中，鋼筋的作用是限制裂縫寬度。

通常采用某些措施來控制超長大體積混凝土結構中的溫度上升，如混凝土澆筑溫度控制（冷卻前）和冷卻管安裝（冷卻后）[6]。20 世紀40 年代初，工程兵團在諾福克大壩的建設過程中，首次采用了降低混凝土最高溫度的混凝土預冷方法。根據規范要求，避免熱開裂的最重要措施之一是混凝土澆筑溫度控制。大體積混凝土冷卻后的第一個主要應用是在20 世紀30 年代早期的胡佛大壩建設中。冷卻措施是通過嵌入在混凝土中的管道循環冷水來實現的。根據規范要求，使溫度下降得盡可能慢，以使應力釋放。在緩慢冷卻條件下，通常混凝土溫度保持在20℃左右混凝土開裂概率較小。此外，在一些大壩的建設中還采用了預冷和后冷措施，特別是格倫峽谷大壩、利比大壩和德沃沙克大壩[7]。結果表明，上述項目的溫度控制是有效的。在我國，部分學者首次介紹了嵌入式冷卻管的應用。近年來，對超長大體積混凝土結構的熱應力主要為數值模擬研究。然而，很少進行用于定量評估溫度控制措施的實驗室模型實驗[8]。

基于此，本文中利用溫度應力測試機（TSTM）測試在不同澆筑溫度和冷卻速率下混凝土變化規律。此外，定量研究了預冷和后冷措施對混凝土開裂的影響。基于TSTM 對鋼筋混凝土試件進行試驗驗證鋼筋效果，定量研究鋼筋對混凝土開裂的影響。試驗安裝非接觸式激光位移傳感器可以更準確地測量試件變形，通過測量鋼筋的變形，可以得到更清晰的鋼筋對熱裂的影響。研究結果可為超長大體積混凝土結構早期開裂控制提供參考依據。

2 試驗方法

在工程實踐中，采用三種常用措施來減少超長大體積混凝土的熱裂[9]，一般分為預冷、后冷和鋼筋配置。為了定量分析這些措施的效果，進行了三個案例分析，如表1 所示。在案例1 中，TSTM 測試的冷卻階段采用了兩種不同的冷卻速度（0.33°C/h 和0.21°C/h）。在案例2 中，使用TSTM 測試了兩種不同養護溫度（25.72°C 和20.53°C）的素混凝土試件。在案例3 中，測試了具有相同配合比的素混凝土和鋼筋混凝土，以考慮鋼筋對應力發展和開裂行為的影響。

表1 試驗參數

表1 中的四個試驗是在超長大體積混凝土上進行的，其配合比在表2 中給出。試驗1、2 和3 中的試樣是素混凝土，而試驗4 的混凝土試樣包含四根12mm直徑的鋼筋。

表2 混凝土配合比（kg/cm3）

3 實驗裝置TSTM

TSTM（圖1）是一種閉環單軸約束測試裝置，主要具有載荷測量、溫度測量和控制、變形測量和控制、鋼筋污漬測量四個功能[10]。對于混凝土試樣，根據試樣的變形，其中一個交叉頭用鋼爪約束，另一個由步進電機控制。試樣上的荷載放置在可調交叉頭上，精度為1n。

圖1 實驗裝置

使用放置在混凝土試樣中心部分的三個熱電偶監測溫度的變化。計算機可以計算并記錄三個溫度值的平均值。此外，采用“TSTM 溫控系統”控制試件溫度，該系統由溫控模具（試模）、泵、循環管、溫控箱組成。測試模具由四種不同的材料制成，并且內表面覆蓋有特氟隆涂層，最大限度減少樣品和測試模具之間的摩擦。溫度由液體（乙二醇和水的混合物）循環通過的測試模具控制。試模有與“循環管”相連的出口和入口。循環液可根據計算機指令由溫控系統加熱或冷卻，然后泵送至包圍混凝土試件的試模中。

4 結果與討論

在本文中，抗裂性代表了混凝土防止開裂的能力，因此提高抗裂性可以延緩混凝土開裂的程度。此外，選取裂縫溫度和應力儲量作為混凝土抗裂性的評價指標。較低的開裂溫度或較高的應力儲備意味著較低的開裂概率（更好的抗裂性）。在表3 中，參數σrt、σcr、S 和Tcr分別表示室溫下的應力、開裂應力、應力儲備和開裂溫度。開裂溫度和開裂應力表示TSTM 試驗中混凝土開裂時的溫度和應力。應力儲備代表了在冷卻階段溫度降至室溫時的抗裂能力。

表3 TSTM的結果和裂紋指標

4.1 冷卻速度對混凝土開裂的影響

在案例1 中，在冷卻階段以不同的冷卻速率（0.33°C/h 和0.21°C/h）進行了兩個測試（測試1 和測試2）。圖2 中，方案2 的開裂溫度比方案1 低8.82℃。方案1 的裂紋儲備僅為1.95%，遠低于試驗2(30.55%)。兩項裂紋指標均證明，方案2 中冷卻速率較低的試樣比方案1 具有更好的抗裂能力。與試件1（方案1）相比，試件2（方案2）由于混凝土成熟度較高，其抗拉強度較高，其應力變化率較低，有利于早期的反裂紋。

圖2 不同冷卻速率下的溫度曲線

圖3 不同的混凝土澆筑溫度

在表3 中，方案2（258h）比方案1（162h）時間長，因此，試樣2有足夠的時間重新分配內應力并降低應力集中。總之，較低的冷卻速度可以延緩混凝土開裂。

4.2 養護溫度對混凝土開裂的影響

混凝土澆筑溫度越高，水泥水化速度越快。在超長大體積混凝土中，澆筑溫度平均每降低6°C，將導致混凝土最高溫度降低約3°C。

與試驗3相比，試驗1的混凝土澆筑溫度和絕熱溫升分別高出5.2°C 和3.7°C，這與其他學者研究結果一致。混凝土絕熱溫升越高，熱應力梯度越大，開裂的概率越大。

表3 中，方案3 的開裂溫度比方案1低13.9℃（26.11℃-12.21℃），方案3 的應力儲備比方案1 約高31.24%（33.19%-1.95%）的開裂率。因此，兩個裂紋指標都表明方案3 開裂的概率較低。雖然方案3 的開裂應力小于試樣1（如圖4 所示），但在TSTM 測試中，開裂應力不能作為開裂評估的合理指標，其重要性不如試樣1。因此，較低的混凝土澆筑溫度可以降低開裂的可能性。

圖4 普通混凝土和鋼筋混凝土之間的張力應變比較

4.3 鋼筋對混凝土開裂的影響

在以往的研究中，鋼筋是用來限制裂縫寬度的，但在混凝土開裂之前，鋼筋的作用被忽略了。然而，實驗結果表明，鋼筋對混凝土應力發展起到了明顯的作用，如圖4所示。

在表3 中，RC 試件的開裂溫度比普通混凝土低約21°C。在方案4 中，直到溫度降至-9.24°C 才出現裂紋，這表明RC 試樣可以抵抗較大的溫度梯度。此外，鋼筋混凝土的應力儲備（58.93%）高于素混凝土（33.19%）。因此，RC 試件的開裂概率低于普通混凝土。同時鋼筋混凝土與素混凝土開裂應力差約為1.01MPa（方案3 中最大張應力為29.76%），鋼筋最大張應力為0.96MPa（試驗2 中最大張應力的28.57%）。因此，在本實驗中，鋼筋混凝土試件的最大抗拉強度可提高近30%。

4.4 鋼筋對混凝土極限拉伸應變的影響

鋼筋對混凝土結構極限拉伸應變的影響是一個有爭議的問題。一些研究人員指出，鋼筋對極限抗拉值沒有影響，但另一些研究人員表示，鋼筋的存在提高了混凝土結構的極限抗拉值。此外，圖4 表明RC 試件的極限拉伸應變值比普通混凝土高約105%。這種現象的原因可能是微小裂縫在第一次貫穿裂縫發生之前增強試樣的應變能力，假設微小裂縫的形成是由在鋼筋周圍發展的裂縫形成區引發的。

5 結論

①案例1 表明，考慮到兩次試驗（方案1和方案2）的開裂溫度和裂縫儲備分別為26.11° C、17.29° C 和1.95%、30.55%，較低的冷卻速度可以降低混凝土開裂的概率并延緩混凝土開裂。

②案例2 表明，澆注溫度較低的混凝土具有較低的混凝土開裂概率。試驗結果表明，方案3的開裂溫度比試驗1低13.9℃，方案3的應力儲備比方案1高約31.24%。

③案例3 表明鋼筋可以推遲第一次主要裂縫出現的時間。與素混凝土相比，RC 的開裂力矩延遲了約108h，應力儲備提高了25.74%，開裂溫度降低了21.45°C。此外，在本實驗中，鋼筋可以使RC試件的最大抗拉強度提高近30%。同時，考慮到長期荷載作用下的軸向受拉試件，由于徐變效應，內力可以從混凝土傳遞到鋼筋。

④案例4 的實驗證明了加固可以提高結構的極限拉應變。此外，RC 試件的極限拉伸應變值比本文中的素混凝土高約105%。