混凝土坝低温入仓致裂问题探讨.pdf

水利水电技术第4 1 卷2 0 1 0年第 7期 混凝土坝低 温入仓 致裂问题探讨 张国新 ，刘有志，马晓芳 ( 中国水利水电科学研究院，北京 1 0 0 0 3 8 ) 摘要：在 大体积混凝土结构温度控制 中常采取低温入仓措施来降低混凝土的最高温度，而低温入仓 却会给下部 已浇混凝土带来一些不利影响，低温入仓对下部 已浇混凝土而言是一个冷击过程 ，会在其 表面产生冷击拉应力，该拉应力过大时会导致下部混凝土的开裂 ，成为后期大坝冷却时 出现宏观长大 裂缝的诱 因。同时部分低温入仓应力会残 留于混凝土 内，与后期温降应力迭加 ，也可能引起混凝土开 裂。本文对低温入仓 引起的冷击温度应力进行分析 ，并研 究了其残余应力对后期应力的影响，从而提 出了合理的措施 以避免低温入仓 引起裂缝 。 关键词：低温入仓；温度应力 ；裂缝 ；混凝土坝 中图分 类号：T V 6 4 2 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 0 - 0 8 6 0 ( 2 0 1 0 ) 0 7 0 0 4 5 0 4 Di s c u s s i on o n c r a c ks c a us e d b y l o w- t e m p e r a t ur e pl a c i ng o f c o nc r e t e da m ZHANG Gu o x i n，LI U Yo u z h i ，MA Xi a o f a n g ( C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r R e s e a r c h ， B e ij i n g 1 0 0 0 3 8 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：L o w t e mp e r a t u r e p l a c i n g i s a ma i n me a s u r e i n t h e t e mp e r a t u r e c o n t r o l l i n g o f mass c o n c r e t e s t r u c t u r e s ，b u t t h i s me as n r e w i l l b r i n g s o me a d v e r s e e f f e c t s i f n o t b e u s e d p r o p e r l y I f t h e p o u r t e mpe r a t u r e i s t o o l o w，i t wi l l c a u s e a t e mp e r a t u r e d r o p f o r t h e o l d c o n c r e t e be ll o w as a c o l d b l o w i n g p r o c e s s ，a n d thi s p r o c e s s c a n c a u s e t e n s i l e s t r e s s a t the s u r f a c e o f l o we r p a r t If t h e t e n s i l e s t r e s s e x c e e d s t h e s t r e n g t h o f c o n c r e t e ，i t wi l l g e n e r a t e c r a c k s a t the o l d c o n c r e t e o f l o we r p a r t ，a n d t h e s e c r a c k s C an p r o p a g a t e t o s o me b i g a n d l o n g c r a c k s a t t h e l a t t e r c o o l i n g p e ri o d A t t h e s a me t i me ，p a r t i a l t e n s i l e s t r e s s c a u s e d b y l o w t e mp e r a t u r e p l a c i n g wi l l r e ma i n i n c o n c r e t e ，a n d o v e r l a p w i t h the l a t t e r t h e r mal s tre s s ，w h i c h ma y c a u s e c r a c k i n g o f c o n c r e t e T h i s p a p e r c al c u l a t e d t h e c o l d - b l o wi n g the rm al s t r e s s c a u s e d b y l o w t e mp e r a t u r e p l a c i n g ，a n d a n aly z e d t h e i n fl u e n c e o f r e s i d u al s t r e s s o n l a t t e r s tre s s ，a n d t h e n p u t for w ard t h e r e aso n a b l e me asu r e s t o a v o i d c r a c k s c a u s e d b y l o w t e mp e r a t ure p l a c i n g Ke y wor d s：l o w t e mp e r a t ur e p l a c i n g；t h e rm al s tres s；c r a c k； c o n c r e t e da m 混凝土结构温度控制与防裂 目前有三大手段 ：降 低浇筑温度、通水冷却和表面保温。其 中通过风冷骨 料 、加冰拌和等措施对混凝土进行预冷 ，以降低出机 口温度 ，进而降低混凝土的人仓温度及浇筑温度 ，是 降低混凝 土最高温度 的最重要 、最常用 的手段 。 目 前 ，常态混凝土坝浇筑过程中绝大多数都采用了低温 人仓措施 ，部分重要 的碾压混凝土坝如龙滩 、光照等 也在高温季节采取了低温人仓的温控措施 ，取得了良 好的温控效果。 低温入仓的混凝土温度一般远 低于下面 已硬化 混凝土的温度 ，入仓 过程对下部混凝土而言是一个 冷击过程。老混凝土表面的温度会在短时 间内降至 Wa t e r Re s o u rc e s a n d Hy d r o p o w e r En g i n e e r i n g Ii o l 41 No 7 新老混凝土的平均值 ，从 而在下部 已硬化的混凝土 表面引起拉应力 ，如果两层混凝土 的温差过大 ，则 会使拉 应 力超 标 而引 起裂 缝 ，这就 是 低温 入仓 的 “ 致裂 ” 问题 。同时 ，上部混凝土入仓后 ，下部混凝 土受上部低温人仓影响温度下降 ，上部混凝 土受水 化作用 温度 会 上 升 ，下 部混 凝 土温 降会 引 起拉 应 力 ，上部混 凝 土温 升也 会在 下 部混 凝 土 引起拉 应 力 ，这样产生的温度应力会有 相 当一部分残留在混 收稿 日期 ：2 0 1 0 - O l - 2 0 作者简介 ：张国新( 1 9 6 o 一 ) ，男 ，山东临朐人 ，教 授级高级 工程师 ， 博士。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张国新 ， 等 混凝土坝低温入仓致裂 问题探讨 凝土 内部 。当后期温降引起整体拉应力时 ，与残 留 拉应力迭加则可能引起裂缝或使已有 的小裂缝扩展 从而形成宏观危害性裂缝 。 因此 ，在设计和施工阶段 ，应研究 已浇混凝土与 新人仓混凝土之间的允 许温差 ，并采取措施控制 温 差 ，避免出现“ 低温人仓致裂” 现象。 1 低温人仓后新老混凝土温差 此处讲 的新混凝土是新入仓的混凝土，老混凝土 为下层已浇筑的混凝土。与一般定义上的新老混凝土 有 区别。目前重要混凝土坝的机 口温度一般可控制到 6 7 o C，经过运输过程 中的温度回升后 ，入仓 时温 度升到 8 9 o C 左右 ( 见表 1 ) 。 表 1 几个重点工程的设计 机口温度和入仓温度 机 口温度 人仓温度 项 目 高温季节 低温季节 高温季节 低温季节 三峡 7 自然人仓 1 41 6 1 21 4 小湾 7 7 1 2 1 O 二滩 8 9 1 0 l 2 溪洛渡 7 9 9 l l 锦屏一级 7 1 0 9 l l 表 1所示的只是设 计机 口温度 和人仓 温度 ，实 际控制中往往有 出入。由于质量验 收时以设计值为 上 限标准 ，即高于设计值被认为超标 ，但未对下 限 提 出要求 ，同时有 的工程高温季节 为了控制最高温 度 ，会进一步降低人仓温度。因此实 际控制常 出现 入仓温度远低于设计值 的情况 ，如某坝设计人仓温 度为 9 c I = ，但 实测 最低 温度达 34 ，某些 浇筑 层 的平均人仓温度 56 ，实际入仓温度低 于设 计值 3 6。 在老混凝土上浇筑低温混凝 土时 ，会在浇筑瞬 间对老混凝 土表面施加一个冷击作用 ，冷击作用 的 大小取决于混凝土浇筑瞬 间新老混凝土之间的温度 差值。我们不妨称其为新老混凝土温差 。在人仓温 度人为控制的条件下 ，新老混凝土温差大小就取决 于新混凝土入仓时老混凝土表面的温度 ，而老混凝 土表面温度一般受 以下几 个因素的影响 ：( 1 ) 新浇 混凝土浇筑季节及 时段 。混凝 土浇筑 间歇仓面附近 混凝土的温度主要取决 于气温及仓面措施 ，当未采 用仓面保护及洒水、流水养护等措施 时，仓面温度 接近气温加上辐射热 ；采取仓面保 温措施 时，仓面 温度取决于气温与保温层厚度；洒水、流水养护 时，则取决 于气温和养护水温 度。( 2 ) 老混凝 土龄 期 。常态混凝土早龄期处于温升阶段 ，温降一般出 现在 3 5 d ，其后随着通水冷却降温。由于混凝土 浇筑间歇期一般在 5 d以上 ，因此新混凝土浇筑时 温度峰值一般 已过 ，具体温度则取决于降温速率和 间歇时间 ；( 3 ) 通水冷 却措施。冷 却水管布置 一般 位于下层表 面，距上表面最远 ，因此混凝土仓 面温 度在浇筑早期受水管影响较小 。 我国不少工程地处 干热河谷 ，高温季节仓 面气 温远高于当地气象站 的平均气温 ，如某工程高温季 节实测气温达 4 0 0 【 = 以上 ，而此 时的月平均气 温仅 有 2 7 2 8。如果混凝 土仓 面不采取措 施 ，受太 阳直射 ，高温时段的混凝土表 面温度 比仓面气 温还 要高 ，如果此时浇筑低温混凝土 ，新老混凝土的温 差可达 3 0 以上 ，如果进一 步降低入仓温度 则实 际温差可达 3 5 。在混凝土 浇筑的瞬 间可使 老混 凝土表面 出现如上 温差 1 2的温度下 降 ，即 1 5 1 7 5温度骤降。由于该温度骤降发生在老混凝土 表面很小的范 围内，温度梯度大 ，足 以引起温度裂 缝 。 以某坝高温季节浇筑混凝土的温度变化为例进行 分析。某层混凝土浇筑后间歇 1 4 d ，之后浇筑上部混 凝土，浇筑上层混凝 土时的仓面平均气温为 3 5 ， 上层混凝土人仓温度为 9 。采用仿真计算的方法 对下部混凝土及上部混凝土浇筑后的温度场进行计 算 ，图 1为上部混凝土覆盖前及覆盖后不同时间温 度 自老混凝土表面向下不 同深度的分布。上部 混凝 土浇筑前受仓面高温影响 ，混凝土表面温度 3 0 6， 高于内部 ，由表及里温度逐渐降低 。上层混凝 土人 仓后老混凝土表面温度瞬时降低到新混凝土入仓温 度与表面混凝土 温度 的平 均值 1 9 5 ，且在混 凝 土表面附近呈现大的温度梯度 ，随新浇混凝土浇筑 后的时间的延长老混凝土表面温度逐步升高 ，内部 温度受水管及向上传热作用逐步降低 ，表面附近的 温度梯度逐步变小。低温入仓导致的老混凝土表面的 瞬时降温幅度可达 1 2 c I = ，该温度降幅在 1 01 5 e m 的厚度范 围内形成 巨大的温度梯度而产生较大的拉 应力。 2 低温人仓冷击温度应力 低温入仓冷击引起 的下部不同龄期已浇筑混凝土 表面的温度应力可以用文献 1 给出的理论解求 出。 当混凝土表面的温度在新混凝土人仓瞬间降温为 时 ，冷却应力增量为 水利水电技术第 4 1卷2 0 1 0年第7期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l -4 l 2 g 1 O 0 8 坦 0 t 6 0 4 O 2 O _ 1 r ， y 、J f + _ 亡 居 覆盂 刖 q、 、 7 一 上层覆盖后0 1 d 八。 V + 上层覆盖后( ) 5 d l 、 一 上层覆盖后 d 、 l ： 一 上层覆盖后3 d 、 l 一 上层覆盖后5 d f - 4 - - 屡覆盖 后 l 9 d l | 玎 H f 髓 m i l l l 8 2 O 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0 3 2 温度 图 1 高温季节 E 层混凝土覆盖前后不同时刻老混凝土温度分布 ( ， )： 仅 1一 式 中，丁为 上 部 混 凝 土人 仓 时 老 混 凝 土 的 龄 期 ； 为老混凝土表面温度 与新 混凝土人 仓温度 之差 的 1 2 。 以某工程的实际混凝土参数为例，取 E( 7 - )= 4 0 x 1一e x p (一0 6 z ) ，0 =8 01 0 C， =0 2 ， 即可求出不 同龄期人仓单位冷却温降时 的表面应力 ( 见表 2 ) 。 表 2 不 同龄期单位温降 的冷击时 混凝土表面温度应力 降温时龄期 d 5 7 1 4 2 8 冷却应力 MP a O 2 6 0 2 8 0 3 1 0 3 4 上部混凝土人仓时对 于下部混凝土来讲是一个瞬 间的冷击 ，徐变难以发挥作用 ，基本上是弹性应力 ， 因此冷击应力大。 l 4 1 2 旨 l 0 8 1 i 0 8 怄0 6 O 4 0 2 O ， p _ - = 2 一I 7 - 1 I 二 I I ， I I 1 1 7 ， f l 一 上层覆盖前 一 ， |t 一 上层覆盖后0 1 d一 1 f 一 上层覆盖后0 5 d一 ， f f J 一 上层覆盖后1 d 一 r 一 上层覆盖后3 d 一 f 一 上层覆盖后5 d 一 I 一 上层覆盖后1 9 d一 I l l J I l 应力 MP a 图 2上层混凝土覆盖前及其后不同时刻应力分布 同图 1 所示 的例子 ，假 定层厚为 1 5 m的 已浇 混凝土在龄期 1 4 d时浇筑上层混凝土 ，上层混凝土 人仓覆盖前及其后不同时刻下部混 凝土的应力分布 见 图 2 。在上层混凝土覆盖 前 已浇混凝 土 内部处 于 水利水电技术第4 1 卷2 0 1 0年第 7期 张国新， 等混凝土坝低温入仓致裂问题探讨 受压状态 ，该层 中下部压应力为 一 0 8一一0 9 MP a ， 表 面附近压 应力 减小至 一0 1 一0 1 5 MP a 。上层 覆盖混凝土的瞬间老混凝土表面 的温度骤 降，在表 面引起较大的温降拉应力 ，覆盖 2 h后 老混 凝土表 面最 大拉 应力 可 达 3 7 MP a ，受拉 深 度 为 0 1 m； 覆盖 0 5 d后表面最大拉应力减小到 3 2 M P a ，但拉 应力区深度变为 0 3 m；覆盖 1 d后最大拉应力降到 1 9 5 M P a ，拉应力区深度 Q 3 5 m，拉应力超过 1 0 M P a 的深 度为 0 2 m。可 以预见 ，如果 因低 温 入仓 导 致 老混凝 土产生 冷却裂 缝 ，裂 缝 可 以扩 展至 深度 0 2 1T I 处 。 图 3为下部 混凝 土不 同龄期 浇筑上 部混 凝土 ， 低温入仓引起的老混凝土表面之下 5 c m处的应力变 化过程线 。在上层混凝土覆盖前老混凝土基本处 于 受压状态或存在较小 的拉应力 ( 龄期 为 2 8 d覆盖 时 拉应力为 0 3 9 MP a ) ，在 上层 混 凝 土覆 盖 的瞬 间 ， 应力骤增 ，下部 老 混凝 土覆 盖 时龄 期越 长 ，最 大 拉应力也越 来越 大 ，当下部 老混 凝土 龄期 为 2 8 d 覆盖时最大拉应力可达 3 2 MP a ，所 以长间歇后浇 筑混凝土时在 老混 凝土 表 面容 易 因冷击 作 用产 生 裂缝 。 杂 l 4 d 后 I 盖 一 8 d 后 霞盖 、 l 0 l后 覆 盖 |lL 7 d 后 曩 盖 I 5 d 后 萋 蔷 、 l 6 I 儿 、 l 1 t | r 一 | 1 i 、 -厂 j 鼍 1 L ， 一 一 时间 年月， 日 图 3 不同龄期浇筑上部混凝土时老混凝土表面的应力过程线 3 低温人仓对后期应力影响 由图 2可 以看出，上层混凝土覆盖后 1 9 d老混 凝土表面拉应力为 1 4 MP a ，拉应力区深度为 0 8 m， 为浇筑层厚的一半。由于此时上下层混凝土均进入控 温阶段，沿高程方向温度基本相等 ，因此该拉应力即 是低温人仓引起 的残余应力。二冷时如果产生新的应 力增量，该残余应力将与二冷应力叠加。不同间歇期 长覆盖新混凝土的残余应力分布见图4 。残余应力的 4 7 3 3 2 2 l l O 0 l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张国新， 等混凝土坝低温入仓致裂问题探讨 大小与间隙时间关系密切 ，间歇期为 2 8 d时最大残 余应力为1 8 5 M P a ，拉力区深度可达 1 2 5 m，随间 歇时间的缩短残余拉应力快速减小 ，当间歇期 7 d以 下时，残余拉应力小于0 8 M P a ，拉应力区深度小于 0 7 5 m。 量 枢 1 7 r t 培 诲 、 一 丫 1 目 歇 ) a 、 、 旬歇 2 8 d 宴 敢 7 1 间 次1 4 d 泪 侗 J 嗽5 ( 凝 l - 土 ， 图 4 不 同间歇期长覆盖新混凝土的残余应 力分布 残余拉应力会与二冷时的温降应力迭加。如某坝 设计条件下典型坝段不考虑入仓冷击时的应力变化过 程见图5 。一冷末应力出现一个峰值 ，其后在控温阶 段应力缓慢下降。二冷时应力出现第二个峰值 ，最大 应力为 1 4 M P a ，仅考虑该应力则抗裂安全系数 2 5 以上，可以避免裂缝出现，但是如果迭加低人仓温度 引起的 1 8 2 0 MP a的冷击残余应力，则最大拉应 力可达 3 23 4 M P a ，超 出了容许拉应力 ，二冷 时 出现裂缝的可能性大大增加。 母 g g 兽 昌 葛 葛 2 昌竺 吕 兰g = 苫 鲁 吕 昌g g 兽答 8 8 2 2 = g g g g 8 g 8 g g g g S S g害 g 窘s 8 8 8 8 8 2 2 2 2 2 呙 呙 昌 昌罱 昌 昌昌 舄 昌 昌高 时间 年 日 图5 某坝典型高程不考虑入仓冷击时的应力过程线 4 小结 低温入仓 是大 体积 混凝 土 温度 控制 的重 要手 段，但是由于在浇筑的瞬间下部已浇混凝土的表面 温度会下降到新老混凝土的平均温度，因此当新混 凝土人仓温度与老混凝土的温度相差较大时 ，会在 4 8 老混凝土表面产生一个冷击作用从而引起老混凝土 表面的拉应力 ，当此拉应力过大时会在老混凝土表 面引起裂缝 ，即“ 低温人仓致裂” 。低温人仓应力和 冷击致裂有如下规律 ：( 1 ) 拉应力与新 老混凝土的 温差成正 比，即人仓温度越低 或新混凝土人仓时老 混凝土温度越 高拉应 力越 大；( 2 ) 拉应力及 开裂风 险随下部混凝土的间歇 时间延长而增 大，间歇时间 越长拉应力越大 ，开裂 风险越大 ；( 3 ) 低温人仓 导 致的裂缝深度较小 ，在 52 0 c m，但是该裂缝可能 会在后期温降时扩展 ；( 4 ) 低温人仓应力会有一部 分残余应力，残余应力同样与低温人仓时的新老混 凝土温 差及 间歇 龄期有 关 ，温差 越大残 余应 力越 大 ，间歇时间越长残余应力越大 ，该残余应力在混 凝土的后期温降 ( 尤其是 二冷) 时与降温应力迭加 ， 从而加大了开裂的可能性 。 避免“ 低温人仓致裂” 和减小低温入仓残余应力 的措施可从如下几个方面考虑 ：( 1 ) 选择合适 的入仓 温度 ，不宜追求过低的人仓温度 ；( 2 ) 在浇筑混凝土 前采取措施 降低老混 凝土表面温度 ( 如洒水 、遮 阳 等) ；( 3 ) 避开高温时段浇筑混凝土；( 4 ) 层面避免长 间歇。 混凝土裂缝产生的原因很多，施工措施不当是重 要原因之一 。低温人仓引起的细微裂缝可能在后期发 展成宏观裂缝。因此施工 中要采取措施避免“ 低温入 仓致 裂 ” 。 参考文献 ： 1 】 朱伯芳 大体积混凝土温度应力与温度控制 M 北京：中国 电力出版社 。1 9 9 9 2 张国新 ，艾永平 ，刘有志 ，等 特高拱坝施工期温控 防裂 的问 题探讨 J 水力发电学报( 接收稿) 3 张国新 大体积混凝土结构温度场与温度应力仿真分析程序包 S A P T I S编制说明及用户手册 R 北京 ：中国水利水 电科学研 究院 ，1 9 9 4 2 0 0 9 ( 责任编辑陈小敏 ) 水利水电技术第4 1卷2 0 1 0年第7期 2 O O J 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m