教学视频（2）在线视频

同学们好

上节课我们学习了混凝土材料的性能

坝体分区及其材料性能的设计指标

其中

对重力坝这样的大体积混凝土结构

安全易造成严重破坏的因素

为温度应力及温度裂缝

那么

温度应力是如何产生的

混凝土重力坝的温度控制应采用什么样的标准

以及可以采用哪些温度控制的措施

以减少温度裂缝的产生呢

这是本节课我们将要重点学习的内容

首先

我们回顾一下坝体施工及运行过程中

坝体混凝土温度变化的一般过程

如图所示

这个过程可以分为三个阶段

第一阶段为温升期

从混凝土浇筑入仓开始

假设混凝土入仓温度为Tp

入仓后

混凝土水化反应产生水化热

在初期

水化反应的速度较快

产生的水化热量较多

多于其向外界的散热量

导致混凝土温度的升高

在这个过程中

由入仓温度Tp升至最高温度Tmax

Tmax对应的是水化热的产生

与向外界的散热量达到平衡时的状态

最高温度Tmax

与初始入仓温度Tp的差值

称为水化热温升Tr

这个温升的幅度与混凝土材料的特性

周围气候环境、散热条件等密切相关

一般可达到15~25℃

有的最高可达30℃以上

达到最高温度后

进入第二阶段-降温期

该阶段中

水化反应继续发生且速度越来越慢

水化热产生量少于其向外界的散热量

混凝土温度逐渐降低

在靠近坝体表面和坝体内部

由于散热条件的不同

其温度下降速度也有所差别

内部混凝土由于散热条件相对较差

温度下降需要较长的时间才能达到稳定温度

而且

外界气温的往复变化

也可能导致混凝土温度

在降温期局部时段内有所回升

第三阶段为稳定期

靠近坝体表面的温度

随着外界温度变化而波动

坝体内部一般接近坝址处的年平均气温

即稳定温度Tf

上述三个阶段即构成了

坝体混凝土温度变化的全过程

可以看出

混凝土的最大温升为Tr

即最高温度Tmax减去入仓温度Tp

而最大温降为最高温度Tmax减去稳定温度Tf

最大温升和最大温降

即为重力坝温度控制的核心

也是大体积混凝土产生温度裂缝的主要原因

下面介绍温度裂缝的产生机理

首先

在第一阶段温升期

坝体混凝土温度上升

混凝土材料将受热产生膨胀

但由于浇筑块受到地基

或周围已浇筑坝块的约束作用

其不能自由膨胀

实际膨胀量小于自由膨胀量

将在混凝土内部产生温度应力

表现为受压

产生的压应力可表示为

其中E为混凝土的弹性模量

α为温度线膨胀系数

ΔT为水化热产生的温度变化值

αΔT则为温升引起的膨胀线应变

此时

由于混凝土内部受压

不产生开裂

然后

进入第二阶段温降期

由于温度下降

引起混凝土收缩变形

但是同样由于约束作用的存在

混凝土不能自由收缩

其实际收缩量小于自由收缩量

将在混凝土内部产生受拉效应

拉应力可以表示为

其中E′为温度下降后的混凝土弹模

ΔT2为温降值

线膨胀系数α值不变

与温升期相同

上述拉应力σ2的实际含义为应力增量

反映的是温升期压应力的降低效应

观察压应力中的参数E

和拉应力中的参数E′

由于混凝土随着龄期的增长

其弹性模量是逐渐增加的

因此E′将明显大于E

所以温降期产生的混凝土受拉效应

将明显大于温升期的混凝土受压效应

在温度变化值ΔT与ΔT2基本相当的情况下

混凝土的总应力可能为拉应力

如果这个拉应力超过混凝土的抗拉强度

将引起坝体的开裂

以上过程即为大体积混凝土

易产生温度裂缝的主要原因

即由于混凝土弹模的增加

后期收缩产生的受拉效应

远大于前期膨胀产生的受压效应

导致混凝土总体受拉

由此产生开裂

通过上述分析过程可以看出

混凝土最终的温度应力状态

与其受到的约束强弱、温度变化的过程

混凝土材料的内外温差等因素相关

受到的约束作用越强

温降收缩越多、内外温差越大

混凝土最终发生受拉效应的效果就越强烈

越容易开裂

对于混凝土重力坝来说

其裂缝分为贯穿性裂缝和表面裂缝两类

多是由于混凝土的温降收缩变形

引起的拉应力超过混凝土的抗拉强度引起

如图所示

其中

横向贯穿性裂缝会导致坝体漏水

和混凝土的侵蚀破坏

纵向贯穿性裂缝会损坏坝体的整体性

使其应力状态恶化

易产生应力集中及受拉开裂

水平向贯穿性裂缝

会降低大坝的抗剪强度及产生水力劈裂

使得坝体稳定性降低

因此

温度裂缝的存在将对大坝安全产生较大威胁

那么

为避免混凝土温度应力过大及产生温度裂缝

必须控制混凝土的温度变化

制定相应的温度控制标准

根据工程经验

混凝土温度控制标准有四个方面

1、地基容许温差

即地基约束范围内混凝土的

最高温度与稳定温度之差

规范建议值如表所示

可以看出

地基容许温差一般控制在20~25℃左右

而且

需要考虑地基约束和浇筑块长度的影响

距离建基面越近的部位

其受到的地基约束作用越强

控制标准越高

浇筑块越长

散热条件越差

控制标准也越高

2、上、下层容许温差

龄期超过28d的老混凝土面的

上、下层各1/4范围内

上层新浇筑混凝土最高平均温度

与其开始浇筑时的下层平均温度之差

要求一般不超过15~20℃

即减少相邻浇筑层的温差

降低其因弹模不同以及老混凝土的

约束作用而带来的不利影响

3、内外容许温差

即坝块中心温度与边界温度之差

大致和地基容许温差相当

一般不宜大于20~25℃

4、骤降温度控制

温度骤降使得混凝土表面

快速收缩以及来不及进行应力调整

易在坝体表面产生较大的拉应力及表面裂缝

因此需控制温度降低的速度

一般要求平均气温在2~4天内连续下降不超过6~9℃

为达到以上标准

减少温度应力的不利影响及坝体裂缝的产生

可以采取哪些温度控制措施呢

仍然观察如图所示的坝体混凝土温度变化过程

由前所述

温升期混凝土受压不开裂

温降期混凝土受拉易产生开裂

因此减小温降值即Tmax-Tf

可以有效降低温降期混凝土的收缩受拉效应

对温降值Tmax-Tf来说

由于Tf为稳定温度

接近于年平均气温

受自然条件制约

不易控制

因此

降低最高温度Tmax成为混凝土温度控制的核心

而最高温度Tmax=混凝土入仓温度Tp+水化热温升Tr

所以

混凝土温度控制措施的具体实施

将落实到混凝土入仓温度

及水化热温升两个主要方面

第一

混凝土入仓温度的控制

首先

可采用骨料堆积场地搭设凉棚

预冷骨料、加冰拌合等措施

降低混凝土原料的温度

其次

在运输过程中需采取良好的隔热保温措施

防止在混凝土运输过程中产生明显的升温

另外

在浇筑仓面

可采取搭设凉棚防晒、喷雾养护

以及尽量选择阴天、夜间、低温天气浇筑等

以减少仓面浇筑时混凝土受外界高温的影响

第二个方面是水化热温升的控制

可通过采用低热水泥、掺用粉煤灰、加大骨料粒径

改善级配

埋设大块石等措施

减少水泥用量及水化热的产生

以及减小浇筑层厚度

延长浇筑块的间歇时间

利用仓面天然散热

采用冷却水管进行初期冷却等措施

加快水化热的散发

降低水化热温升

除以上两方面之外

还应加强对混凝土表面的养护

在混凝土浇筑之后需对表面

添加保温覆盖、洒水喷雾养护等

以及冬季抵御寒潮

夏季防止热量回灌

实践表明

以上温控措施的有效实施

可以明显降低坝体的温度应力

以及减少温度裂缝的产生

例如

三峡混凝土重力坝

对于混凝土的温控

采用了多方面的综合措施

进行了混凝土配合比的优化设计

减少水化热的产生及提高混凝土的抗裂性能

在混凝土拌制过程中

采用风冷骨料、加冰拌和等措施

将混凝土出机温度降至7℃以下

在运输途中采取了良好的保温措施

使得运送至坝面的入仓温度低于11℃

混凝土浇筑后采用通冷却水管降温等措施

有效控制了坝体温度应力的不利影响

使坝体裂缝条数远低于国际标准

这一系列温控措施攻克了

高温季节浇筑大规模混凝土的技术难题

被两院院士潘家铮赞誉为

“没有裂缝的混凝土大坝”

以及“创造了世界奇迹”

因此

可以说

混凝土重力坝的建设

必须重视混凝土的温度控制

而科学合理的温控措施的有效实施

是大坝安全的重要保障