混凝土重力坝裂缝成因分析.pdf

2 0 1 3年第 2期 ( 第 4 l卷) 黑龙江水利科技 H e i l o n i i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y NO 2 2 01 3 ( T o t a l N o 4 1 ) 文章编号 ： 1 0 0 7 7 5 9 6 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 1 0 6 0 3 混凝土重 力坝裂缝成 因分析 杨玉光， 魏鸣冬 ( 辽宁省观音 阁水库管理局， 辽宁 1 1 7 1 0 0 ) 摘要： 混凝土重力坝是以混凝土作为主要材料修筑的大体积挡水建筑物。其在水压力及其 他荷载作用下， 依靠坝体 自重满足稳定和强度要求。混凝土重力坝在荷载作用及变形 易引起裂缝。对裂缝的分类 ， 成因进行了分析。 关键词： 混凝土重力坝； 荷载裂缝 ； 变形裂缝； 应力； 约束 ； 极限拉伸 中图分类号： T V 6 4 2 3 文献标识码： B l 基本概念 1 1 混凝土 混凝土是由水泥 、 掺合料 、 外加剂与水按一定 比 例配制而成的胶结浆体将分散的砂、 石子经搅拌而 黏结在一起的气硬性胶凝材料。其最显著的特点是 具有较高的抗压强度和极限压缩变形值， 而抗拉强 度和极限拉伸值却相当低， 抗拉强度只有抗压强度 的 1 8 1 2 0 ， 2 8 d 龄期的C 2 0混凝土极限拉伸值 1 0 x 1 0 ( 大坝混凝土干缩变形一般在 3 01 0叫 左右) 。混凝土强度等级越高， 其 比值越小， 抵抗变 形的能力越差 ， 越容易开裂产生裂缝 。 1 2 混凝土重力坝 混凝土重力坝是以混凝土作为主要材料修筑的 大体积挡水建筑物。其在水压力及其他荷载作用 下 ， 依靠坝体 自重满足稳定和强度要求。 1 3 混凝土裂缝的定义及分类 1 3 1 定义 混凝土裂缝是指混凝土在温度和湿度变化的条 件下， 硬化并产生体积变形， 由于各种材料变形不一 致， 互相约束而产生初始应力， 造成在骨料与水泥石 黏结面或水泥石本身之间出现肉眼看不见的微观 裂缝。 在荷载作用下或进一步产生温差 、 干缩 的情况 下， 微观裂缝开始发展 ， 并逐渐互相 串通 ， 从 而出现 较大的、 连贯的、 肉眼可以看见的宏观裂缝。 裂缝是大体积混凝土建筑物普遍存在的现象， 尤其是高混凝土用量的重力坝。所谓大体积混凝 土 J ， 美国混凝土协会给出的定义是： 体积大、 表面 系数比较小、 水泥水化热释放比较集中、 内部温升比 较快 ， 混凝土内外温差 比较大时 ， 会产生 温度裂缝 ， 影响结构安全和正常使用 J 。 水工混凝土多半是大体积素混凝土和少筋混凝 土 ， 所 以要想避免结构产生裂缝 ， 需要在设计 、 施 工 等方面采取积极 、 可靠地技术措施 ， 不是轻而易举 能 够做到的。 1 3 2 裂缝分类 大坝裂缝按产生原因分类 ， 可分为荷载裂缝和 变形裂缝。荷载裂缝是指因动、 静荷载的直接作用 收稿日 期 2 0 1 2 一l 1 一 l 9 作者简介 杨玉光( 1 9 6 8一) ， 女， 辽宁辽阳人， 高级工程师； 魏呜冬( 1 9 6 7一) ， 男， 辽宁朝阳人，高级工 程师 。 1 0 6 - - 杨玉光， 等： 混凝土重力坝裂缝成因分析 第 2期 引起的裂缝 ， 如结构超载 。变形裂缝是指 因不均 匀 沉降、 温度变化、 湿度变异、 膨胀、 收缩、 徐燹等变形 因素引起的裂缝 ， 包括温度裂缝、 干缩裂缝、 超载裂 缝、 碱一骨料反应裂缝、 地基不均匀沉陷裂缝等 。 水电工程一般将裂缝分为贯穿裂缝、 深层裂缝 及表面裂缝 3种 ， 示意如图 1 。 图 1 混凝土坝温度裂缝分类示意图 1 3 2 1 表面裂缝 混凝土硬化过程 中， 水泥水化产生大量 的水 化 热 ， 当水泥用量在 3 5 0 5 5 0 k g m ， 混凝 土将释放出 1 7 5 0 0 2 7 5 0 0 k J m 。 的热量， 从而使混凝土内部温 度升达7 O左右， 甚至更高。 由于混凝 土的体积 较大 ， 大量 的水 化热聚积在 混凝土 内部不易散发 ， 导致 内部温度急剧上升 ， 而混 凝土表面散热 较快 ， 这样就 形成 内外 的较大温 差。 较大的温差造成 内部与外部热胀冷缩 的程度不 同， 使混凝土表面产生一定的拉应力。当拉应力超过混 凝土的抗拉强度极限时 ， 混凝土表面就会产生裂缝。 1 3 2 2 深层裂缝 深层裂缝的表面缝宽 0 2 0 4 m m， 深 1 5 m， 2 m 长度 1 3坝块宽度或贯穿 2 3个浇筑层 ( 层厚 81 0 m或 1 3坝 块宽度的裂缝 。 其 中以基础混凝土贯穿缝最为严重 ， 它破 坏大 坝的整体性， 如不处理将改变大坝运用期的应力 状况。 2 混凝土重力坝产生裂缝原因 混凝土搅拌后是一种不定型的可塑性材料， 其 中水泥是混凝土增强的主要胶结材料。水泥的化学 收缩与水泥的组分、 标号 、 细度、 用量及施工工艺有 关。一般来说， 水泥的强度越高、 细度愈大、 用量愈 多， 混凝土 的收缩率也就 随之增加。混凝 土在经过 收缩阶段后 ， 总的收缩率应控制在 0 0 5 左右。混 凝土收缩是其固有的物理特性， 也是混凝土出现裂 缝 的根本原因之一 。 2 1 荷载作用引起的裂缝 在荷载作用下， 因结构的强度、 刚度或稳定性不 够而出现 的裂缝称为荷载裂缝。这类裂缝主要是 由 于混凝土早期抗 拉强度 和弹性模 量低 ， 在 自重 、 水 压 、 扬压力 、 泥沙压力 、 地震压力 、 动水压力 、 冰压力 等外部荷载 的综合作用下 ， 由于截面 的混凝 土拉应 变超过了混凝土极限拉伸值， 导致结构变形， 在抗拉 能力最薄弱处产生裂缝。 2 2 变形引起的裂缝 J 2 2 1 温度裂缝 水泥在水化过程 中要释放 出一定 的热量 ， 而大 体积混凝土结构断面较厚、 表面系数相对较小的特 性决定了水化产生的热量聚集在结构内部不易散 失。混凝土内部 的水化热无法及 时散发 出去， 越积 越高， 使内外温差增大， 形成了温度应力。 关于“ 温度应力” ， 同济大学结构工程 与防灾研 究所李遇春教授这样认为： “ 当弹性体( 即混凝土结 构) 的温度改变时， 它的每一部分都将由于温度的升 高或降低而趋于膨胀或收缩 。但是 ， 由于弹性体受 到外在约束以及弹性体 自身各个部分之 间的相互约 束 ， 使弹性体的膨胀或收缩不能 自由地发生 ， 于是就 一 l O 7 一 2 0 1 3年第 2期 ( 第 4 1 卷) 黑龙江水利科技 H e i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y No 2 2 0 1 3 ( T o t a l N o 4 1 ) 产生了应力。这种由于温度改变所产生的应力称之 为温度应力” 。温度应力大小与温差有关， 直接影响 到混凝土的开裂及裂缝 的宽度。随着 温度的变化混 凝土结构产生变形， 当变形受到约束时， 便产生了裂 缝 ， 约束的程度越大 ， 裂缝就越宽。温度应力及裂缝 见图2和图 3 。 。一 。一 图 2 基础温差应力及裂缝示意图 L _ - J 温度盆盔 【 j _ J 温匿窿左盆盔 图 3 混凝土浇筑块 自身约束的温度应力 2 2 2 塑性收缩裂缝 塑性裂缝多在新浇筑 的混凝土构件暴露于空气 中的上表面出现， 譬如重力坝施工时的中间浇筑层 面。受高温或较大风力 的影 响， 新 浇混凝 土表面水 分蒸发速度大于混凝土内部从上而下的泌水速度， 表面失水过快， 造成毛细管中产生较大的负压而使 混凝土体积急剧收缩 ， 而混凝 土内部因湿度 变化 较 小 ， 变形也较小 ， 较大的表面干缩变形受到混凝土内 部约束， 便产生了较大的拉应力， 而此时混凝土的强 度无法抵抗其本身收缩， 因此形成表面裂缝。 2 2 3 干燥收缩裂缝 - 1 08 - 湿胀干缩是水泥混凝土 的固有特性 ， 混凝 土中 约 2 0 的水分是水泥硬化所必须的 ， 而约 8 0 的水 分要蒸发。混凝土 中一部分水存在于孔隙 中， 一部 分水存在于水泥水化产物 C S H凝胶体中。混凝土 硬化后 ， 内部游离水会 由表及里逐渐蒸发 ， 首先较大 孔径的毛细孔隙中的水蒸发失去 ， 较小孔径 毛细孔 隙和凝胶体 内吸附水 以及胶 体层间孔 隙水 相继减 少 ， 固化的水泥浆体体积 因失水而变化 ， 引起明显 的 收缩， 导致混凝土产生干燥收缩裂缝。 3 结语 混凝土重力坝产生裂缝 的因素多种多样 ， 仁者 见仁智者见智。成因分析只是一种过程， 目的是据 此采取可靠的手段最大限度地避免和减少混凝土裂 缝的产生。 数据显示 ： 为了防止裂缝而增加的投资， 约为造 价的 3 左右 ， 为处理裂缝所 花的费用约为 5 一 1 0 ， 而且修补裂缝的施工方法和工艺措施很复杂。 除此之外， 为修补裂缝可能推迟投人运行时间， 往往 造成更大的损失。因此控制裂缝应该坚持 “ 防裂 于 未然” 为主， 处理为辅的原则， 采取主动控制， 避免事 后修补加固。 参考文献： 1 李跃 大体积混凝土的温控和防裂技术研究 D 武汉： 武汉理工大学 ， 2 0 0 4 2 曹可之大体积混凝土结构裂缝控制的综合措施 J 建 筑结构， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 0 8 ) ： 3 0 3 2 3 王怀智， 马震岳， 王刚混凝土重力坝坝体裂缝摩擦系数 影响研究 J 大坝与安全， 2 0 1 0 ( 0 3 ) ： 1 01 3 4 鞠丽艳 混凝土裂缝抑制措施的研究进展 J 混凝土， 2 0 0 2 ( 0 5 ) ： 1 11 4 5 门忠 水利工程建设中混凝土裂缝的有效防治措施 J 黑龙江水利科技， 2 0 1 1 ， 3 9 ( 2 ) ： 8 1 8 2 6 陈显 大体积混凝土裂缝成因分析及其防治措施简介 G 福建省第十一届水利水电青年学术交流会论文 集 福州： 福建省水利学会， 2 0 0 7： 9 91 0 2