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【摘 要】 随着我国交通事业的飞速发展，大量的空心桥墩应用到道路、铁路、桥梁当中。这些高桥墩体积大、导热性能差，浇筑初期在自身混凝土水化热作用和外界环境等影响下，混凝土内外温度、湿度都会产生变化，结构各部分处于不同的状态，从而产生不同程度的变形。这些体积变形在受到约束时，就会产生相当大的应力，导致裂缝的出现。承台混凝土作为大体积混凝土，它的早期裂缝形式主要是温度裂缝和干缩裂缝。
本文针对影响承台早期开裂的各种因素，进行有限元分析和实验研究，主要内容如下：
（1）根据热传导有限单元法，运用ANSYS模拟分析了空心高墩承台的水化热温度场和温度应力，得到关键部位温度变化曲线、温度场分布云图、温度应力变化曲线和温度应力云图。
（2）设计混凝土砂浆早期抗裂实验，研究不同龄期不同配合比下混凝土的抗裂性能及其他力学性能，分析矿物掺合料和外加剂对承台混凝土早期开裂的影响。
（3）对水泥水化过程进行微观分析，观察水化产物，从微观角度进行早期开裂的分析研究。
【关键词】 承台;温度裂缝;干缩裂缝;水化热;早期抗裂
1、承台混凝土早期开裂
1.1承台混凝土特点
承台属于大体积混凝土的研究领域，因此具备大体积混凝土的特点。
大体积混凝土具有以下特点：
（1）混凝土是一种脆性材料，其抗拉强度远低于抗压强度，只达到抗压强度的10%左右;并且混凝土的拉伸变形能力也很弱，短期加载时的极限拉伸变形只有（0.6～1.0）×10-4m，长期加载时的极限拉伸变形也只有（1.2～2.0）×10-4m。
（2）大体积混凝土结构的断面尺寸通常比较大。在混凝土浇筑初期，水泥水化放出大量热量，使得混凝土内部温度急剧上升，此时混凝土处于塑性阶段，弹性模量很小，徐变较大，水化升温引起的压应力并不大;但在大体积混凝土处于降温阶段时，这时的弹性模量比较大，徐变较小，在一定的约束条件下会产生相当大的拉应力。
（3）大体积混凝土一般暴露在外，混凝土表面与空气或水接触，接受阳光直射，外界气温和水温的变化在大体积混凝土结构中会引起相当大的拉应力。
水工大体积混凝土和土木大体积混凝土又有一些分别。水工大体积混凝土块体厚、体积大、混凝土用量大;一般无筋或构造筋;其设计强度等级低、单方水泥用量少;受外界气温和水温的影响较大;在浇筑水工大体积混凝土时可以合理分缝分块，减少一次浇筑混凝土的量;通常用冷水管来进行养护。土木大体积混凝土块体薄，体积小，混凝土用量小;可以按情况进行配筋;设计强度等级高，单方水泥用量多;受外界气温和水温影响较小;整体性要求高，要求一次连续浇筑;常用外部保温来进行养护。
1.2承台混凝土的早期开裂
混凝土在浇筑初期，由于受到各种约束，混凝土结构会产生应力与应变，当混凝土结构中的应变值超过混凝土极限应变值时，这时混凝土结构就会出现裂缝，这就是混凝土的早期开裂。开裂问题常发生在混凝土早期，这个早期一般是指新拌混凝土时期和龄期为1～2天的具有一定强度的硬化混凝土时期。在这个时期内混凝土由于受到水泥水化热的影响，内部的温度和湿度都在发生变化，从而引起一系列的体积变形，在受到约束后會产生应力。
从力学性能分析来看，混凝土的早期开裂条件为：
式（1.1）中：x——混凝土的应变
——混凝土的弹性模量
——混凝土的抗拉强度
xL——混凝土的极限应变
从式（1.1）中可以看出，混凝土的极限应变与抗拉强度和弹性模量密切相关。混凝土的抗拉强度越高，极限应变越大;混凝土的弹性模量约大，极限应变越小。
在混凝土拌合成型的最初几个小时，混凝土呈现粘塑性的性质，此时弹性模量几乎为0，不会产生开裂;但是随着时间的增加，混凝土水化反应开始，弹性模量逐渐变大，在混凝土浇筑4～8小时，弹性模量急速增加，而混凝土抗压和抗拉强度以正常水平增长，这样使得混凝土的极限应变迅速变小，此时极容易产生裂缝。
2、承台混凝土早期裂缝影响因素
2.1温度裂缝的类型与特点
根据温度裂缝发生的位置，可以将其分为三种类型，即浅层裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝。浅层裂缝和深层裂缝多是由于混凝土结构内部和外部温差过大引起的，而贯穿裂缝是由混凝土内部最高温度和最低温度差距过大引起的。
浅层裂缝和深层裂缝：混凝土浇筑初期，水泥水化作用产生大量的热量，由于混凝土的绝热保温作用，结构内部温度升高，结构表面温度由于散失而降低，内外温差大，内部混凝土体积膨胀，外部混凝土收缩来约束膨胀，此时产生的拉应力超过混凝土抗拉强度后，就在结构表面产生温度裂缝;此时的温度裂缝多出现于混凝土的表面，且分布面积广，其走向一般没有特定的规律，缝偏细小但宽度不一。
贯穿裂缝：在混凝土降温阶段内，混凝土内部热量散失温度降低，体积产生收缩，此时地基对其收缩进行约束产生一个拉应力，这个拉应力超过混凝土抗拉极限强度时，在混凝土底面交界处至中上部会产生裂缝;这种温度裂缝由底面向上延伸，严重时可贯穿整个结构，靠近底面部分缝宽最大，向上慢慢变小。
2.2干缩裂缝的影响因素分析
干燥收缩是混凝土收缩形式中最为常见的一种，混凝土浇捣三天后最主要的收缩就是干燥收缩，并且混凝土的干燥收缩一直进行着，时间最多可以长达几十年。
所谓干燥收缩，是指混凝土在停止养护后硬化期间，由于在不饱和空气中失去内部水分而产生体积收缩。混凝土的干燥收缩过程是不可逆的，主要发生在浇筑后的3～90天内，如果这个阶段养护不好，特别容易出现干燥裂缝。
3、承台混凝土早期水化热温度场分析及配合比优化 3.1承台混凝土水化热的有限元分析
建立模型及划分网格
几何形状比较规则，可以采取六面体单元来划分网格，单元类型为solid70，单元形状见图3.1
结构材料为混凝土，材料属性：密度为2500kg/m3，比热为925J/（kg·℃），热传导系数为3.3W/（m·℃）
网格划分中，单元划分越小，空间或单位区间内容纳的单元数越多，计算精度就越高，但是运算速度会因为单元增多而下降。所有在实际的建模和中，网格划分应根据具体情况灵活处理。在温度变化剧烈的区域把单元划分地密集一些。因为墩身纵向承受太阳辐射较多，所以网格划分应该密集一些，若是不定义纵向单元数目，自由网格划分得到的纵向单元数量较少，尺寸较大，分析与计算结果精确度不够。建立的承台分析模型由15728个单元、23700个节点组成，承台及承台单元划分如下图：
图3.2 承台网格划分图 图3.3 承台网格划分图
3.2高墩承台水化热的温度场分析
在浇筑初期9个小时各点的温度上升几乎同步，各点的温度差不超过1.5℃;在随后的39个小时内，越靠近中心的节点温度上升越快，承台中心点升温最快;在48小时拆模后，承台内部节点温度继续上升，表面节点温度开始下降，各表面温度下降基本同步。浇筑体的温度变化总体趋势是升温较快而降温缓慢，承台表面在拆模后与外界直接接触，降温较快，承台内部通过热传导作用，降温较慢，越接近承台中心的部分温度降低越慢，在大约5天均是升温过程，之后开始缓慢降温，而承台中心部位由于水化热的作用强于热传导降温作用，温度仍在增高，虽然升温幅度幅度明显降低，但是仍与承台表面存在较大温差，需要其它方式进行承台中心部位降温。
图3.4 承台内部各点和表面中心点的温差曲线
3.3承台温度场分布云图
48小时后中心截面温度场分布云图
168小时后中心截面温度场分布云图
从水化热的温度应力云图和温度应力变化曲线可以看出：在浇筑初期的12个小时内，承台外表面和中心都表现为压应力，随着承台表面和中心温差的增大，中心膨胀大而表面膨胀较小，两者变形不一致，表面约束中心的膨胀而中心促进表面的膨胀，因此在中心产生压应力而在表面产生拉应力，温降阶段的拉应力在抵消掉温升阶段的压应力后，还存留相当大的拉应力，很容易引起混凝土的早期开裂。
所以，混凝土水化产生的水化热越大，水化引起的温度应力就越大，对混凝土结构破坏作用就越强。
4、结束语
通过用有限元方法模拟承台混凝土水化热的温度场和温度应力，可以得出：混凝土浇筑后，水泥水化反应产生大量水化热，使得混凝土溫度上升，但由于温升速度不同在混凝土内外形成了温差，随着表面和中心温差的增大，混凝土内外变形不一致，混凝土内外互相约束就产生了拉（压）应力，所以降低水泥水化热是减小温度应力的最有效途径。
参考文献：
[1]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国电力出版社，1998.
[2]刘西军.大体积混凝土温度场应力仿真分析[博士学位论文].浙江大学，2005.5.
[3] Richard W. Burrows. The visible and invisible cracking of coucrete.ACI，1998.
[4]王铁梦.工程结构裂缝控制.中国建筑工业出版社，北京，1999.8.
[5]黄士元.混凝土早期裂纹的成因与防治[J].混凝土，2000，7：3-5.
[6]刘数华.提高高强混凝土抗裂性能的试验研究[J].混凝土，2006，7：8-10.
本文针对影响承台早期开裂的各种因素，进行有限元分析和实验研究，主要内容如下：
（1）根据热传导有限单元法，运用ANSYS模拟分析了空心高墩承台的水化热温度场和温度应力，得到关键部位温度变化曲线、温度场分布云图、温度应力变化曲线和温度应力云图。
（2）设计混凝土砂浆早期抗裂实验，研究不同龄期不同配合比下混凝土的抗裂性能及其他力学性能，分析矿物掺合料和外加剂对承台混凝土早期开裂的影响。
（3）对水泥水化过程进行微观分析，观察水化产物，从微观角度进行早期开裂的分析研究。
【关键词】 承台;温度裂缝;干缩裂缝;水化热;早期抗裂
1、承台混凝土早期开裂
1.1承台混凝土特点
承台属于大体积混凝土的研究领域，因此具备大体积混凝土的特点。
大体积混凝土具有以下特点：
（1）混凝土是一种脆性材料，其抗拉强度远低于抗压强度，只达到抗压强度的10%左右;并且混凝土的拉伸变形能力也很弱，短期加载时的极限拉伸变形只有（0.6～1.0）×10-4m，长期加载时的极限拉伸变形也只有（1.2～2.0）×10-4m。
（2）大体积混凝土结构的断面尺寸通常比较大。在混凝土浇筑初期，水泥水化放出大量热量，使得混凝土内部温度急剧上升，此时混凝土处于塑性阶段，弹性模量很小，徐变较大，水化升温引起的压应力并不大;但在大体积混凝土处于降温阶段时，这时的弹性模量比较大，徐变较小，在一定的约束条件下会产生相当大的拉应力。
（3）大体积混凝土一般暴露在外，混凝土表面与空气或水接触，接受阳光直射，外界气温和水温的变化在大体积混凝土结构中会引起相当大的拉应力。
水工大体积混凝土和土木大体积混凝土又有一些分别。水工大体积混凝土块体厚、体积大、混凝土用量大;一般无筋或构造筋;其设计强度等级低、单方水泥用量少;受外界气温和水温的影响较大;在浇筑水工大体积混凝土时可以合理分缝分块，减少一次浇筑混凝土的量;通常用冷水管来进行养护。土木大体积混凝土块体薄，体积小，混凝土用量小;可以按情况进行配筋;设计强度等级高，单方水泥用量多;受外界气温和水温影响较小;整体性要求高，要求一次连续浇筑;常用外部保温来进行养护。
1.2承台混凝土的早期开裂
混凝土在浇筑初期，由于受到各种约束，混凝土结构会产生应力与应变，当混凝土结构中的应变值超过混凝土极限应变值时，这时混凝土结构就会出现裂缝，这就是混凝土的早期开裂。开裂问题常发生在混凝土早期，这个早期一般是指新拌混凝土时期和龄期为1～2天的具有一定强度的硬化混凝土时期。在这个时期内混凝土由于受到水泥水化热的影响，内部的温度和湿度都在发生变化，从而引起一系列的体积变形，在受到约束后會产生应力。
从力学性能分析来看，混凝土的早期开裂条件为：
式（1.1）中：x——混凝土的应变
——混凝土的弹性模量
——混凝土的抗拉强度
xL——混凝土的极限应变
从式（1.1）中可以看出，混凝土的极限应变与抗拉强度和弹性模量密切相关。混凝土的抗拉强度越高，极限应变越大;混凝土的弹性模量约大，极限应变越小。
在混凝土拌合成型的最初几个小时，混凝土呈现粘塑性的性质，此时弹性模量几乎为0，不会产生开裂;但是随着时间的增加，混凝土水化反应开始，弹性模量逐渐变大，在混凝土浇筑4～8小时，弹性模量急速增加，而混凝土抗压和抗拉强度以正常水平增长，这样使得混凝土的极限应变迅速变小，此时极容易产生裂缝。
2、承台混凝土早期裂缝影响因素
2.1温度裂缝的类型与特点
根据温度裂缝发生的位置，可以将其分为三种类型，即浅层裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝。浅层裂缝和深层裂缝多是由于混凝土结构内部和外部温差过大引起的，而贯穿裂缝是由混凝土内部最高温度和最低温度差距过大引起的。
浅层裂缝和深层裂缝：混凝土浇筑初期，水泥水化作用产生大量的热量，由于混凝土的绝热保温作用，结构内部温度升高，结构表面温度由于散失而降低，内外温差大，内部混凝土体积膨胀，外部混凝土收缩来约束膨胀，此时产生的拉应力超过混凝土抗拉强度后，就在结构表面产生温度裂缝;此时的温度裂缝多出现于混凝土的表面，且分布面积广，其走向一般没有特定的规律，缝偏细小但宽度不一。
贯穿裂缝：在混凝土降温阶段内，混凝土内部热量散失温度降低，体积产生收缩，此时地基对其收缩进行约束产生一个拉应力，这个拉应力超过混凝土抗拉极限强度时，在混凝土底面交界处至中上部会产生裂缝;这种温度裂缝由底面向上延伸，严重时可贯穿整个结构，靠近底面部分缝宽最大，向上慢慢变小。
2.2干缩裂缝的影响因素分析
干燥收缩是混凝土收缩形式中最为常见的一种，混凝土浇捣三天后最主要的收缩就是干燥收缩，并且混凝土的干燥收缩一直进行着，时间最多可以长达几十年。
所谓干燥收缩，是指混凝土在停止养护后硬化期间，由于在不饱和空气中失去内部水分而产生体积收缩。混凝土的干燥收缩过程是不可逆的，主要发生在浇筑后的3～90天内，如果这个阶段养护不好，特别容易出现干燥裂缝。
3、承台混凝土早期水化热温度场分析及配合比优化 3.1承台混凝土水化热的有限元分析
建立模型及划分网格
几何形状比较规则，可以采取六面体单元来划分网格，单元类型为solid70，单元形状见图3.1
结构材料为混凝土，材料属性：密度为2500kg/m3，比热为925J/（kg·℃），热传导系数为3.3W/（m·℃）
网格划分中，单元划分越小，空间或单位区间内容纳的单元数越多，计算精度就越高，但是运算速度会因为单元增多而下降。所有在实际的建模和中，网格划分应根据具体情况灵活处理。在温度变化剧烈的区域把单元划分地密集一些。因为墩身纵向承受太阳辐射较多，所以网格划分应该密集一些，若是不定义纵向单元数目，自由网格划分得到的纵向单元数量较少，尺寸较大，分析与计算结果精确度不够。建立的承台分析模型由15728个单元、23700个节点组成，承台及承台单元划分如下图：
图3.2 承台网格划分图 图3.3 承台网格划分图
3.2高墩承台水化热的温度场分析
在浇筑初期9个小时各点的温度上升几乎同步，各点的温度差不超过1.5℃;在随后的39个小时内，越靠近中心的节点温度上升越快，承台中心点升温最快;在48小时拆模后，承台内部节点温度继续上升，表面节点温度开始下降，各表面温度下降基本同步。浇筑体的温度变化总体趋势是升温较快而降温缓慢，承台表面在拆模后与外界直接接触，降温较快，承台内部通过热传导作用，降温较慢，越接近承台中心的部分温度降低越慢，在大约5天均是升温过程，之后开始缓慢降温，而承台中心部位由于水化热的作用强于热传导降温作用，温度仍在增高，虽然升温幅度幅度明显降低，但是仍与承台表面存在较大温差，需要其它方式进行承台中心部位降温。
图3.4 承台内部各点和表面中心点的温差曲线
3.3承台温度场分布云图
48小时后中心截面温度场分布云图
168小时后中心截面温度场分布云图
从水化热的温度应力云图和温度应力变化曲线可以看出：在浇筑初期的12个小时内，承台外表面和中心都表现为压应力，随着承台表面和中心温差的增大，中心膨胀大而表面膨胀较小，两者变形不一致，表面约束中心的膨胀而中心促进表面的膨胀，因此在中心产生压应力而在表面产生拉应力，温降阶段的拉应力在抵消掉温升阶段的压应力后，还存留相当大的拉应力，很容易引起混凝土的早期开裂。
所以，混凝土水化产生的水化热越大，水化引起的温度应力就越大，对混凝土结构破坏作用就越强。
4、结束语
通过用有限元方法模拟承台混凝土水化热的温度场和温度应力，可以得出：混凝土浇筑后，水泥水化反应产生大量水化热，使得混凝土溫度上升，但由于温升速度不同在混凝土内外形成了温差，随着表面和中心温差的增大，混凝土内外变形不一致，混凝土内外互相约束就产生了拉（压）应力，所以降低水泥水化热是减小温度应力的最有效途径。
参考文献：
[1]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国电力出版社，1998.
[2]刘西军.大体积混凝土温度场应力仿真分析[博士学位论文].浙江大学，2005.5.
[3] Richard W. Burrows. The visible and invisible cracking of coucrete.ACI，1998.
[4]王铁梦.工程结构裂缝控制.中国建筑工业出版社，北京，1999.8.
[5]黄士元.混凝土早期裂纹的成因与防治[J].混凝土，2000，7：3-5.
[6]刘数华.提高高强混凝土抗裂性能的试验研究[J].混凝土，2006，7：8-10.