混凝土裂縫成因和施工防裂方法的課件

1、混凝土裂縫成因和“科學(xué)、可靠、易行、經(jīng)濟(jì)”施工防裂方法目 錄1 概述2 混凝土基本特性 3 溫度和應(yīng)力高精度仿真計算4 裂縫成因5 施工防裂方法6 施工防裂指標(biāo)7 混凝土快速施工方法8 結(jié)論混凝土裂縫現(xiàn)象是一個困擾工程結(jié)構(gòu)耐久性和安全性的老問題，也是一個長期來受各方關(guān)注的技術(shù)難題。近年來，隨著特高拱壩、大型RCCD、高性能和高熱量混凝土在工程上的大量使用，這一問題愈顯突出。在公路、橋梁工程，特別在以擋水壩為代表的大體積混凝土及眾多水工薄壁結(jié)構(gòu)工程中，施工期和初運(yùn)行期的裂縫現(xiàn)狀在工程界在總體上至今仍然處于“無壩不裂”的局面，廣泛地困擾工程的施工和建設(shè)質(zhì)量；但是在學(xué)術(shù)界就工程成功應(yīng)用層面而言，這一

2、問題已經(jīng)得到很好的解決，研究成果達(dá)到推廣應(yīng)用的成熟度。1 概述1/82施工定位錐附近裂縫2/82閘墩裂縫3/82墻體結(jié)構(gòu)裂縫4/82安徽某一船閘工程裂縫：表0.05-0.2mm,內(nèi)0.4-0.6mm5/82近年來學(xué)術(shù)界對混凝土裂縫成因和施工防裂方法研究有了突破性進(jìn)展，很多工程直接在科研成果指導(dǎo)下施工，在總體上沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫，甚至有些很有規(guī)模、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)突出且在高溫或嚴(yán)寒期施工的工程也完全沒有出現(xiàn)裂縫，有些采用的還是高熱量、高性能、自生體積變形大、脆硬和坍落度大的泵送混凝土。 6/82筆者在他人研究成果基礎(chǔ)上，提出了能精確地離散模擬混凝土冷卻水管導(dǎo)熱降溫作用的有限元“精確”迭代算法，實(shí)現(xiàn)了水管

3、混凝土施工溫度和應(yīng)力的高精度仿真計算，這在有限元仿真計算方法和施工防裂方法上是一個重大突破。近年來，在此算法基礎(chǔ)上和長期來的知識積累，對施工期混凝土裂縫成因、影響因素、啟裂點(diǎn)位置、啟裂時間、擴(kuò)裂過程、種類及施工防裂方法與具體措施等方面進(jìn)行了明顯具有獨(dú)到見解的研究，提出“科學(xué)、可靠、易行、經(jīng)濟(jì)”的施工防裂方法理念，在約20個工程的施工中得到很好乃至圓滿的應(yīng)用，該成果已達(dá)到推廣應(yīng)用的成熟度?？蒲谐晒?/82成果應(yīng)用江蘇二河常態(tài)混凝土水閘（采用吊空模板及表面保溫方法，不裂，2001年建成，獲魯班獎銀獎）；安徽姜唐湖泵送混凝土退水閘（在嚴(yán)冬季節(jié)施工，澆筑過程中大部分時間氣溫在零度以下，最低11，200

4、4年施工，完全不裂，現(xiàn)申報2007年度安徽省科技進(jìn)步獎）； 淮安立交常態(tài)混凝土地涵工程（完全不裂，亞洲同類工程規(guī)模最大，高溫期施工，2001年，獲得水利部大禹科技進(jìn)步獎、建設(shè)部建設(shè)金獎、魯班獎金獎）；福建周寧碾壓混凝土重力壩（2003年，獲2005年度福建省科技進(jìn)步獎）；8/82浙江華光潭拱壩（為設(shè)計院防裂方法設(shè)計工作服務(wù)，2004年施工，總體不裂）；南水北調(diào)東線一期工程泵送混凝土寶應(yīng)泵站（東線一期工程第一個新建泵站工程,2004年，總體不裂）；劉家道口常態(tài)混凝土大閘（嚴(yán)格執(zhí)行施工防裂方法研究成果后完全不裂，2006-2007年施工，計劃申報明年度省部級科技進(jìn)步獎）；南水北調(diào)東線一期工程淮四泵

5、送混凝土泵站（2006年夏天高溫期施工，完全不裂，正申報江蘇省今年度科技進(jìn)步獎）；浙江周公宅拱壩（2005年初建成，全年施工, 現(xiàn)場跟蹤研究，不裂，正申報浙江今年科技進(jìn)步獎）；9/82浙江紹興曹娥江河口高性能二級配礦渣混凝土大閘（亞洲最大規(guī)模河口大閘，2006年夏天高溫期施工，嚴(yán)格執(zhí)行施工防裂方法研究成果,完全不裂，準(zhǔn)備申報明年度水利部或浙江省科技進(jìn)步獎）；高溫地區(qū)南沙碾壓混凝土重力壩（2006年全年施工，允許最高澆筑溫度為34,優(yōu)化和加大表面保溫及內(nèi)部水管冷卻措施的力度,實(shí)際施工最高澆筑溫度達(dá)到36,除度汛溢流面外不裂，計劃申報2008年度廣東省科技進(jìn)步獎）；南水北調(diào)工程淮陰三站常態(tài)混凝土泵

6、站（正在施工中，至下月20號主體工程澆筑完畢,至今不裂）；10/82南水北調(diào)工程山東臺兒莊和萬年閘常態(tài)混凝土泵站（全年施工,不裂，臺兒莊工程修建在巖基上）；南水北調(diào)中線干線漕河大型輸水渡槽C60高強(qiáng)度泵送混凝土結(jié)構(gòu)，一跨多聯(lián)型。2007年在研究成果指導(dǎo)下,全年施工8個多月，已澆筑完畢，不裂,被7月7日中央臺新聞聯(lián)播節(jié)目報道;而去年該工程在他人成果指導(dǎo)下施工5個月,月月開裂,跨跨開裂,共出現(xiàn)130條裂縫。11/822 混凝土基本特性 混凝土是一種非均質(zhì)復(fù)合材料，其熱學(xué)和力學(xué)性能非常復(fù)雜，它的基本變形有熱脹冷縮、自生體積變形、濕脹干縮和徐變形，且是隨水泥水化反應(yīng)程度或混凝土成熟度而變化。此外，還有

7、外荷載作用變形。事實(shí)上，混凝土的所有熱學(xué)和力學(xué)特性都與成熟度有關(guān)，但是有些工程建設(shè)意義不大，不是關(guān)鍵因素；有些還和應(yīng)力水平或狀態(tài)有關(guān)，比如彈模、徐變和強(qiáng)度。12/82水化放熱速率與水化度的變化 水泥的水化過程可分為5個階段，即初始水解期、誘導(dǎo)期、加速期、衰退期和穩(wěn)定期。第一階段發(fā)生在水泥與水混合之后，持續(xù)時間約為15-30分鐘；第二階段發(fā)生在混凝土拌合、運(yùn)輸、澆筑的過程中，持續(xù)時間0.5-3個小時；第三階段發(fā)生在混凝土澆筑后，持續(xù)時間3-12小時；混凝土放熱高峰到達(dá)以后，水化放熱速率開始逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。13/823 溫度和應(yīng)力高精度仿真計算在溫度場計算域R中的任何一點(diǎn)，不穩(wěn)定溫度場T(

8、x,y,z,t)必須滿足熱傳導(dǎo)微分控制方程： 式中：T混凝土溫度()，a導(dǎo)溫系數(shù)(m2/h)，絕熱溫升() ，t時間(d)，齡期(d)。利用變分原理或加權(quán)余量法，對空間域進(jìn)行有限元法離散，時間域差分，再引入初始條件和邊界條件后，可得向后差分的非穩(wěn)定溫度場的有限元仿真計算遞推方程：混凝土非穩(wěn)定溫度場的基本理論14/82混凝土溫度場的主要影響因素包括混凝土的澆筑溫度、絕熱溫升、表面熱交換系數(shù)和環(huán)境溫度等等。低澆筑溫度有利于基礎(chǔ)溫差的溫控，但澆筑溫度的降低常須巨額資金的投入，需要昂貴的專用制冷設(shè)備，在一些巨型大壩工程才能采用，而在中小型工程中無法應(yīng)用，且無法防止內(nèi)外溫差裂縫的出現(xiàn)。低絕熱溫升對溫控防

9、裂也是有利的，但混凝土絕熱溫升一般隨混凝土標(biāo)號的提高而增加，混凝土強(qiáng)度和耐久性的設(shè)計要求使得這一措施往往難以有效實(shí)施。而在混凝土中埋設(shè)冷卻水管可以靈活控制水化熱溫升幅度和峰值，能在不降低混凝土等級的前提下有效控制現(xiàn)場絕熱溫升，且一般總能經(jīng)濟(jì)方便地達(dá)到這樣的應(yīng)用效果。15/82表面保溫可以減小混凝土的內(nèi)外溫差，但同時也妨礙了水化反應(yīng)過程中的熱量散發(fā)，致使混凝土溫度峰值變高，后期溫降幅度變大，降低了后期抗裂安全度。因此，通常需要結(jié)合水管冷卻措施的使用。環(huán)境溫度變幅越小對混凝土防裂越有利。施工中，通過人工營造小氣候環(huán)境可以減小氣溫變化的不利影響。最簡便有效的方法是在模板表面設(shè)置保溫材料，降低表面放熱

10、系數(shù)和溫差。混凝土早期水化反應(yīng)劇烈，常在齡期約3天時溫度達(dá)到峰值（具體時間與結(jié)構(gòu)尺寸和保溫情況相關(guān)），峰值大小和出現(xiàn)時刻對混凝土基礎(chǔ)溫差和內(nèi)外溫差有決定性影響。峰值過后是快速降溫階段，常需控制這一階段的溫降速度，防止早期冷縮拉應(yīng)力過大；但是若溫降太慢，因彈模迅速增大，在后續(xù)降溫階段又會出現(xiàn)過大內(nèi)部拉應(yīng)力，因此降溫過程是很有講究的。一般努力控制早期溫升幅度總是會有好處的。16/82無冷卻水管的計算模型 有冷卻水管的計算模型 “倒丁字形”結(jié)構(gòu)算例分析17/82混凝土主要熱學(xué)參數(shù) 導(dǎo)溫系數(shù)m2/h導(dǎo)熱系數(shù)kJ/(mh)容重kN/m3比熱kJ/（kg）絕熱溫升表面放熱系數(shù)kJ/(m2h)裸露竹膠模板塑

11、料板23.790.95263.0828.104.65a.早期閘墩表面應(yīng)力(無保溫) b.后期閘墩中面應(yīng)力（無保溫）18/82c.早期閘墩表面(竹膠模板) d.后期閘墩中面（竹膠模板）f.后期閘墩中面(竹膠模板塑料板)e.早期閘墩表面(竹膠模板塑料板)19/82g.早期閘墩表面(竹膠模板+水管冷卻)f.后期閘墩中面(竹膠模板+水管冷卻)表面保溫可減小混凝土與周圍環(huán)境的熱交換能力，有效杜絕啟裂于混凝土表面的“由表及里”型早期裂縫。但保溫會使表面散熱量減少，內(nèi)部溫升幅度增加，降溫期內(nèi)部拉應(yīng)力增大，易出現(xiàn)啟裂于內(nèi)部的裂縫,因此須控制表面保溫力度。20/82內(nèi)部水管冷卻不但能削減早期混凝土內(nèi)外溫差，同時

12、也能直接控制溫升幅度和基礎(chǔ)溫差，對防止早期和后期裂縫的出現(xiàn)都有利，是最主要的溫控防裂方法，應(yīng)大力提倡?，F(xiàn)在已有密集型水管冷卻作用的精確計算方法，能夠精細(xì)掌握水管冷卻的具體使用要求，大大提高了混凝土溫控防裂的可靠性，也奠定了“科學(xué)、可靠、易行、經(jīng)濟(jì)”施工防裂方法的量化性提出，淡化了甚至應(yīng)該消除“大體積混凝土”的概念。21/82混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變增量包括彈性應(yīng)變增量、徐變應(yīng)變增量和溫度應(yīng)變增量等，即有： 式中： 為彈性應(yīng)變增量， 為徐變應(yīng)變增量， 為溫度應(yīng)變增量， 和 為干縮和自生體積應(yīng)變增量。由物理方程、幾何方程和平衡方程可得任一時段的有限元支配方程： 式中：為結(jié)點(diǎn)位移增量， 和 分別

13、為時段內(nèi)由外荷載、徐變、變溫、干縮和自生體積變形所引起的等效結(jié)點(diǎn)力增量?；炷练欠€(wěn)定應(yīng)力場的基本理論 22/82徐變的計算應(yīng)先通過混凝土的徐變實(shí)驗(yàn)得到相關(guān)的徐變參數(shù)，但徐變實(shí)驗(yàn)往往費(fèi)時很長，且至今未見真應(yīng)力狀態(tài)條件下的試驗(yàn)結(jié)果，目前計算中常常采用經(jīng)驗(yàn)公式，給計算特別是后期計算結(jié)果帶來很大的誤差。溫度應(yīng)變與相鄰時刻混凝土的溫度變幅和線脹系數(shù)有關(guān)，要選擇線脹系數(shù)小的骨料。但實(shí)際工作中，一般只能選用當(dāng)?shù)夭牧?，控制線脹系數(shù)是很難做得到的。自生體積變形主要是由水泥材料所決定或摻加膨脹劑，這一變形發(fā)生在混凝土整個成熟過程中，摻MgO混凝土存在變形安定性的問題，不能解決早期內(nèi)外溫差和后期冷縮變形及其拉應(yīng)力的

14、問題，只有一定程度的有限補(bǔ)償作用。筆者認(rèn)為，若它與溫控措施有機(jī)結(jié)合可以減少或取消施工分縫的問題以及可修建長墻體結(jié)構(gòu)。23/82干縮變形是由混凝土表面失水引起的，因混凝土是弱導(dǎo)濕體僅發(fā)生在表面幾厘米深度之內(nèi)，是產(chǎn)生表面龜裂縫的原因。干縮變形的控制主要是在拆模后進(jìn)行表面灑水或涂刷防裂劑，但是不能過早灑水。防止龜裂縫的最好辦法是：溫升期表面保濕，并保持施工期一定的內(nèi)外溫差，降溫后表面留有足夠大的溫變壓應(yīng)力，抵抗干縮和冷擊等表面拉應(yīng)力，并在齡期達(dá)到一定后表面可以隨時進(jìn)行簡單灑水養(yǎng)護(hù)。24/82基于成熟度的混凝土溫度與應(yīng)力理論目前對混凝土熱學(xué)的研究和應(yīng)用大多停留在線性溫度場理論的基礎(chǔ)上，籠統(tǒng)地認(rèn)為水化放

15、熱過程僅與混凝土齡期有關(guān)。事實(shí)上，在混凝土成熟過程中水化放熱過程與速率是與水泥水化度或混凝土成熟度及自身溫度有關(guān)，是一個強(qiáng)非線性問題。在混凝土成熟過程中，溫度特性參數(shù)、彈性模量、抗壓和抗拉強(qiáng)度、自生體積變形、干縮變形和徐變特性等都是不斷變化的。因此，從混凝土復(fù)合材料的水化硬化微細(xì)觀機(jī)理和層面上進(jìn)行基礎(chǔ)研究，建立以成熟度為基礎(chǔ)的熱學(xué)和力學(xué)模型激光和理論以及算法，是當(dāng)今學(xué)術(shù)界的主要熱點(diǎn)研究課題。25/82水管冷卻混凝土溫度場的精確計算方法混凝土中布置冷卻水管時，混凝土表面與冷卻水管管壁同時向外散發(fā)熱量，是一個典型的空間溫度場問題，其控制方程、初始條件和邊界條件等基本理論與未布置水管的溫度場相同，但

16、因水管內(nèi)的水是流動的和事先不知道的沿程變化的水管水溫，水管壁面成為復(fù)雜的非線性導(dǎo)熱降溫邊界。自30年代初出現(xiàn)這個重要問題后，它的精確計算問題一直至最近才得到徹底解決。選用金屬質(zhì)水管時，水管壁面可視為熱學(xué)第一類邊界，認(rèn)為水管外壁面混凝土溫度與冷卻水溫相同：當(dāng)采用塑料質(zhì)水管時，管壁混凝土面應(yīng)視作第三類邊界： 式中：2水管表面放熱系數(shù)(kJ/(m2h)，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)(kJ/(mh)，Tw水溫() 。26/82如上圖所示，任取一段帶有冷卻水管的混凝土體元，并假定冷卻水的流入面為W1，流出面為W2，則混凝土與水之間的熱量交換情況如下： a、混凝土元經(jīng)水管外壁面 向水管放出或吸收的熱量為： b、經(jīng)水管元

17、入口W1入內(nèi)的水體熱量為： c、經(jīng)水管元出口W2流出的水體熱量為： 其中：qw、cw、w分別為水管的流量(m3/s)、比熱(kJ/(kg)和密度(kg/m3)；Tw1和Tw2為水管段的入口水溫和出口水溫。27/82 d、在兩個截面之間水管水體增加或減少的熱量為： 其中：Twp為截面之間水體的溫度。 由熱量的平衡條件可得 考慮到水管中水體的體積很小，且通常水管入口水溫與出口水溫變化不是很大， 對于一般工程問題而言，上式可簡化為： 由于冷卻水的入口溫度已知，利用上述公式，對每一根冷卻水管沿水流方向可逐段推求管內(nèi)沿程水溫。28/82冷卻水管混凝土溫度場有限元計算模型29/82（a）無冷卻水管 （b）

18、有冷卻水管混凝土塊澆筑完4天時的溫度分布（） 在內(nèi)部水管冷卻作用下，混凝土塊的溫度分布與變化情況與自然冷卻時有很大不同。有冷卻水管時，混凝土塊澆筑完畢4天的最高溫度約為36，比自然冷卻時降低約6。冷卻初期，混凝土塊外表面和靠近水管處，溫度梯度較大。隨著冷卻時間的持續(xù)，水管附近的溫度梯度逐漸減小。 30/8231/82冷卻水溫度越低，冷卻效果越好。但冷卻水溫越低，冷卻水與混凝土的溫差就越大，水管內(nèi)外溫差也越大。過低水溫會使管壁周圍混凝土產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力，產(chǎn)生啟裂于管壁混凝土的水管內(nèi)外溫差裂縫。 增大冷卻水流量亦即加快管內(nèi)流速，降低出口水溫，從而加快冷卻速度。管內(nèi)紊流水體的降溫效果也要好于層流的。

19、但是流量加大后，水管內(nèi)壓會隨之增加，對水管材質(zhì)和施工質(zhì)量要求高一些?；炷潦侨鯇?dǎo)熱體，減小水管層距和管距可顯著提高冷卻效果。但減小間距會增加水管材耗和工程成本。加大管徑也可提高冷卻效果，但是會增加水管單價成本和管壁拉應(yīng)力。因水管冷卻效果影響因素眾多，須綜合考慮。應(yīng)用最能靈活，可反復(fù)運(yùn)用。應(yīng)事先進(jìn)行計算分析和確定使用方案，最好實(shí)施現(xiàn)場跟蹤性準(zhǔn)確仿真計算分析。32/82混凝土溫度場和應(yīng)力場的“精確”仿真計算方法冷卻水管混凝土非穩(wěn)定溫度場和應(yīng)力場的“精確”算法可以考慮到現(xiàn)實(shí)情況中存在的諸多因素，具體包括：環(huán)境溫度的變化，混凝土材料性質(zhì)的變化（齡期、彈模、泊松比、徐變、自生體積變形和干縮變形、絕熱溫升

20、、熱脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)、自重、抗拉強(qiáng)度等），地基材料性質(zhì)，混凝土表面覆蓋保溫條件（模板種類與厚度、保溫材料材質(zhì)與厚度、覆蓋時間、拆模時刻等），內(nèi)部水管冷卻效果影響因素（水管材質(zhì)、管徑、壁厚、布置形式、層距、管距、流量、流向、進(jìn)口水溫、開始通水時刻、通水歷時、停水時刻、再恢復(fù)通水時刻等），以及施工方法和養(yǎng)護(hù)方法等影響因素。水管邊界和混凝土表面邊界熱學(xué)參數(shù)的確定目前只能通過筆者提出的大尺寸施工混凝土室內(nèi)非絕熱溫升試驗(yàn)和施工現(xiàn)場1:1模型跟蹤觀測與反分析來確定。33/82水管冷卻精確算法和等效算法的功能比較比較指標(biāo)離散性準(zhǔn)確算法等效算法理論上的嚴(yán)密性和準(zhǔn)確性嚴(yán)密、準(zhǔn)確不嚴(yán)密水管水平間距（管距

21、）準(zhǔn)確均化且理論上不嚴(yán)密水管垂直間距（層距）準(zhǔn)確均化且理論上不嚴(yán)密水管在混凝土中的具體位置及方向準(zhǔn)確水管布置型式與幾何尺寸，包括水管的幾何形狀準(zhǔn)確水管材質(zhì)準(zhǔn)確等效水管內(nèi)徑準(zhǔn)確準(zhǔn)確水管壁厚準(zhǔn)確等效進(jìn)口水溫準(zhǔn)確準(zhǔn)確沿程水溫準(zhǔn)確34/82比較指標(biāo)離散性準(zhǔn)確算法等效算法沿程水溫準(zhǔn)確水管長度準(zhǔn)確無法準(zhǔn)確水管流量或速度準(zhǔn)確等效開始通水時間準(zhǔn)確準(zhǔn)確通水歷時準(zhǔn)確準(zhǔn)確水流方向準(zhǔn)確溫度場精細(xì)計算，包括水管周圍混凝土溫度集中情況及水管內(nèi)外溫差準(zhǔn)確應(yīng)力場精細(xì)計算，包括水管周圍混凝土應(yīng)力集中情況及水管周邊啟裂判斷準(zhǔn)確水管布置方向準(zhǔn)確水管內(nèi)外溫差準(zhǔn)確35/82混凝土為脆性材料，當(dāng)水化放熱溫升后再降溫產(chǎn)生冷縮變形、水化反應(yīng)

22、自生體積收縮和隨后干縮變形等收縮性變形受到內(nèi)部或外部約束時就會產(chǎn)生拉應(yīng)力。加之，混凝土內(nèi)部存在各種各樣的缺陷，較大拉應(yīng)力時就會很容易導(dǎo)致混凝土內(nèi)部空隙和裂紋相互貫通，并進(jìn)一步擴(kuò)展成為結(jié)構(gòu)性宏觀裂縫。收縮變形是導(dǎo)致混凝土開裂的主要原因，其中各種內(nèi)外溫差、基礎(chǔ)溫差和約束情況是混凝土開裂的最主要指標(biāo)及影響因素。因混凝土的抗拉能力極難有效地提高，因此施工防裂方法的主要思想是防止拉應(yīng)力的出現(xiàn)和控制其大小。4 裂縫成因36/82混凝土澆筑后約3天內(nèi)的初齡溫升期，內(nèi)外混凝土都處于膨脹狀態(tài)，但是存在內(nèi)外溫差，內(nèi)部膨脹量大，形成表面拉應(yīng)力，會出現(xiàn)啟裂于表面的“由表及里”型裂縫，縫尖應(yīng)力集中致使大多數(shù)為貫穿性的，

23、極個別為非貫穿性的。外觀：表面跡線長、啟裂于結(jié)構(gòu)中心區(qū)的表面、一般在拆模前就出現(xiàn)或寒潮冷擊期出現(xiàn)。降溫期的裂縫是由內(nèi)部溫降冷縮量大、受自身內(nèi)外約束、外部邊界約束和自生體積變形所致，裂縫啟裂點(diǎn)位于內(nèi)部，為“由里及表”型裂縫，特別在墻體結(jié)構(gòu)上頻繁出現(xiàn)。外觀：豎向分布、表面跡線短、位置低、都是貫穿性的、大多發(fā)生在7天左右的齡期內(nèi)，但在整個降溫過程中理論上都有可能出現(xiàn)。37/82啟裂位置啟裂點(diǎn)啟裂位置“由表及里”型裂縫“由里及表”型裂縫38/82“倒丁字形”結(jié)構(gòu)裂縫跡線示意圖39/82“倒丁字形”結(jié)構(gòu)溫度和應(yīng)力歷時曲線“由表及里”型裂縫產(chǎn)生階段“由里及表”型裂縫產(chǎn)生階段隨著高性能及泵送混凝土的推廣應(yīng)用

24、和各種高效減水劑使用的親睞，混凝土自生體積收縮變形有不斷增大的趨勢，因自生體積收縮導(dǎo)致混凝土開裂的現(xiàn)象也越來越多。這要引起大家的特別重視。40/82若混凝土自生體積變形足夠大或結(jié)構(gòu)尺寸足夠長且“基礎(chǔ)”約束能力大，則單自生體積收縮變形也會產(chǎn)生降溫期裂縫的出現(xiàn)。上述裂縫在墻體中常被稱為“上不到頂，下不著底”、“中間寬，兩頭尖”的“棗核形”裂縫。41/825 施工防裂方法施工反饋工法混凝土溫度場和應(yīng)力場仿真計算受諸多因素影響，其中之一是混凝土材料特性參數(shù)的變化。各工程所采用混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、表面散熱系數(shù)和絕熱溫升變化規(guī)律是不同的，且與成熟度有關(guān)。為使溫度和應(yīng)力的仿真計算能更好地反映實(shí)際情況

25、，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并聯(lián)用數(shù)值計算反演不同工程措施和環(huán)境條件下的各項(xiàng)熱學(xué)參數(shù)。因問題的復(fù)雜性，施工期還需進(jìn)行1:1模型的原位觀測與反演。施工反饋分析：在得到符合實(shí)際情況的熱學(xué)或力學(xué)特性參數(shù)后，再對即將或后續(xù)施工的混凝土進(jìn)行防裂方法的計算分析，提出或改進(jìn)防裂方法與措施?；谶@種動態(tài)準(zhǔn)實(shí)時跟蹤性反饋研究的施工方法稱為施工反饋工法，降低尤其是防止重復(fù)性裂縫的出現(xiàn)。42/82改進(jìn)加速遺傳算法簡介遺傳算法是在數(shù)學(xué)上模擬達(dá)爾文自然選擇學(xué)說和生物進(jìn)化過程的一種優(yōu)化算法。它采用簡單的編碼技術(shù)來表示各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并通過對一組編碼進(jìn)行簡單的遺傳操作和優(yōu)勝劣汰的自然選擇來指導(dǎo)學(xué)習(xí)和確定搜索方向。加速遺傳算

26、法是在基本遺傳算法的基礎(chǔ)上，利用最近兩代進(jìn)化操作產(chǎn)生的優(yōu)秀個體的最大變化區(qū)間重新確定基因的限制條件，重新生成初始種群，再進(jìn)行遺傳進(jìn)化運(yùn)算。如此循環(huán)，可提高遺傳算法的運(yùn)算效率。改進(jìn)加速遺傳算法的核心是，一是按適應(yīng)度對染色體進(jìn)行分類操作，主要解決存優(yōu)問題及提高算法的局部搜索能力；二是引入小生境淘汰操作，保持種群的多樣性，消除早熟收斂現(xiàn)象。另外，對通常的種群收斂判別條件也提出改進(jìn)。43/82試驗(yàn)及反演分析應(yīng)用南水北調(diào)漕河渡槽工程混凝土立方體非絕熱溫升室內(nèi)試驗(yàn) 模擬現(xiàn)場混凝土的施工情況，在工程現(xiàn)場澆筑一邊長約1.0m的混凝土立方體試件，表面用鋼模板等不同種類的模板及表面可能施工用保溫方法。在試件典型部

27、位埋設(shè)溫度探頭，澆筑后按要求對各溫度探頭進(jìn)行觀測，同時也記錄試件周圍環(huán)境溫度，進(jìn)而進(jìn)行反演分析。44/82立方體非絕熱溫升試驗(yàn)45/82反演所得絕熱溫升表達(dá)式：反演所得不同保溫情況的表面熱交換系數(shù)： 鋼模板：=30.33 kJ/(m2h) 1.0cm泡沫保溫板：= 5.35 kJ/(m2h) 鋼模板+1.5cm泡沫保溫板：=18.19 kJ/(m2h) 鋼模板+2.5cm泡沫保溫板：=16.02 kJ/(m2h) 鋼模板+3.5cm泡沫保溫板：=13.23 kJ/(m2h) 鋼模板+4.0cm泡沫保溫板：=11.57 kJ/(m2h)46/821.5cm泡沫板保溫2.5cm泡沫板保溫3.5cm

28、泡沫板保溫4.0cm泡沫板保溫47/82塑料質(zhì)冷卻水管長方體混凝土室內(nèi)試驗(yàn) 采用施工現(xiàn)場可能要用的冷卻水管，在施工配合比混凝土長方體試件內(nèi)部埋設(shè)3種不同管徑的塑料水管進(jìn)行冷卻，表面分別采用木模板、竹膠模板和農(nóng)用薄膜+草袋+土工膜進(jìn)行保溫。反演所得表面土工膜保溫和不同壁厚水管表面熱交換系數(shù)： 土工膜：= 14.58 kJ/(m2h) 外徑2.8cm、壁厚2mm的塑料管: =375.21 kJ/(m2h) 外徑4.2cm、壁厚3mm的塑料管: =208.33 kJ/(m2h) 外徑4.8cm、壁厚4mm的塑料管: =166.67 kJ/(m2h)48/82含塑料質(zhì)冷卻水管的施工配合比混凝土室內(nèi)非絕

29、熱溫升試驗(yàn)49/82上表面測點(diǎn)2.8cm塑料管層間測點(diǎn)4.2cm塑料管層間測點(diǎn)4.8cm塑料管層間測點(diǎn)50/82施工動態(tài)跟蹤觀測與施工反饋分析 在混凝土溫度與應(yīng)力的仿真計算中，混凝土熱學(xué)特性參數(shù)的確定對計算結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確度具有十分重要的影響。這些參數(shù)通常通過經(jīng)驗(yàn)公式或試驗(yàn)得到，但因問題的復(fù)雜性試驗(yàn)條件往往仍然會和施工現(xiàn)場實(shí)際情況有較大出入，且施工過程中始終會存在許多事先不可預(yù)測的隨機(jī)情況，它們均會直接影響施工前所確定的防裂方法的實(shí)際效果和可靠性。為了盡可能克服這些缺陷，最好的辦法就是對施工現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行動態(tài)跟蹤觀測，在第一時間準(zhǔn)實(shí)時性地實(shí)現(xiàn)反演分析和施工反饋研究，針對施工中所出現(xiàn)和遇到的

30、實(shí)際情況，動態(tài)調(diào)整和完善現(xiàn)場的施工防裂方法，實(shí)現(xiàn)施工反饋研究和工法。 51/82NZWD型電阻溫度計 NZS-10系列差阻式應(yīng)變計 NZNS系列差阻式無應(yīng)力計 它由應(yīng)變計及無應(yīng)力計筒組成，用于混凝土自生應(yīng)變量的測量，兼測測點(diǎn)溫度。52/82澆筑前現(xiàn)場觀測儀器布置質(zhì)量校驗(yàn)53/82防止混凝土裂縫出現(xiàn)的基本思想：采取各種措施控制混凝土變形。是一個受影響因素尤其是施工現(xiàn)場因素特別多的錯綜復(fù)雜問題，須綜合治理，提倡“科學(xué)、可靠、易行、經(jīng)濟(jì)”的施工防裂方法。防止裂縫產(chǎn)生的有效措施主要是控制混凝土的冷縮變形（溫變幅度）、內(nèi)外溫差變形、收縮性自生體積變形、變形約束程度和施工方法，其次是防止過大的表面干縮變形

31、、改善徐變特性等。進(jìn)行混凝土原材料選擇、配合比優(yōu)化（含減少水泥用量或選用低熱水泥，各種添加劑）、澆筑溫度控制、合理分層分塊、施工時間選擇、施工間歇時間控制、表面保溫、內(nèi)部導(dǎo)熱降溫、表面保濕等，是一個科技性和經(jīng)濟(jì)性很強(qiáng)的綜合性工程問題。關(guān)鍵措施：澆筑溫度控制、表面保溫、內(nèi)部降溫、施工方法和工藝，其次是自生體積變形控制和表面保濕。挑戰(zhàn)性提倡：盡可能不采用施工縫（比如施工縱縫、后澆帶）、澆筑溫度放寬（對中小型工程不采用專用制冷設(shè)備）和提高施工速度的厚澆筑層施工法及縮短層間間歇時間。6 施工防裂指標(biāo)54/82表面保溫表面保溫可減小混凝土與周圍環(huán)境的熱交換能力，阻止表面熱量的散發(fā)，能夠有效地控制內(nèi)外溫差

32、和防止啟裂點(diǎn)位于混凝土表面的“由表及里”型裂縫的出現(xiàn)。但保溫力度并不是越大越好，隨著表面保溫力度加大，表面散熱量減少，內(nèi)部溫升幅度增大，增加了隨后溫降冷縮變形量和內(nèi)部拉應(yīng)力。因此，需要對施工過程的全面仿真模擬，選擇合適的表面保溫方法和力度，在確保表面防裂安全的前提下，盡可能利用表面散熱，減輕后期混凝土的防裂任務(wù)，這也是仿真計算中所研究的內(nèi)容之一。55/82泡沫塑料保溫板56/82鋼模板外帖塑料板保溫技術(shù)57/82水管冷卻為了控制混凝土的溫升幅度，降低“基礎(chǔ)溫差”，常用的最有效方法是內(nèi)部埋設(shè)冷卻水管。近年來隨著混凝土內(nèi)部密集型水管冷卻效果的“精確”算法的出現(xiàn)和應(yīng)用，越來越多的工程都取得了很成功甚

33、至完全圓滿的應(yīng)用。在內(nèi)部埋設(shè)水管可有力地削減溫升期的內(nèi)外溫差、溫升幅度，有效地控制了表面保溫后內(nèi)部熱量無法及時散發(fā)所帶來的缺陷。在水管冷卻過程中要注意水管布置形式、管質(zhì)、管徑、壁厚、層距、管距、水溫、流量、流向、開始通水時間和通水歷時的選擇。比如，當(dāng)水溫過低時，管壁周圍溫度梯度和拉應(yīng)力會過大，甚至?xí)霈F(xiàn)啟裂于管壁周圍混凝土的水管內(nèi)外溫差裂縫；若水溫過高，水管導(dǎo)熱降溫力度消弱，會產(chǎn)生早期“由表及里”型或隨后的“由里及表”型裂縫。58/82某工程的施工現(xiàn)場冷卻水管布置情況59/82冷卻水流量控制閥和流量表60/82澆筑溫度控制無論是在高溫或低溫季節(jié)進(jìn)行混凝土施工時，澆筑溫度的控制總是具有防裂效果的

34、，但是經(jīng)濟(jì)代價往往很高，常為各項(xiàng)施工防裂方法中最昂貴的措施，適用于巨型大壩工程。對于一些中小型工程，筆者認(rèn)為完全可以用提高其他措施的科學(xué)性和防裂力度來補(bǔ)償因澆筑溫度控制的放寬所帶來的防裂效果的損失，可獲得同樣的防裂效果；對于巨型工程，也不必一味追求澆筑溫度的控制。因?yàn)槭且痪C合措施解決的問題，以采用更加“科學(xué)、可靠、易行、經(jīng)濟(jì)”的施工防裂方法，以及加快施工速度，縮短工期，早日發(fā)揮工程效益。規(guī)范強(qiáng)制性地將澆筑溫度限制在28以內(nèi)的要求，并不科學(xué)；同樣，籠統(tǒng)地限制內(nèi)外溫差為18或20的提法也是很不科學(xué)的，是需要改進(jìn)的。61/82自生體積變形控制、分縫分塊和表面養(yǎng)護(hù)只有當(dāng)自生體積變形過大或采用長塊體施工

35、時，需控制自生體積變形量。設(shè)置施工縫，進(jìn)行施工分縫分塊，降低冷縮時由外部約束所致的拉應(yīng)力。此法應(yīng)不提倡，而應(yīng)由其他方法來補(bǔ)償，比如在重力壩中不設(shè)施工縱縫，加快施工速度，減少人工“裂縫”。表面養(yǎng)護(hù)是為了維持表面濕度，減小表面干縮變形和干縮應(yīng)力，避免表面龜裂縫的出現(xiàn)，是需要的。但是養(yǎng)護(hù)方法和時間要控制好，比如不能進(jìn)行溫升期表面灑水的養(yǎng)護(hù)方法，提倡溫升期覆蓋不透氣膜的保溫和保濕方法。62/82運(yùn)行期溫度裂縫（劈頭縫等）運(yùn)行期溫度裂縫（劈頭縫等）防止是一個復(fù)雜的問題，目前研究得還不夠透徹，通過仿真計算分析，使得施工期的防裂方法能夠兼顧這一要求：提高施工期壩上游面自生壓應(yīng)力程度，控制壩上游面區(qū)混凝土溫度

36、（冷卻水管分區(qū)布置）；考慮溫度場和滲流場耦合作用，高壩下游面運(yùn)行期不均勻日照作用及其表面保溫等。63/82因有了高精度的仿真計算方法，指導(dǎo)現(xiàn)場施工防裂方法的指標(biāo)應(yīng)分澆筑季節(jié)和不同結(jié)構(gòu)部位提出，可以提得更加細(xì)致和明確一些。澆筑溫度，澆筑層厚和澆筑塊尺寸，層間間歇，倉面和立面保溫方法（具體保溫材料和層數(shù)），拆模時間，養(yǎng)護(hù)方法，水管冷卻（具體管質(zhì)、壁厚、管徑、布置形式與方向、層距、間距、開始通水時間、通水歷時、水溫、流量、流向，及其變化；二次甚至三次通水等），接縫灌漿時間；內(nèi)外溫差或表層和內(nèi)部溫度梯度或溫差，基礎(chǔ)溫差，降溫速度，水管內(nèi)外溫差以及停水后再通水方法等。還有施工現(xiàn)場溫度觀測點(diǎn)布置和觀測要求

37、，局部區(qū)還有應(yīng)變計和應(yīng)力計的布置和觀測要求。64/82工程應(yīng)用錦屏一級高拱壩65/82深孔壩段仿真計算模型66/82孔口部位水管布置示意 孔口以上部位水管布置示意 67/82水管周圍典型點(diǎn)位置圖水管周圍典型點(diǎn)溫度和應(yīng)力歷時曲線一期冷卻階段停水階段68/82一期冷卻結(jié)束壩體中間剖面溫度和應(yīng)力等值線圖69/82二期冷卻結(jié)束壩體中間剖面溫度和應(yīng)力等值線圖70/82一期和二期通水冷卻后，混凝土澆筑塊基本達(dá)到封拱溫度。在實(shí)際施工中，影響壩體溫度的因素較多，應(yīng)根據(jù)混凝土內(nèi)部實(shí)測溫度值是否達(dá)到封拱溫度來決定是否停止水管通水。此外，冷卻通水時間是一個需密切關(guān)注的問題。若開始通水時間過早，冷卻水溫可能會超過此時

38、的混凝土溫度，此時水管非但起不到冷卻的作用，反而會向混凝土內(nèi)倒灌熱量；若開始通水時間過遲，當(dāng)水溫與混凝土溫度相差過大時，在通水初期水管管壁處會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，混凝土有可能從水管管壁處啟裂和進(jìn)而迅速擴(kuò)裂演化。因此，應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場實(shí)測溫度的情況來確定水管的開始通水時間。從理論上而言，當(dāng)水管水溫與水管周圍混凝土的溫度相同或低時即應(yīng)立即通水冷卻。71/82隔墩壩段仿真計算模型和施工分層龍口常態(tài)混凝土重力壩2006.10.112006.10.12006.9.202006.9.252006.10.182006.10.82006.9.272006.10.22006.11.82006.11.182006.1

39、0.272006.11.22006.11.282006.11.72006.11.122006.12.82006.11.282006.11.172006.11.222006.2.182006.12.82006.11.272006.12.22007.3.12007.3.52006.12.72007.3.102007.3.112007.3.152007.3.102007.3.202007.3.212007.3.252007.4.12007.4.52007.4.112007.4.15.2007.4.212007.5.12007.5.112007.5.212007.6.12007.6.112006.10

40、.42006.9.202006.9.272006.10.172006.10.222006.10.282006.11.82006.11.18縱縫縱縫縱縫72/82龍口壩址地區(qū)冬季寒冷，不進(jìn)行全年施工，2006年12月壩體澆筑至869.0m高程后進(jìn)入長達(dá)3個月的冬歇期，來年3月在長間歇倉面繼續(xù)進(jìn)行新混凝土澆筑。計算結(jié)果表明，混凝土澆筑后經(jīng)歷第一個低溫季節(jié)時，壩體內(nèi)部溫度較高，內(nèi)外溫差導(dǎo)致的倉面區(qū)混凝土拉應(yīng)力較大，尤其當(dāng)間歇期遭遇寒潮冷擊時，倉面混凝土?xí)焕选砟隄仓蠈踊炷?，下層老混凝土溫度較低，遭遇“外高內(nèi)低”型溫差，表面溫升膨脹導(dǎo)致下層混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力增大；此外，受下層老混凝土的強(qiáng)約束作用

41、，上層混凝土降溫期冷縮變形拉應(yīng)力也較大。需在澆筑層內(nèi)埋設(shè)冷卻水管，導(dǎo)熱降溫，解決這2個問題。各部位和各施工時段所需水管冷卻的具體形式和方法經(jīng)由仿真計算選定。73/82上層混凝土澆筑前壩體溫度場和應(yīng)力場（&MPa）上層混凝土澆筑后壩體溫度場和應(yīng)力場（&MPa）74/82一般地，若壩體快速連續(xù)澆筑，倉面間歇控制在34天之內(nèi)。此時，上層新混凝土施工前，因內(nèi)外溫差作用，下層老混凝土表面受拉；當(dāng)新混凝土澆筑后，上層水化溫升導(dǎo)致下層倉面拉應(yīng)力增加，此時下層倉面混凝土受雙重溫差的雙重拉應(yīng)力作用下也易裂。若倉面間歇時間過長，在上層澆筑時下層表面已經(jīng)受壓或拉應(yīng)力不大，而內(nèi)部受拉或壓應(yīng)力已變小，此時新混凝土澆筑后

42、，在早期溫升階段：下層混凝土表面熱脹增加內(nèi)部拉應(yīng)力，“由里及表”型裂縫易在下層中出現(xiàn)；在隨后上層混凝土的降溫階段：因下層混凝土的強(qiáng)約束作用，當(dāng)上層混凝土冷縮時，上層混凝土?xí)a(chǎn)生過大的拉應(yīng)力，再疊加上上層混凝土自身降溫內(nèi)外溫差減小所致的內(nèi)部拉應(yīng)力，上層也會出現(xiàn)“由里及表”型裂縫。75/82不同工況壩體內(nèi)部最高溫度 澆筑層厚（m）水管（層距間距）（m）澆筑溫度（）間歇時間（d）最高溫度出現(xiàn)時間（d）最高溫度（）鐵管2.01.01.5275236.23.01.01.5277337.73.01.51.5277340.3塑料管2.01.01.5275338.03.01.01.5277439.13.01.51.5277442.276/82綜上，壩體混凝土澆筑時，倉面間歇時間不能過長，也不能過短。建議57天，具體還得考慮現(xiàn)場溫控防裂措施的綜合運(yùn)用情況，若溫控措施合理，連續(xù)澆筑不會有問題，且長間歇后澆筑也是不會有問題的，關(guān)鍵是有相應(yīng)力度的施工防裂方法。此外，若采用塑料管進(jìn)行冷卻，高溫季節(jié)需要嚴(yán)格控制混凝土的澆筑溫度，以彌補(bǔ)塑料水管不能有效降低早期混凝土的水化熱溫升的缺點(diǎn)，這樣才能有效的控制壩體內(nèi)部最高溫度。77/82其他華光潭和周