1.5 施工期温控防裂方法研究进展

随着高性能混凝土被越来越多地应用，研究人员和工程技术人员逐渐认识到高性能混凝土温控防裂的重要性和高难度性，毕竟是它在混凝土材料特性和施工工艺上与普通混凝土大有不同，防裂方法的要求也大大提高。要制定适时合理的温控防裂方法，必须搞清楚施工期裂缝形成机理，进而制定相应措施。工程经验表明，温度和收缩是高性能混凝土温控防裂方面最突出的两个问题，防裂方法的制定主要针对这两个问题进行。

从混凝土裂缝形成机理来看，研究人员很早就认识到施工期裂缝主要是由于混凝土的收缩变形引起的，随着技术的进步和科技的发展，人们对裂缝的产生机理的认识越来越清楚。20世纪30年代在北美一座大坝的施工过程中，人们就已经认识到大体积水工混凝土会因水泥水化放热而产生明显的温升，并在降温过程中因体积收缩而产生开裂。此后又发现大面积混凝土结构若失水收缩也会出现显著的裂缝，并开始根据施工经验采取掺火山灰、浇水、潮湿覆盖养护等预防措施^［138］。RILEM TC-119委员会开展了对混凝土早期温度收缩和抗裂性的研究^［139］，对混凝土的绝热温升、温度应力、开裂敏感度试验方法、混凝土早期性能、约束情况、应力计算以及防止混凝土早期裂缝措施等方面进行了全面而系统的研究。加拿大的Cussion^［140］等以桥梁的混凝土防护栏作为研究对象，利用ACI规范中提供的公式计算其外部约束，分析早期混凝土的抗拉强度、收缩、温度等，并利用叠加原理计算了混凝土总拉应力与时间的关系，从而对早期混凝土的开裂进行了估算。在他们的研究中，其模型主要考虑的是龄期为3d的混凝土自收缩，而忽略了塑性收缩和干缩。

在国内，王铁梦^［141］对工程结构中产生的裂缝问题进行了长期的观测以及系统的研究，在混凝土早期抗裂性方面做出了卓有成效的工作。在他的研究中，通过总结大量的工程实践，首次发表了有关现场结构温度收缩应力的实测研究结果。对由于干燥收缩、温度收缩等引发的结构开裂尤其是早期开裂提供了大量的实测资料，并总结了早期开裂的形成规律，收缩应力、温度应力的计算方法，对大体积混凝土结构的早期减缩抗裂等都进行了系统的研究，为国内在混凝土早期减缩抗裂方面的深入研究提供了相应的技术和理论支持^［138］。

从温控防裂方法来看，国外在大体积混凝土结构温度研究及温度控制系统研究方面起步较早。根据美国1938年3—4月ACI第34卷中提供的资料，波尔德坝采取的温控措施包括分缝均为15m，水泥用量为223kg/m³，采用低热水泥，浇筑层厚1.5m并限制间歇期，以及预埋冷却水管，进行人工冷却等。稍后建筑的大古力坝，除采用改良水泥外，其余温控措施和波尔德坝相同。它们和1932年建成的奥威海坝相比，在每英尺长度上，出现裂缝的长度，奥威海为0.75m，大古力为0.56m，波尔德为0.22m，没有出现破坏整体的贯穿裂缝。从美国“垦务局对拱坝裂缝控制的实施”（ASCE，1959年8月）和“TVA对混凝土重力坝的裂缝控制”（Power Division，1960年2月）中可以看出，美国在对水工大体积混凝土温控防裂方面，在20世纪60年代初已经逐渐形成了比较定型的设计、施工模式，其中包括采用水化热较低的水泥和高水灰比混凝土、限制浇筑层厚度和最短的浇筑间歇期、人工冷却降低混凝土的浇筑温度、预埋冷却水管和对新浇混凝土进行保温并延长养护时间等措施。到20世纪60年代末70年代初，美国陆军工程师兵团建造的工程基本上做到了不出现严重危害性裂缝。苏联、巴西等国对大体积混凝土的温度控制标准、温度控制措施及裂缝问题也做了深入的探讨^［142］。苏联到20世纪70年代建造的托克托古尔重力坝时，采用了“托克托古尔法”，也宣告在温控防裂方面获得成功^［143］。此法的核心就是得用自动上升的帐篷创造人工气候，冬季保温，夏季遮阳，自始至终在帐篷内浇筑混凝土。

我国在温控防裂方面起步相对较晚，朱伯芳院士在这方面做了大量的工作，并取得了很大成就。之后，中国水利水电科学研究院的张国新也在温控防裂方面做了大量的研究工作^[144-146]。在1955年建设响洪甸拱坝时，首次采用水管冷却、薄层浇筑，建成后裂缝不多^[147]。在60年代兴建、70年代建成的丹江口水电站建设初期，出现了大量裂缝，后采取了严格控制基础温差、新老混凝土上下层温差和内外温差；严格执行新浇混凝土的表面保护；提高混凝土的抗裂能力等措施，没有再发现严重危害性裂缝或深层裂缝。结合坝高168m的东风双曲拱坝，对高混凝土坝的裂缝与防治进行了系统研究^[148]，研究了混凝土原材料、配合比对混凝土抗裂性能的影响，提出了东风拱坝混凝土最优配合比，并把大掺量粉煤灰高强度混凝土应用于该高坝中；研究了混凝土断裂参数的尺寸效应和裂缝扩展的全过程；研究成功新型混凝土裂缝无损检测仪器、低温混凝土生产新工艺、新型保温保湿材料和通水冷却改性胶管等；在国内首次研究了混凝土高拱坝施工和运行全过程仿真，预报温度和应力的变化；研究了水库水温演变数学模型及计算程序等。河海大学的朱岳明教授从混凝土结构的裂缝形成机理入手，提出了相应的防止措施和方法，尤其是表面保温和内部降温的联合防裂方法，并在多个大坝、水闸、泵站、渡槽等重大工程中应用，都取得很好的防裂效果^[149-152]。

随着材料科学的发展，温控措施如果从材料方面进行突破无疑是一种根本上的措施。MgO微膨胀混凝土筑坝技术是近年来较为广泛关注的一个课题，在该领域吴中伟院士是我国的先驱，他在膨胀混凝土的性能、补偿收缩原理及模式和膨胀混凝土的应用设计方面提出了许多独特见解和理论方法^[153，154]，在工民建等领域的很多工程中得到运用。中国水利水电科学研究院的朱伯芳院士、丁宝瑛和张国新在掺氧化镁混凝土温度补偿收缩计算方面也取得一定进展^{[155-18，210-212]}，李承木提出一个任意温度下的体积变形经验公式^[159]，梅明荣也在该领域做了一些尝试性的研究工作^[160]，并取得一定的成就。但目前就MgO膨胀机理的认识还不够深入，存在变形安定性问题，且在如何掺、掺多少等问题方面仍存在分歧，补偿收缩混凝土在水工领域中的广泛应用仍有很多的工作要做，目前仍不成熟，处于不断完善的阶段。

混凝土性脆而其易裂，一旦产生裂缝，承重能力也就会消失，针对这一问题，纤维混凝土的产生是一种技术上的突破。纤维混凝土是一种复合材料，是指由若干种不同材料组合而成，可最大限度地发挥出各种材料独自特性并赋予整体以单一材料所不具备的优良特性。混凝土本身就是复合材料，而纤维增强混凝土只不过是在混凝土的各种原有组分中又增加了一种组分而已^［138］。纤维混凝土在抗拉、抗弯和抗剪性能方面相对普通混凝土都有所提高，且随着掺量的增加，抗裂性能也逐渐提高，因而对由于收缩等因素引起的早期裂缝有较好的抑制作用，但是就工程应用而言，意义不大。

综上所述，施工技术的改进、混凝土新材料的研发和应用、试验设备的更新等，对于控制温度升高、减小收缩变形、抑制裂缝产生将具有重要意义，在水工混凝土温控防裂问题上将会结束“无坝不裂”的历史。