大连理工大学网络教育学院
本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目：水工大体积混凝土裂缝相关研究
学习中心：
层 次： 专科起点本科
专 业： 水利水电工程
年 级： 年 季
学 号：
学 生：
指导教师：
完成日期： 2023年9月1日
内容摘要
在水利水电工程中大体积混凝土的应用非常广泛，而大体积混凝土裂缝控制是施工的一个技术难题，因此其对大结构、大体积混凝土结构的质量保证也越来越重要。本文就以水工大体积混凝土裂缝为研究对象，详细介绍了水工大体积混凝土的应用，提出控制水工大体积混凝土施工裂缝的有效措施；比较分析了水工大体积混凝土由于混凝土收缩和由于温度变化引起的混凝土开裂机理。希望本文能为今后我国水工大体积混凝土研究做一些经验上的借鉴。
关键词：水工；大体积混凝土；裂缝；措施
目 录
引 言
在水利水电工程中大体积混凝土的应用非常广泛，大体积混凝土裂缝控制是一个技术难题，大体积混凝土结构的施工技术与措施影响到结构的整体性和耐久性，直接关系到混凝土结构的使用功能，若不能很好地了解大体积混凝土结构开裂的原因以及掌握应对此类问题的相关施工措施，那么在实际生产中就很难保证施工质量。因此，探讨裂缝产生的原因和预防措施对防止水工大体积混凝土裂缝的出现有着重要的意义。
在20世纪初，人们对大体积混凝土温度变化过程及其后果还知之甚少，因此在设计和施工中对此也缺少应有的注意。在实践中，人们发现，在各种水工建筑物内出现了许多性质不同的裂缝，有些甚至是很严重的，通过长期的观测和试验，人们开始认识到大体积混凝土产生裂缝的主要原因是由于温度应力大于混凝土的抗拉强度。于是就开始深入研究温度变化问题、温度应力问题和控制温度及温度应力的措施等[1]。
对于大体积混凝土裂缝控制的系统研究，是从20世纪30年代中期美国修建鲍尔德坝（现改称胡佛坝）开始的。30年代初期，美国所修建的几座混凝土坝产生了裂缝，所以美国商务局在修建胡佛坝时（胡佛坝是当时世界上最高大的混凝土建筑物），进行了系统的温度场及温度应力的研究，提出了柱状分块，薄层浇筑，并采用水管冷却，低热水泥等降温措施，从而防止了危害性裂缝的形成。
这种研究成果至今仍有普遍影响。随着科技进步，管理水平的提高，40年代美国陆军工程师团又发展了预冷骨料，通仓浇筑方法，规定混凝土出机温度应控制在10℃以下，60年代又采取了泡沫塑料坝面保温等措施来防止表面裂缝[2]。
以上这一系列措施基本上都是从控制混凝土浇筑块温度变化幅度着眼的，一直沿用至今，行之有效。从实际设计和施工水平方面看，自40年代至今，各国（如美国、俄罗斯、巴西和中国等）对大体积棍凝土的裂缝问题的研究都做了深入的探讨，并提出了一些防裂措施[3]。
我国对混凝土温度应力研究起步较晚，由于当时对混凝土温度应力发生和发展基本规律没有系统深入的研究，20世纪50年代开始建设的柘溪大头坝和陈村混凝土重力坝以及60年代在淮河中游建造的佛子岭和梅山连拱坝，均出现不同程度的裂缝，混凝土温度应力幵始受到国内工程界和学术界的广泛关注，以朱伯芳院士为代表的一批专家和学者幵始对大体积混凝土的温度应力展开研究。他们对重力坝、拱规、板梁、圆管等混凝土结构的各种温控措施及计算方法、水泥水化热的绝热温升计算、温度场计算、温度应力计算、徐变变形等问题进行了系统深入的研究，并编制了国内第一个不稳定温度场有限元程序、第一个混凝土温度徐变应力有限元程序等5个有限元程序，为葛洲坝、乌江渡、龙羊峡、三门峡改建等重要工程提供了计算成果，并为三门峡大现进行了国内第一次仿真计算，为我国的大体积混凝土温度控制设计理论体系的建立作出了突出贡献。
本文首先分析了大体积混凝土裂缝产生的种类和原因，如温度裂缝、收缩裂缝、结构裂缝，然后从原材料选择、混凝土配合比设计、施工及养护措施多方面提出了相应的裂缝防治措施和技术。最后结合工程实例提出了裂缝控制的技术措施。
1 水工大体积混凝土的应用
1.1 水工大体积混凝土的应用
大体积混凝土结构在水利水电工程建设工程中的应用比较多，比如在混凝土拱坝、重力坝、发电厂房基础、压力钢管外围回填混凝土、泄洪闸基础、导流洞封堵体等部位的大体积混凝土中被广泛应用[5]。虽然设计时都分成多块，但每一块都仍然有几百方，甚至上千方混凝土。
1.1.1 三峡泄洪坝
优先使用低中热水泥，选用需水量比小的I级优质粉煤灰，可以减少混凝土单位水泥用量3-5kg。优化混凝土配合比，调整砂率增大粉煤灰的掺量，基础混凝土掺量为31％，内部混凝土为40％，水位变化区为25％，每立方米混凝土少用水泥8—10k。使用高效减水剂，在节约水泥的条件下，既可以改善混凝土的和易性、提高混凝土早期强度，又可以推迟温峰出现的时间。使用四级配混凝土，减少水泥用量。
（1）表面保温：保温材料采用1cm和1.5cm厚的高发泡聚乙烯卷材，外包编织彩条布。1cm厚材料用于仓面、纵横缝面以及寒潮时的保温，1.5cm厚材料用于永久外露面和过流面的保湿。经覆盖后混凝土表面等效放热系数分别为2.8W／m2·℃和1.75W／m2·'t2，能够满足设计要求。孔洞、廊道部位，采用2层1.0cm厚材料封堵，周边用木条固定，并留有交通活动空隙。永久外露面和过流面，则利用外露钢筋头或定位锥孔加木条进行悬挂固定。纵、横缝面一般利用多卡模板下支腿进行悬挂保温，而水平仓面保温采取满铺方式即可。当气温在0℃以下时，对浇筑中混凝土采取边浇边覆盖的办法，并适当推迟拆模时间。
（2）表面养护：夏季混凝土收仓8h后及时进行洒水养护。永久暴露面和过流面采用水帘形式长期流水养护；坝块纵、横缝采取洒水养护，水平面采用自动洒水器洒水为主、人工洒水为辅的养护，至混凝土被覆盖为止。安排专人专班负责养护，并坚持每天检查和维护。
1.1.2 新疆伊犁特克斯河山口水库
（1）分段施工和分层浇筑
该工程混凝土采用了分层浇筑的施工方法，该方法的优点是:增加了散热面，减少了应力约束，加快了热量释放，减少了收缩应力。施工中保证层与层浇筑间隔不超过初凝时间。
（2）提高混凝土振捣质量
该工程在混凝土振捣过程中，注意了全面振捣，严格控制振捣时间，以混凝土开始泛浆不冒气泡为准。避免漏振、欠振、和超振，振捣时防止震动模板、避免碰撞钢筋、预埋件。振捣程序应从底层开始逐渐上移以保证分层混凝土浇筑质量。必要时对浇筑的混凝土在终凝前给予二次振捣，排除了混凝土因泌水而在骨料和水平筋下缘形成的水囊与空隙，提高了混凝土与钢筋的握裹力，防止塑性裂缝和沉降裂缝的发生。
（3）加强混凝土的养护和测温
设专人及时覆膜保湿养护、终凝前二次抹压，对消除混凝土早期塑性收缩裂缝至关重要；采用平板振捣器终凝前二次振捣也可减少部分沉降裂缝。测温是大体积混凝土施工的重要组成部分，能随时掌握混凝土内表温差及大气温度变化情况，当温差超过25℃时，应采取降温措施如将骨料放置于阴凉处、控制混凝土拌和用水温度、入模温度、控制环境温、湿度等，有效防止温度裂缝。
1.2 大体积混凝土裂缝的危害
裂缝是大体积混凝土建筑物最普遍、最常见的病害之一，不发生裂缝的混凝土建筑物是极少的。而且混凝土裂缝往往是多种因素联合作用的结果。裂缝对水利水电工程的危害程度不一，严重的不仅危害水利水电工程的整体性和稳定性，而且会产生大量的漏水，使闸坝及其它水工建筑物的安全运行受到严重威胁。另外，裂缝往往会引起渗漏溶蚀、环境水侵蚀、冻融破坏及钢筋锈蚀等危害[6]。这些病害与裂缝形成恶性循环，会对水利水电工程建筑物的耐久性产生巨大的危害。引发水工混凝土结构裂缝的因素很多也很复杂，但常见的裂缝类型主要有以下三种：
（1）塑性裂缝和沉降裂缝
二者均发生于混凝土凝结硬化前，塑性收缩裂缝顾名思义是混凝土在塑性阶段失水引发收缩而造成。尤其是表面积较大的混凝土结构，如水库大坝混凝土面板、底板、隧洞二次衬砌混凝土等；沉降裂缝发生于塑性状态大骨料下沉阶段，由于沉降离析、泌水上浮，受钢筋和预埋件约束作用，而在骨料、钢筋和预埋件下缘引发的裂缝。
（2）温度应力裂缝
此种裂缝常见于大体积混凝土中，由于水泥水化产生大量水化热，混凝土内部集聚了大量热量而不易散发，导致内部温度较高，与其表面产生温差，当该温差超过25℃时，混凝土表面将产生较大拉应力，当此时拉应力超过混凝土实时极限抗拉强度时，混凝土表面就产生了温度裂缝。此种裂缝可随时间的发展继续扩大，甚至达到贯穿。
（3）收缩裂缝
混凝土降温过程也是其体积收缩的过程，因为渐次散热产生收缩，加之混凝土硬化过程中，拌合水量的水化与蒸发及胶质体的胶凝作用共同叠加导致了混凝土的收缩。而由于受基底和结构本身的约束，将产生较大拉应力，当此时拉应力超过混凝土实时极限抗拉强度时，混凝土表面就产生了收缩裂缝。
1.3 研究课题的提出
大体积混凝土在水利水电工程中的应用非常广泛，大体积混凝土裂缝控制是一个技术难题，大体积混凝土结构的施工技术与措施影响到结构的整体性和耐久性，直接关系到混凝土结构的使用功能，若不能很好地了解大体积混凝土结构开裂的原因以及掌握应对此类问题的相关施工措施，那么在实际生产中就很难保证施工质量。本论文主要对水工大体积混凝土的裂缝成因、控制措施进行研究。依据各原因、措施和相关经验，并提出合理的控制措施和改进建议。
大体积混凝土在水利水电工程中的应用非常广泛，大体积混凝土裂缝控制是一个技术难题，大体积混凝土结构的施工技术与措施影响到结构的整体性和耐久性，直接关系到混凝土结构的使用功能，若不能很好地了解大体积混凝土结构开裂的原因以及掌握应对此类问题的相关施工措施，那么在实际生产中就很难保证施工质量。本论文主要对水工大体积混凝土的裂缝成因、控制措施进行研究。依据各原因、措施和相关经验，并提出合理的控制措施和改进建议。
2 水工大体积混凝土裂缝产生原因
随着国民经济的快速发展，对能源的需求日益增长。水电是无污染、可再生的能源，是我国能源结构的重要组成部分。水工建筑物常是大体积混凝土，而水工大体积混凝土由于结构断面尺寸较大，在浇筑过程中，水泥释放大量水化热聚集在结构内部不易散发，产生温度变形，导致结构产生温度裂缝，从而影响水工结构的整体性、防渗性和耐久性，严重的会造成建筑物的破坏、失事。因此，研究大体积混凝土的温度裂缝成因及对策具有重大的社会和经济意义[10]。
2.1 温度裂缝
2.1.1 裂缝产生机理
温度裂缝是大体积混凝土的主要裂缝。产生的主要原因是由温差造成的。一是由于混凝土结构内外温差较大引起的。在混凝土浇筑后，在硬化过程中，水泥水化产生大量的水化热，（当水泥用量在350～550kg/m3，每立方米混凝土将释放出17500～27500kJ的热量，从而使混凝土内部温度升达70℃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而不易散发，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（实践证明当混凝土本身温差达到25℃-26℃时，混凝土内便会产生大致在10MPa左右的拉应力）[7]。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，这种温度应力一般在表面处较大，离开表面就很快减弱，因此裂缝只在接近表面的范围内发生，表面层以下结构仍保持完整。二是由于结构温差较大，受到外界的约束引起的，当大体积混凝土浇筑在约束地基（例如桩基）上时，又没有采取特殊措施降低、放松或取消约束，或根本无法消除约束，则易发生深度、甚至是贯穿的温度裂缝。
2.1.2 温度裂缝的特征
混凝土浇筑后，在硬化过程中，水泥水化产生大量的水化热。由于混凝土的体积较大，大量的水化热聚积在混凝土内部而不易散发，导致内部温度急剧上升，而混凝土表面散热较快，使得混凝土结构内外出现较大的温差，这些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，这种裂缝多发生在混凝土施工中后期。在混凝土的施工中当温差变化较大，或者是混凝土受到寒潮的袭击等，会导致混凝土表面温度急剧下降，而产生收缩，表面收缩的混凝土受内部混凝土的约束，将产生很大的拉应力而产生裂缝，这种裂缝通常只在混凝土表面较浅的范围内产生[15]。
温度裂缝的走向通常无一定规律，大面积结构裂缝常纵横交错；梁板类长度尺寸较大的结构，裂缝多平行于短边；深入和贯穿性的温度裂缝一般与短边方向平行或接近平行，裂缝沿着长边分段出现，中间较密。裂缝宽度大小不一，受温度变化影响较为明显，冬季较宽，夏季较窄。高温膨胀引起的混凝土温度裂缝是通常中间粗两端细，而冷缩裂缝的粗细变化不太明显。此种裂缝的出现会引起钢筋的锈蚀，混凝土的碳化，降低混凝土的抗冻融、抗疲劳及抗渗能力等。
2.2 收缩裂缝
2.1.2 自缩裂缝
自身收缩是混凝土收缩的一个主要来源。自身收缩与干缩一样，是由于水的迁移而引起的。但它不是由于水向外蒸发散失，而是因为水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降形成弯月面，产生所谓的自干燥作用，导致混凝土体的相对湿度降低及体积减小而最终自身收缩。水灰比对自身收缩影响较大，一般来说，当水灰比大于0.5时，其自干燥作用和自身收缩与干缩相比小得可以忽略不计；但是当水灰比小于0.35时，体内相对湿度会很快降低到80%以下，自身收缩与干缩则几乎各占一半。自身收缩主要发生在混凝土拌合后的初期。因此在模板拆除之前，混凝土的自身收缩大部分甚至全部已经完成。在大体积混凝土里，即使水灰比并不低，自身收缩量值也不大，但是它与温度收缩叠加到一起，就要使应力增大，所以在水工大坝施工时早就将自身收缩作为一项性能指标进行测定和考虑[9]。但是，许多断面尺寸虽不很大，且水灰比也不算小的混凝土，也必须考虑水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂影响，也需要考虑将温度收缩和自身收缩叠加的影响。
2.1.2 干缩裂缝
干缩裂缝多出现在混凝土养护结束后的一段时间或是混凝土浇筑完毕后的一周左右。水泥浆中水分的蒸发会产生干缩，且这种收缩是不可逆的。干缩裂缝的产生主要是由于混凝土内外水分蒸发程度不同而导致变形不同的结果：混凝土受外部条件的影响，表面水分损失过快，变形较大，内部湿度变化较小变形较小，较大的表面干缩变形受到混凝土内部约束，产生较大拉应力而产生裂缝。相对湿度越低，水泥浆体干缩越大，干缩裂缝越易产生。干缩裂缝多为表面性的平行线状或网状浅细裂缝，宽度多在0.05~0.2mm之间，大体积混凝土中平面部位多见，较薄的梁板中多沿其短向分布。干缩裂缝通常会影响混凝土的抗渗性，引起钢筋的锈蚀影响混凝土的耐久性，在水压力的作用下会产生水力劈裂影响混凝土的承载力等等[10]。混凝土干缩主要和混凝土的水灰比、水泥的成分、水泥的用量、集料的性质和用量、外加剂的用量等有关。水灰比的变化对干缩和自缩的影响正相反，即当混凝土的水灰比降低时干缩减小，而自缩增大。
2.1.3 塑性收缩
塑性收缩是指混凝土在凝结之前，表面因失水较快而产生的收缩。塑性收缩裂缝一般在干热或大风天气出现，裂缝多呈中间宽、两端细且长短不一，互不连贯状态。较短的裂缝一般长20~30cm，较长的裂缝可达2~3m，宽1~5mm。其产生的主要原因为：混凝土在终凝前几乎没有强度或强度很小，或者混凝土刚刚终凝而强度很小时，受高温或较大风力的影响，混凝土表面失水过快，造成毛细管中产生较大的负压而使混凝土体积急剧收缩，而此时混凝土的强度又无法抵抗其本身收缩，因此产生龟裂。影响混凝土塑性收缩开裂的主要因素有水灰比、混凝土的凝结时间、环境温度、风速、相对湿度等等[11]。
2.3 结构裂缝
结构裂缝一般分为结构沉陷裂缝和由荷载计算差错引起的。由于基础沉降和模板支设等原因产生的结构裂缝较荷载计算差错的产生的裂缝多，这种结构性裂缝一般不会发生，但如果发生，后果将是不堪设想。
沉陷裂缝的产生是由于结构地基土质不匀、松软，或回填土不实或浸水而造成不均匀沉降所致；或者因为模板刚度不足，模板支撑间距过大或支撑底部松动等导致，特别是在冬季，模板支撑在冻土上，冻土化冻后产生不均匀沉降，致使混凝土结构产生裂缝。此类裂缝多为深进或贯穿性裂缝，其走向与沉陷情况有关，一般沿与地面垂直或呈30°~45°角方向发展，较大的沉陷裂缝，往往有一定的错位，裂缝宽度往往与沉降量成正比关系。裂缝宽度受温度变化的影响较小。地基变形稳定之后，沉陷裂缝也基本趋于稳定[12]。荷载设计方面主要是对复杂环境考虑不足，对于结构受力和应力集中部位计算错误等，受外力及水力作用会发生，具有
