混凝土早期热裂缝的防治

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在20世纪初，大体积的混凝土结构会由于水泥水化放热引起开裂的现象就已经众所周知，因此针对混凝土大坝及其他大体积水工结构建设的需要，开发出一系列避免其开裂的办法。例如，在混凝土里掺用火山灰、采用低热水泥，利用大粒径的粗骨料、非常低的水泥用量，以及采用预冷拌合物原材料、限制浇注层高和预埋管道冷却等措施，进一步获得降低水化温峰的效果。

虽然负责施工的工程师们早就已经很熟悉混凝土浇注后其热量的产生和散热过程，但是对于混凝土体与基础之间，或者混凝土体内外的最大允许温差值的规定，仅仅是根据经验做出的，而对于混凝土一些重要的性质，例如抗拉强度、热膨胀系数等并没有充分考虑。

近几十年来，基础、桥梁、隧道衬砌以及其他构件尺寸并不很大的结构混凝土开裂现象增多，同时发现干燥收缩通常在这里并不重要了，水化热及温度变化已经成为引起素混凝土与钢筋混凝土约束应力和开裂的主导原因。

自20世纪60年代后期，人们开始试图评价受约束时热变形引起的应力，并将它与初龄混凝土抗拉强度的增长相比较，但是遇到两个相当困难的问题：

1) 热应力的计算结果在很大程度上取决混凝土从半液态转化成固态时，其刚度（即弹性模量）不断增长的过程，然而这难以测定和预估；

2) 约束应力不可能用普通的方法确定，计算结果的验证也没有数据可以引用。

1969年，德国幕尼黑大学建筑材料学院开发出第一台有关的实验设备，即开裂构架，使模拟试验得以进行。初龄混凝土随温度变化产生应力的测定使人们深刻地认识到：当混凝土构件发生的膨胀或收缩变形受到阻碍时会转化为应力。慕尼黑温度—应力试验机（1984）和其他几个研究院所开发出类似的仪器，可用于测定任意约束条件下产生的应力。

近年来，许多研究者致力于早期约束应力的计算，以确定出现开裂的危险性。根据材料的性质、水化热的发展、刚度的增大与松弛能力的减小、抗拉强度的增长、热膨胀系数与化学反应对变形的影响。所有这些因素主要取决龄期、温度、水泥类型和混凝土拌合物的组成。实际上，只有可能大致估计这些因素的作用。然而，在建立近似材料性质的模型方面，已经有了很大进展。这样的模型需要假设现场的约束和温度条件。

日本和法国开发出在现场测定约束应力的新方法，实验室与现场的试验结果和计算结果比较，是该领域进一步发展的来源。

近年来，高强混凝土已被证明是对早期开裂非常敏感的材料。这不仅是水化热的结果，由于自干燥作用产生的自收缩和硫酸盐相的化学反应，可能也是重要起因。结构混凝土或大体积混凝土意外地出现开裂，不能总是归因于现场工程师缺乏经验，该领域里许多问题尚缺乏了解，激发全世界许多人去进一步开展研究。1989年，RILEM创建了“避免混凝土早期热裂缝”技术委员会——TC 119，为了交流这方面的经验和观点，以提交现状报告为宗旨，并对下述试验方法提出建议：

半绝热温升的测定；

绝热温升测定；

实验室用开裂构架测定约束应力；

现场用应力计测定约束应力。

到1994年召开“避免混凝土早期热裂缝”国际研讨会时，许多问题已经获得解决，并准备好付诸于应用。对于尚未解决的问题，也根据实验结果或者从理论角度提出建议。

还有必要确定这些方法如何最有效地在实际中运用，是否它们需要进一步开发，或者是否它们只能用于继续研究的模拟。

为了限定工作范围，就没有考虑干缩。此外，钢筋对避免较宽的开口裂缝以及采用预应力的优点，在这次会议上也没有涉及。

避免混凝土早期裂缝这一课题，是一项需要理论知识、坚实的工程判断与广泛的经验的工作。此外，从事该工作的工程师们必须确保所有必要的考虑是符合实际的。

希望这次研讨会能成为我们这一领域进步的里程碑。

                                            慕尼黑，1994年7月

 

混凝土早期的热裂缝国际会议

摘自《材料与结构》杂志对该会议的简报

来自25个国家的200多位，其中30位来自东亚的混凝土专家和科学家，出席了RILEM于1994年10月10~12日在德国慕尼黑召开的混凝土早期热裂缝国际研讨会。以交流对热应力和避免早期热裂缝方法的新认识。56篇论文的作者在会上发了言，然后分8个小组进行讨论。

会议的议题不是开发，而是避免混凝土开裂问题。主办人Springenschmid教授，也是RILEM 119-TCE委员会主席，在大会上指出：开裂降低结构的耐久性，且可能影响一些特殊结构，例如容器的功能。为了解决这个问题，撰写了一篇描述现状的报告，还对有关技术问题提出了建议。

在硬化过程，混凝土结构会由于水泥水化时的放热，温度明显地上升，产生膨胀，随后又会因为冷却而收缩。当变形受到外部制约（静不定的基床）或者死荷载较大（例如板体），就形成约束应力。不仅有热变形，还有由于化学收缩或膨胀产生的变形。

混凝土早期应力的增长，不仅决定于水化时的温度变化，其力学性能的发展，特别是弹性模量和松弛，也起决定性作用。在拌和后1小时内，混凝土就发热，但是压应力还没有形成，因为混凝土尚处于全塑性状态（图1）。只有超过初始零应力温度Tz1后，压应力上升，然而应力又会松弛。因此在到达温峰前，压应力达到最大值。当混凝土逐渐冷却时，压应力迅速减小。

 

开发开裂构架与温度—应力试验机，是为了测定混凝土在现场温度条件下初龄期的约束应力。混凝土的开裂趋势和水泥的开裂敏感性可以用开裂构架试验定量测得。混凝土的变形很大程度上被刚性的开裂构架所阻止，因此，这个试验装置可以模拟初龄期的约束条件。弹性模量E的增长可以从一开始就进行评估，在固定的温度下试验，就可以测定早期收缩和膨胀引起的约束应力。

1         需要新的实验室实验方法

现场出现的实际问题促使开裂构架和温度—应力试验机的开发。混凝土在温度上升和变形受约束时，产生应力，其大小似乎可以很容易用σ= E α_T ΔT公式得到。但是，对于初龄混凝土来说：这是不对的。在开始的24h里，弹性模量E从0增长到大约20~35Gpa。在第一天里，当应力产生之前，混凝土温度就上升，而现在还没有任何数学公式可以用来计算弹性模量与松弛作用在这一天里的发展。为了提供真实的结果，需要考虑原材料的化学组成（如硫酸盐、碱C₃A的含量等）。

因此，研究的目的在于开发新的试验装置，在初龄混凝土的热变形与其它变形受约束时的“应力反应” 可以用其测量，因此能够研究不同因素影响热应力的参数，这在预先想要防止热裂缝，以及进行试验以便比较评价这些方法的效果时是必要的。

1.1 混凝土路面裂缝的形成

奥地利某混凝土路面浇注后，出现许多横向裂缝。该路面在锯缝前就发生不规则开裂，是由于炎热夏天里混凝土浇注后的第一个晚上受到雷暴雨天气，混凝土温降超过15K。但是邻近的另一工地同时也在施工，就没有出现开裂。而且锯缝后，也未出现迅速向下延伸的情况，而是要待几天以后才发生。两个工地所用水泥和骨料不同，究竟是否因为水泥、骨料或者养护方法造成混凝土开裂敏感性的差别？如何定量评价这些因素之间的关系？用现行的试验方法自然是不能回答上述问题的。

1.2 开裂构架的开发

混凝土路面板出现开裂，显然是因为它冷却时不能沿轴向缩短，路面板与基层之间的摩阻力非常大，抑制了它的收缩。实验室的试验必须尽可能准确地反映现场发生的基本应变和应力。为了再现路面板在轴向的有效拉应力和路面混凝土的温度，在实验室里浇注了一段长1m的梁模拟路面板，装置如图所示，它从一开始就既不能伸长，也不能缩短。

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