1.1 混凝土温度应力及危害

1.1.1 混凝土温度应力产生的原因简析

混凝土坝体因温度变化而产生热胀冷缩的体积变化，当体积变化受约束时就会产生应力。混凝土在凝固过程中，水化热上升导致其体积膨胀，随着水化热的释放和混凝土内部热量的向外传递，以及混凝土弹性模量的增加，在温度下降过程中，混凝土坝体受到基础的约束或者表面混凝土温度降低受到内部混凝土的约束等条件下，就会在混凝土内产生拉应力。一旦拉应力超过混凝土抗拉强度时，即产生温度裂缝。由于混凝土的抗压强度远比抗拉强度大，温度压应力一般不会引起温度裂缝，所以对于坝块的温度应力，主要是分析其拉应力。下面通过嵌固板、自由墙和柱状块的温度应力，来分析说明大体积混凝土温度应力的产生原因。

（1）嵌固板的温度应力。混凝土施工时基岩上浇筑的薄块混凝土，长期停歇为嵌固板时，其温度应力大小与混凝土的弹性模量、热膨胀系数、混凝土的泊松比以及初始温差有关，其中热膨胀系数和泊松比为常量，弹性模量随混凝土的龄期逐渐增长，当水泥水化热升温时混凝土弹性模量较小。而降温时弹性模量较大。因此，混凝土降温后仍然残留较大的拉应力，这种拉应力超过混凝土的抗拉强度时，就会出现裂缝。

（2）自由墙的温度应力。所谓自由墙就是变形不受外部的约束，对于坝体而言，主要是坝体脱离基础约束区的部位，自由墙的温度应力，是由于温度分布不均匀内部相互约束而引起的。如内外温差引起的温度应力，当外部气温低于坝体内部温度时，由于热胀冷缩的原理，外部混凝土相对于内部混凝土存在收缩的趋势，这种收缩的趋势受内部混凝土的约束而产生拉应力。

另外墙面的温度应力受外界温度的降温速率的影响，降温速率越大，表面的应力越大，越容易出现裂缝。因此，对于寒潮、混凝土表面冷击等，需要做好表面保护。

（3）柱状块的温度应力。柱状块为建立在基岩上的混凝土块体，由于浇筑块温度的变化，在内部温度升高最高温度时，混凝土产生的膨胀变形受到基岩的约束，而形成压应力，这个压应力不会引起混凝土裂缝，但当内部温度由最高降至稳定温度时，混凝土产生的收缩变形受到基岩的约束，即产生拉应力，当拉应力超过混凝土极限拉伸强度时，就产生裂缝。

基岩对柱状块的约束应力分布，沿着块高逐渐减少而至消失，其约束力影响的高度，大概等于L/2 （L为底部长边的长度）。

1.1.2 混凝土温度应力的危害性

混凝土坝的温度和湿度的变化、混凝土本身的脆性和不均匀性，以及分缝分块和结构形式不恰当等，会产生应力，此外原材料的不合格、模板的变形走样和基础的不均匀沉陷，也会产生混凝土应力变化，当温度变化产生的应力超过混凝土的抗裂的强度时就产生裂缝，混凝土中最常见的裂缝是由温度应力产生的温度裂缝和干缩裂缝。混凝土的温度应力主要有几种：基础约束产生的应力；内外温差产生的应力；上下层温差产生的应力等，如果没有实施适当的温控措施，这些温度应力均有可能产生温度裂缝。裂缝按照发生的部位和深度不同，主要分为三种：第一种是表面裂缝；第二种是基础贯穿性裂缝；第三种是深层内部裂缝。

混凝土浇筑后，由于内部温度较高和外界气温的变化较大造成，使表面混凝土温降过低产生收缩，而内部温度较高，没有体积的变化。因此，内部混凝土对表面混凝土产生约束的应力，当应力超过混凝土抗裂强度时就出现表面裂缝。表面裂缝多发生在施工期间混凝土浇筑块的顶、侧面及其棱角部位，一般深度不大，所以成为表面裂缝。

对于基础部位的混凝土，混凝土浇筑最高温度出现后，内部温度开始缓慢下降，由于基岩的约束对浇筑的混凝土产生应力，容易产生基础裂缝，最严重的为基础贯穿性裂缝，由于它自下而上的延伸发展，可能贯穿到坝体的下游面，或者横向分割坝体，贯穿至坝体的顶部，所以称它为基础贯穿性裂缝。此外还有温度裂缝，既非深度较浅的表面裂缝，又未发生到贯穿坝体，常称之为深层内部裂缝。

裂缝的危害性，以贯穿性裂缝最为严重。因为，这种裂缝一旦发生在坝体的横断面上，就会把坝体分割成为独立的块体，坝体的整体性遭到破坏。使坝体应力发生变化并重新分布，特别是发生在上游面坝踵处，将出现较大的拉应力，恶化到影响坝体的稳定，直接危害大坝的安全。如果这种裂缝发生在坝体的纵断面上，当其与迎水面相通时，还会引起严重漏水。

对于暴露在外的混凝土，当遇寒潮时，或者外界气温变化很大时，容易在表面形成应力，而出现表面裂缝，表面裂缝由于其深度较浅，如能处于稳定状态，不延伸发展，一般危害性较小。但表面裂缝发生在坝的上游迎水面，在温度变化和渗压影响下，可能发展成为深层裂缝，这对坝的防渗及耐久性极为不利。发生在坝的基础部位或新混凝土受老混凝土约束范围内的表面裂缝，在混凝土内部降温过程中，可能发展转化为贯穿性裂缝，其危害性亦将随之而发生质的变化。

无论是表面裂缝、贯穿裂缝或深层裂缝，都可能对坝的防渗性、耐久性、整体性和安全运行带来严重的威胁。因此，混凝土施工过程中，要做好温度控制措施，尽可能地降低温度应力，减少温度裂缝的产生。