1.1水工混凝土的定義
為了達到防洪、灌溉、發(fā)電、供水、航運等目的，通常需要修建不同類型的建筑物，用來擋水、泄洪、輸水、排沙等。這些建筑物稱為水工建筑物。這些建筑物所用的混凝土，稱為水工混凝土。
水工建筑物一般體積較大，相應的混凝土塊體尺寸也較大，通常稱為水工大體積混凝土。由于使用條件比較嚴酷，因此需按照工程的使用條件和設(shè)計要求，注意混凝土的原材料選擇和配合比設(shè)計，使其具有較好的物理力學性能和耐久性能。
1.2水工混凝土的分類
水工混凝土一般可分為以下幾種：經(jīng)常處于水中的水下構(gòu)筑物；處于水位變化區(qū)的構(gòu)筑物；偶然承受水沖刷的水上構(gòu)筑物。除此之外，還區(qū)分為大體積混凝土及非大體積混凝土；有壓頭及無壓頭結(jié)構(gòu)等。水工混凝土的分類方法見表1。
表1 水工混凝土分類
分類原則
水工混凝土名稱
按水工混凝土與水位的關(guān)系
1.經(jīng)常處于水中的水下混凝土
2.水位變動區(qū)域的混凝土
3.水位變動區(qū)域以上的水上混凝土
按建筑物建成結(jié)構(gòu)的體積大小
1.大體積混凝土(外部或內(nèi)部)
2.非大體積混凝土
接受水壓的情況
1.受水壓力作用的結(jié)構(gòu)或建筑物的混凝土
2.不受水壓力作用的結(jié)構(gòu)或建筑物的混凝土
接受水流沖刷的情況
1.受沖刷部分的混凝土
2.不受沖刷部分的混凝土
按大體積建筑物的位置
1.外部區(qū)域的混凝土
2.內(nèi)部區(qū)域的混凝土
1.3水工混凝土的首要核心問題
水利水電工程中所謂大體積混凝土，是指混凝土澆筑體積很大，以至需要考慮并采取措施，解決混凝土在凝結(jié)硬化過程中由于水泥水化熱在塊體內(nèi)產(chǎn)生的溫度變化而產(chǎn)生的應變與應力，使之不發(fā)生裂縫。
裂縫控制是大體積水工混凝土的首要核心問題?；炷岭S著溫度的變化而產(chǎn)生膨脹或收縮變形，這種變形稱為溫度變形。對于大體積混凝土，裂縫主要是由溫度變形引起的，因此，如何減少溫度變形是一個重要問題。這是因為混凝土澆筑后，由于水泥在水化凝結(jié)過程中，要產(chǎn)生大量的水化熱，因而使混凝土溫度升高，體積膨脹。待達到溫度以后，隨著熱量向外部介質(zhì)的散發(fā)，溫度將由溫度降至一個穩(wěn)定溫度或準穩(wěn)定溫度，并產(chǎn)生一個溫差。如果澆筑溫度大于穩(wěn)定溫度(或準穩(wěn)定溫度)，這個溫差就更大，這時，混凝土因為降溫，將產(chǎn)生體積收縮，混凝土的收縮，由于受到基巖約束，將產(chǎn)生很大的拉應力，如果拉應力超過混凝土的極限抗拉強度，就將出現(xiàn)基礎(chǔ)貫穿裂縫。在脫離基巖約束部位，如果混凝土的溫度與外部介質(zhì)的溫差過大，形成溫度梯度，內(nèi)部熱的混凝土約束外部冷的混凝土的收縮，亦即內(nèi)部溫度場呈非線性分布，也可能出現(xiàn)深層裂縫或表面裂縫。最可能和最危險的情況，是早期的表面裂縫形成弱點，在繼續(xù)降溫的過程中，最容易出現(xiàn)具有破壞性的裂縫。
混凝土澆筑塊由水泥水化熱引起溫度變化與應力，與所澆塊體的尺寸大小有關(guān)。對小體積混凝土而言，例如斷面尺寸或厚度小于數(shù)10cm的混凝土構(gòu)件，由于混凝土水泥水化熱散失快，塊體內(nèi)部溫度基本沒有變化，或變化很小，與初始溫度始終保持一致，不構(gòu)成明顯的溫度變化，因此水泥水化熱基本不產(chǎn)生溫差及溫度應力。當塊體尺寸很大，例如斷面尺寸或厚度大于數(shù)米以上的混凝土構(gòu)件，由于混凝土的水泥水化熱不能很快散失，而使內(nèi)部溫度升高，有時水泥水化熱溫升可達15℃～30℃或更高，以后在環(huán)境溫度影響下逐漸下降，塊體內(nèi)溫度隨時間不斷變化，熱脹冷縮的變化過程，將在塊體約束條件下產(chǎn)生溫度應力。
在實際工程中，由于混凝土必須澆筑在基巖或者老混凝土上，它們的初始溫度條件不僅不同，而且物理力學性能也有差別?；炷恋臏囟茸冃?，在基巖面上要受基巖約束，因而會產(chǎn)生溫度應力。在混凝土內(nèi)部，由于澆筑的時間不同，散熱條件和水泥用量不同等原因，混凝土內(nèi)將出現(xiàn)非線性溫度場分布，出現(xiàn)變形不一致的現(xiàn)象，因而在混凝土內(nèi)部，也會產(chǎn)生溫度應力。在基巖(或老混凝土)附近，基巖(或老混凝土)的約束影響大，溫度應力主要受基巖的約束條件控制；在脫離基巖約束的部位，主要受混凝土非線性溫度場的約束條件控制，澆筑層面的表面裂縫，主要由水平方向的非線性溫度場所決定。垂直方向的裂縫，在脫離基巖約束區(qū)以后，主要由垂直方向的非線性溫度場所造成，并與壩塊澆筑的長間歇期有關(guān)。因此，減小約束條件，降低混凝土發(fā)熱量，是減小溫度應力、防止或減小嚴重危害性裂縫發(fā)生和發(fā)展的主要措施。
1.4水工混凝土裂縫產(chǎn)生的原因
由于混凝土本身以及混凝土與周圍環(huán)境相互作用的復雜性，混凝土裂縫的產(chǎn)生一般不是由單一的因素造成的，它的形成往往是由多種因素共同作用的結(jié)果，不能簡單地將混凝土裂縫出現(xiàn)的原因歸結(jié)為材料選用不當或環(huán)境太惡劣。正確的觀點是：從混凝土的性能、結(jié)構(gòu)型式及所處的環(huán)境等方面系統(tǒng)考察各種可能使混凝土產(chǎn)生裂縫的原因，經(jīng)過周密分析從中找出使混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因，并采取相應的措施防止混凝土裂縫。
從結(jié)構(gòu)角度看，混凝土的收縮變形受到約束，其拉應力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土就會開裂。隨著水泥與混凝土的生產(chǎn)和結(jié)構(gòu)工程技術(shù)的發(fā)展，溫度收縮和自身收縮日益成為引起混凝土開裂的主要收縮現(xiàn)象。同時，由于混凝土早期強度、彈性模量、徐變松弛等參數(shù)隨之變化，造成開裂趨勢明顯加大。
為了達到防洪、灌溉、發(fā)電、供水、航運等目的，通常需要修建不同類型的建筑物，用來擋水、泄洪、輸水、排沙等。這些建筑物稱為水工建筑物。這些建筑物所用的混凝土，稱為水工混凝土。
水工建筑物一般體積較大，相應的混凝土塊體尺寸也較大，通常稱為水工大體積混凝土。由于使用條件比較嚴酷，因此需按照工程的使用條件和設(shè)計要求，注意混凝土的原材料選擇和配合比設(shè)計，使其具有較好的物理力學性能和耐久性能。
1.2水工混凝土的分類
水工混凝土一般可分為以下幾種：經(jīng)常處于水中的水下構(gòu)筑物；處于水位變化區(qū)的構(gòu)筑物；偶然承受水沖刷的水上構(gòu)筑物。除此之外，還區(qū)分為大體積混凝土及非大體積混凝土；有壓頭及無壓頭結(jié)構(gòu)等。水工混凝土的分類方法見表1。
表1 水工混凝土分類
分類原則
水工混凝土名稱
按水工混凝土與水位的關(guān)系
1.經(jīng)常處于水中的水下混凝土
2.水位變動區(qū)域的混凝土
3.水位變動區(qū)域以上的水上混凝土
按建筑物建成結(jié)構(gòu)的體積大小
1.大體積混凝土(外部或內(nèi)部)
2.非大體積混凝土
接受水壓的情況
1.受水壓力作用的結(jié)構(gòu)或建筑物的混凝土
2.不受水壓力作用的結(jié)構(gòu)或建筑物的混凝土
接受水流沖刷的情況
1.受沖刷部分的混凝土
2.不受沖刷部分的混凝土
按大體積建筑物的位置
1.外部區(qū)域的混凝土
2.內(nèi)部區(qū)域的混凝土
1.3水工混凝土的首要核心問題
水利水電工程中所謂大體積混凝土，是指混凝土澆筑體積很大，以至需要考慮并采取措施，解決混凝土在凝結(jié)硬化過程中由于水泥水化熱在塊體內(nèi)產(chǎn)生的溫度變化而產(chǎn)生的應變與應力，使之不發(fā)生裂縫。
裂縫控制是大體積水工混凝土的首要核心問題?；炷岭S著溫度的變化而產(chǎn)生膨脹或收縮變形，這種變形稱為溫度變形。對于大體積混凝土，裂縫主要是由溫度變形引起的，因此，如何減少溫度變形是一個重要問題。這是因為混凝土澆筑后，由于水泥在水化凝結(jié)過程中，要產(chǎn)生大量的水化熱，因而使混凝土溫度升高，體積膨脹。待達到溫度以后，隨著熱量向外部介質(zhì)的散發(fā)，溫度將由溫度降至一個穩(wěn)定溫度或準穩(wěn)定溫度，并產(chǎn)生一個溫差。如果澆筑溫度大于穩(wěn)定溫度(或準穩(wěn)定溫度)，這個溫差就更大，這時，混凝土因為降溫，將產(chǎn)生體積收縮，混凝土的收縮，由于受到基巖約束，將產(chǎn)生很大的拉應力，如果拉應力超過混凝土的極限抗拉強度，就將出現(xiàn)基礎(chǔ)貫穿裂縫。在脫離基巖約束部位，如果混凝土的溫度與外部介質(zhì)的溫差過大，形成溫度梯度，內(nèi)部熱的混凝土約束外部冷的混凝土的收縮，亦即內(nèi)部溫度場呈非線性分布，也可能出現(xiàn)深層裂縫或表面裂縫。最可能和最危險的情況，是早期的表面裂縫形成弱點，在繼續(xù)降溫的過程中，最容易出現(xiàn)具有破壞性的裂縫。
混凝土澆筑塊由水泥水化熱引起溫度變化與應力，與所澆塊體的尺寸大小有關(guān)。對小體積混凝土而言，例如斷面尺寸或厚度小于數(shù)10cm的混凝土構(gòu)件，由于混凝土水泥水化熱散失快，塊體內(nèi)部溫度基本沒有變化，或變化很小，與初始溫度始終保持一致，不構(gòu)成明顯的溫度變化，因此水泥水化熱基本不產(chǎn)生溫差及溫度應力。當塊體尺寸很大，例如斷面尺寸或厚度大于數(shù)米以上的混凝土構(gòu)件，由于混凝土的水泥水化熱不能很快散失，而使內(nèi)部溫度升高，有時水泥水化熱溫升可達15℃～30℃或更高，以后在環(huán)境溫度影響下逐漸下降，塊體內(nèi)溫度隨時間不斷變化，熱脹冷縮的變化過程，將在塊體約束條件下產(chǎn)生溫度應力。
在實際工程中，由于混凝土必須澆筑在基巖或者老混凝土上，它們的初始溫度條件不僅不同，而且物理力學性能也有差別?；炷恋臏囟茸冃?，在基巖面上要受基巖約束，因而會產(chǎn)生溫度應力。在混凝土內(nèi)部，由于澆筑的時間不同，散熱條件和水泥用量不同等原因，混凝土內(nèi)將出現(xiàn)非線性溫度場分布，出現(xiàn)變形不一致的現(xiàn)象，因而在混凝土內(nèi)部，也會產(chǎn)生溫度應力。在基巖(或老混凝土)附近，基巖(或老混凝土)的約束影響大，溫度應力主要受基巖的約束條件控制；在脫離基巖約束的部位，主要受混凝土非線性溫度場的約束條件控制，澆筑層面的表面裂縫，主要由水平方向的非線性溫度場所決定。垂直方向的裂縫，在脫離基巖約束區(qū)以后，主要由垂直方向的非線性溫度場所造成，并與壩塊澆筑的長間歇期有關(guān)。因此，減小約束條件，降低混凝土發(fā)熱量，是減小溫度應力、防止或減小嚴重危害性裂縫發(fā)生和發(fā)展的主要措施。
1.4水工混凝土裂縫產(chǎn)生的原因
由于混凝土本身以及混凝土與周圍環(huán)境相互作用的復雜性，混凝土裂縫的產(chǎn)生一般不是由單一的因素造成的，它的形成往往是由多種因素共同作用的結(jié)果，不能簡單地將混凝土裂縫出現(xiàn)的原因歸結(jié)為材料選用不當或環(huán)境太惡劣。正確的觀點是：從混凝土的性能、結(jié)構(gòu)型式及所處的環(huán)境等方面系統(tǒng)考察各種可能使混凝土產(chǎn)生裂縫的原因，經(jīng)過周密分析從中找出使混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因，并采取相應的措施防止混凝土裂縫。
從結(jié)構(gòu)角度看，混凝土的收縮變形受到約束，其拉應力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土就會開裂。隨著水泥與混凝土的生產(chǎn)和結(jié)構(gòu)工程技術(shù)的發(fā)展，溫度收縮和自身收縮日益成為引起混凝土開裂的主要收縮現(xiàn)象。同時，由于混凝土早期強度、彈性模量、徐變松弛等參數(shù)隨之變化，造成開裂趨勢明顯加大。