混凝土早期温度裂缝的预防（中/英文对照）

    在美国混凝土学会（ＡＣＩ）编写的《混凝土手册》（ＭａｎｕａｌｏｆＣｏｎｃｒｅｔｅＰｒａｃｔｉｃｅ）中，２０７委员会（ＡＣＩＣｏｍｍｉｔｔｅｅ２０７）关于“大体积混凝土”报告说到：一个结构或其部分的混凝土，如果需要采取措施控制热行为来减轻开裂，就可以看作“大体积混凝土”。这是对“预防混凝土早期温度裂缝”的对象恰当的诠释：“大体积混凝土”只是一种本质的形容，而不是体量。由于水泥的变化、工程条件的影响、对混凝土强度要求的提高等多方面因素，现代混凝土浇注后的温升所引起的早期开裂并非只发生于大坝混凝土，亦非“小断面尺寸大于１ｍ
（后来又被改为０．８ｍ）”的混凝土。那些中等尺寸（例如小厚度为２０ｃｍ）构件的混凝土往往也需要控制因早期发热引起的开裂；尤其是散热条件差的地下连续墙、顶板、隧道衬砌与支护、基础等构件的混凝土，一般裂缝很难避免。本书所述研究和工程实例表明，水泥的水化热以及混凝土温度变化已经成为引起混凝土与钢筋混凝土早期开裂的主导原因。书中对水泥水化热、混凝土的温度应力和开裂倾向、混凝土硬化过程温度以及力学行为发展等的试验方法、计算分析和预测方法详尽的阐述，都可为我们观念的转变、结合我国国情的继续研究和在工程中采取的对策提供借鉴。例如，第６章和第９章中对外部约束的分析和计算、第９章中关于以控制承载裂缝为目的的配筋计算，以及第７章温度应力计算模型和计算方法……，这些内容无论对施工人员，还是对结构设计人员，都有参考价值。除了俄罗斯，西方国家高校没有建筑材料专业，书中各章作者都是“土木工程”出身从事结构工程研究、设计和建设的学者。而我国，结构工程师大都不懂得混凝土材料，对混凝土结构耐久性的设计没有经验，离开规范就不知所措；只会进行安全性的计算，不会进行耐久性设计；混凝土材料工程师力学、数学功底又欠缺，难以进行量化的预测；建设管理中又将设计、施工、材料分设部门归口，更不利于提高必然涉及材料与施工的混凝土结构耐久性设计水平。因此，本书出版发行的意义不仅在于技术层面，对我国建设各方思维方法和观念转变也都会有重要的启发和促进。

    《混凝土早期温度裂缝的预防（中/英文对照）》一书中对中等体积混凝土硬化初期温度裂缝预防的概念及其影响因素的分析，对混凝土结构约束的评估、应力的计算分析和开裂倾向的预测，以及对热应力的预测和预防混凝土早期热裂缝的措施与工程实例，应当说都具有一定意义。

    特别值得注意的是应力计算涉及的“徐变”问题的分析。“由于缺少早期应力松驰数据，大多数关于温度应力分析的理论研究采用徐变特性建立数学模型。”书中介绍了已建立的多种方法用于建立早期粘弹性响应的模型，推荐了十多篇参考文献的模型实例，并对其中的一些进行了探讨。因受拉的徐变更加难以测定，一般假定受拉徐变值和受压徐变值相同，但是影响徐变的因素很复杂，至今对徐变机理仍然并不清楚，早期徐变还涉及水化的影响，很难准确测定。因此，本书作者认为：
“基于受约束的热膨胀和温度应力的本质，直接采用从松驰实验中获得的松驰函数应该更好。”有人对松驰进行了实验研究，从报道的结果可以看到，与压应力松驰相比，拉应力松驰较小且在较短的时间内结束。这表明，以后针对应力松驰进行更深入的研究较重要。

１　测定混凝土水化热的方法

　１．１　引言

　１．２　定义

　１．３　现有方法综述

　１．４　根据绝热和半绝热量热法预测绝热温升

　１．５　ＲＩＬＥＭ多实验室独立平行对比（ＲｏｕｎｄＲｏｂｉｎ）合作实验项目 

　１．６　建议草案

　１．７　绝热和半绝热量热法的应用

　附录Ａ　多实验室独立进行平行对比（ＲｏｕｎｄＲｏｂｉｎ）实验项目

　参考文献 

２　在实验室测定混凝土热应力和开裂敏感性的实验方法

　２．１　概述

　２．２　直接测试约束应力和开裂倾向的实验方法

　参考文献

３　混凝土组成、配合比与温度对开裂敏感性的影响

　３．１　引言

　３．２　迄今为止的技术措施

　３．３　混凝土早期的约束应力和裂缝

　３．４　影响因素的定量化方法

　３．５　新拌混凝土温度的影响

　３．６　混凝土原材料的影响

　３．７　防裂措施的定量化和选择

　参考文献

４　预测混凝土硬化过程的温度发展

　４．１　引言

　４．２　温度预测模型

　４．３　温度预测模型———发展历程

　４．４　水泥基体系的水化

　４．５　温度发展的定量化数学模型

　４．６　混凝土的热性质

　４．７　确定混凝土结构硬化过程的温度分布

　４．８　结束语

　参考文献

５　混凝土早期力学行为的发展

　５．１　概述

　５．２　抗压强度

　５．３　抗拉强度

　５．４　早期混凝土的黏弹性行为

　５．５　断裂力学行为

　５．６　热膨胀和热收缩

　５．７　结论

　附录Ａ　温度对终强度影响与测试时温度的影响

　参考文献

６　外部约束的评估

　６．１　引言与范围

　６．２　符号

　６．３　约束应力产生的主要原因

　６．４　外部约束的类型

　６．５　约束作用

　６．６　通过配筋和预应力控制开裂

　参考文献

７　热应力计算的模型和方法

　７．１　概述

　７．２　开裂风险的粗略评估方法

　７．３　基于叠加原理的本构方程

　７．４　基于微分式的本构方程

　７．５　其他本构关系式或方法

　７．６　结构分析方法

　７．７　开裂风险

　７．８　应用实例 

　７．９　结束语 

　参考文献

８　现场热应力的量测

　８．１　引言

　８．２　日本开发的应力计

　８．３　法国开发的应力计

　８．４　内芯法量测应力

　８．５　采用应变计间接量测应力

　８．６　现场热应力量测实例

　参考文献

９　预防混凝土结构早期温度裂缝的实用措施

　９．１　引言

　９．２　水化引起体积变化导致的混凝土早期开裂———概述

　９．３　控制早期裂缝的基本原则和实用措施

　９．４　适用于大体积混凝土的专用防裂措施

　９．５　有关“中等体积混凝土”的专用防裂措施———适用于中等体积结构

　９．６　细薄长结构

　９．７　约束

　９．８　开裂判断准则———施工期间对指定的要求监测、控制和跟踪

　９．９　通过配筋防止裂缝

　９．１０　未来发展

　９．１１　符号

　参考文献

１０　国际材料与结构研究实验联合会技术指南

　１０．１　水泥水化热引起混凝土温升的绝热和半绝热热量测定方法

　１０．２　使用应力计现场测量混凝土热应力的方法

　１０．３　基于开裂实验架测试混凝土早期的开裂趋势

    自２０００年得到这本书后，我和覃维祖十几年来对这本书一直在关注和学习，每读一次都会有进一步的体会和认识。我们很希望把这本书中所述经验和研究成果介绍给国人，因囿于版权问题，只能多次在技术报告和培训授课中引用。感谢李克非教授联系ＲＩＬＥＭ，解决了版权问题。由赵筠主持，经过众多同仁的热情支持和无私帮助，中国铁道科学研究院谢永江带领各位年轻学者把这本书翻译成中文，终于可以和国人见面了。这本书的内容是ＲＩＬＥＭ
ＴＣ１１９ＴＣＥ技术委员会８年研究的成果。正像本书前言所述，其目的是“用现代观念和方法预测混凝土早期的应力和相关影响因素，替代以前的纯粹依靠现场经验的方法。”这无疑是混凝土工程科技的进步。尽管从该项研究开始时已过去了约２０年，而从内容可见当时研究思路清晰，考虑全面周到，工作细致入微，其中的基本观念和技术措施至今仍然先进而可操作。

    在美国混凝土学会（ＡＣＩ）编写的《混凝土手册》（ＭａｎｕａｌｏｆＣｏｎｃｒｅｔｅＰｒａｃｔｉｃｅ）中，２０７委员会（ＡＣＩＣｏｍｍｉｔｔｅｅ２０７）关于“大体积混凝土”报告说到：一个结构或其部分的混凝土，如果需要采取措施控制热行为来减轻开裂，就可以看作“大体积混凝土”。这是对“预防混凝土早期温度裂缝”的对象恰当的诠释：“大体积混凝土”只是一种本质的形容，而不是体量。由于水泥的变化、工程条件的影响、对混凝土强度要求的提高等多方面因素，现代混凝土浇注后的温升所引起的早期开裂并非只发生于大坝混凝土，亦非“小断面尺寸大于１ｍ
（后来又被改为０．８ｍ）”的混凝土。那些中等尺寸（例如小厚度为２０ｃｍ）构件的混凝土往往也需要控制因早期发热引起的开裂；尤其是散热条件差的地下连续墙、顶板、隧道衬砌与支护、基础等构件的混凝土，一般裂缝很难避免。本书所述研究和工程实例表明，水泥的水化热以及混凝土温度变化已经成为引起混凝土与钢筋混凝土早期开裂的主导原因。书中对水泥水化热、混凝土的温度应力和开裂倾向、混凝土硬化过程温度以及力学行为发展等的试验方法、计算分析和预测方法详尽的阐述，都可为我们观念的转变、结合我国国情的继续研究和在工程中采取的对策提供借鉴。例如，第６章和第９章中对外部约束的分析和计算、第９章中关于以控制承载裂缝为目的的配筋计算，以及第７章温度应力计算模型和计算方法……，这些内容无论对施工人员，还是对结构设计人员，都有参考价值。除了俄罗斯，西方国家高校没有建筑材料专业，书中各章作者都是“土木工程”出身从事结构工程研究、设计和建设的学者。而我国，结构工程师大都不懂得混凝土材料，对混凝土结构耐久性的设计没有经验，离开规范就不知所措；只会进行安全性的计算，不会进行耐久性设计；混凝土材料工程师力学、数学功底又欠缺，难以进行量化的预测；建设管理中又将设计、施工、材料分设部门归口，更不利于提高必然涉及材料与施工的混凝土结构耐久性设计水平。因此，本书出版发行的意义不仅在于技术层面，对我国建设各方思维方法和观念转变也都会有重要的启发和促进。

    本书中对中等体积混凝土硬化初期温度裂缝预防的概念及其影响因素的分析，对混凝土结构约束的评估、应力的计算分析和开裂倾向的预测，以及对热应力的预测和预防混凝土早期热裂缝的措施与工程实例，应当说都具有重要意义。

    特别值得注意的是应力计算涉及的“徐变”问题的分析。“由于缺少早期应力松驰数据，大多数关于温度应力分析的理论研究采用徐变特性建立数学模型。”书中介绍了已建立的多种方法用于建立早期粘弹性响应的模型，推荐了十多篇参考文献的模型实例，并对其中的一些进行了探讨。因受拉的徐变更加难以测定，一般假定受拉徐变值和受压徐变值相同，但是影响徐变的因素很复杂，至今对徐变机理仍然并不清楚，早期徐变还涉及水化的影响，很难准确测定。因此，本书作者认为：
“基于受约束的热膨胀和温度应力的本质，直接采用从松驰实验中获得的松驰函数应该更好。”有人对松驰进行了实验研究，从报道的结果可以看到，与压应力松驰相比，拉应力松驰较小且在较短的时间内结束。这表明，以后针对应力松驰进行更深入的研究非常重要。

    有人对我说了一句感言：”读书要读老的”，我亦有同感。“老书”数量很少，能经得起反复读而流传的老书，都是经过深思熟虑编写的，是亲力亲为的经验提升，逻辑缜密，内容扎实，行文严谨。好书常读，反复读，就会不断发现其精华，启发思考。有一些“老书”经过修订后，反而会有所减色，往往不是原作者造成的，而是后人增加了未经考验的某些“新内容”。这也说明原著“老书”的珍贵。但是世界上不存在完美无缺，尤其是年代久远之后，材料和客观条件变化，或者限于时代局限性和地域环境的适用性，任何好书也会有因时代变迁而不再适用的内容，也有和读者的知识、观念、经验相异之处而需要分析判断的问题，因此读书重要的是思考，深层次地思考。任何实验都是使用标准试件和标准方法，在标准条件下进行的，必要时还会有些科学假设。当条件（包括材料特性）发生变化时，就会有不同的实验结果。因此对任何书中的论断都应分析其来源———理论上的逻辑和实施的条件与方法。此外，因为本书是跨国、跨界不同人分章撰写的，难免缺乏严密的系统性，有些内容有重复、交叉之处。这些问题瑕不掩瑜，并无损于这本书带给我们的启示和重要参考价值。现举数例与读者讨论：

    ①本书４．４．５所述“养护温度较高，一般强度较低”。这个规律是当时用纯硅酸盐水泥实验的结果，而掺入矿物掺和料以后则恰好相反。工程实体构件中的混凝土尤其在夏季内部温度都会较高，当使用纯硅酸盐水泥时，初期（七天前）强度比同期标养强度高，七天以后，开始相反；初期强度越高，后期比同期标养强度低得越多。掺入粉煤灰或其他活性矿物掺和料的混凝土强度则始终高于同期标养强度，水胶比越低，高得越多。标准养护试件因尺寸较小，内部温度同于养护温度，故与此规律一致。

    ②书中有几处提到“用完全水化的混凝土试样”进行标定，但是并没有说明制备的方法，标定什么？怎样标定？水泥完全水化只能用高水灰比（例如１∶１）的稀浆，不停地搅拌或振荡２～３天。但是因为多余水太多，硬化的试件完全不同于标准成型的试件。如果不这样做，正常成型的混凝土试件是不可能完全水化的。

    ③本书多处“混凝土水化热”的提法是不确切的。水泥的水化热指的是“单位质量的水泥水化释放的热量”，度量单位是Ｊ／ｇ，或ｋＪ／ｋｇ。水化热的大小是水泥的本征特性，与水泥用量无关。混凝土的“发热”为所用水泥水化放热导致的温升，度量单位是摄氏度（℃）或华氏度（），或本书所用热力学温度开尔文（即温度Ｋ），与所用水泥用量有关。因此“混凝土水化热”应当改为“混凝土水化放热”。

    ④Ｆ．Ｓ．Ｒｏｓｔáｓｙ，Ｔ．Ｔａｎａｂｅ和Ｍ．Ｌａｕｂｅ撰写的第６．６节通过配筋和预应力控制开裂，以及Ｓ．Ｂｅｒｎａｎｄｅｒ撰写的第９．９节通过配筋防止裂缝，其中所述配筋主要是从结构设计角度考虑的，目的是限制钢筋的混凝土保护层因荷载作用而产生裂缝的宽度。这与非荷载产生的裂缝不同。第９．９．１段中所述“（对于贯通裂缝）附加钢筋可限制结构开裂的倾向，就像限制表面裂缝一样”，这里所述附加钢筋如果指的是构造配筋，例如墙体的水平筋，应当设在主筋外面，而且应当细而密才有效。因为“保护层是保护钢筋免于锈蚀的，保护层厚度应当从外层钢筋表面算起（ＧＢ／Ｔ５０４７６
《混凝土结构耐久性设计规范》条文说明），而目前某些管理人员规定保护层厚度从主筋中心算起，有的结构设计为了“减小保护层厚度”，将构造筋设在主筋里面，这是错误的；还有的施工单位（或许有设计单位的支持）为了“防止表面裂缝”而在保护层附设一层钢丝网，在ＧＢ／Ｔ５０４７６《混凝土结构耐久性设计规范》中规定不应采取这样的措施。本书第９．９．２段在后也说“没有表面钢筋的混凝土结构，耐久性明显变好。”希望我国设计和施工人员对此加以注意。

    ⑤本书原作者发现“近十几年来，基础、桥梁、隧道衬砌以及其他中等尺寸的构件里，结构混凝土开裂的现象增多，同时……干燥收缩通常在这里并不重要了。水化热以及温度变化已经成为引起素混凝土与钢筋混凝土约束应力和开裂的主导原因”，其中后者无疑是正确的。因为早期裂缝的预防之所以重要在于早期裂缝是后期裂缝的开裂源，而早期的温度裂缝占据大比例。但是我们往往注意到早期“不裂”的后期不一定不裂。这是因为早期“不裂”只是不出现可见裂缝，而那些不可见裂缝仍然是后期干缩裂缝的潜在开裂源。在欧洲温和而潮湿的环境下着重控制早期温度裂缝，是有可能“干燥收缩通常在这里并不重要了”。但是在幅员辽阔的中国，有的地区如新疆、甘肃等西北部，干缩可能成为在约束条件下开裂的主要原因。这就是地域和环境条件的差异。

    关于翻译，我们意图尽量做到准确，但功夫不够，未免有所忽视，希望读者同我们一起挖掘问题。现举例说明之。第五章引用Ｂａｚａｎｔ
［２０］提出的“正在水化的混凝土———
一种正在凝固的多孔材料徐变并联模型”，用以说明为什么在正在水化中的混凝土加载所得徐变值会比在水化终止后加载的徐变值较低。其中并联的原文是ｐａｒａｌｌｅｌｃｏｕｐｌｉｎｇ，原译者译成“并联耦合”。借此解释一下修改的理由：现在不少人在研究多个因素对混凝土物理力学性质影响时，喜欢用“耦合”这个词，诸如“碳化－冻融耦合作用”之类。“耦合”是从英文的“ｃｏｕｐｌｉｎｇ”译过来的。实际上该词就是连接的意思。维基词典（Ｗｉｋｔｉｏｎａｒｙ）的解释：在机械上是Ａｓｙｓｔｅｍｏｆｆｏｒｃｅｓｗｉｔｈａｒｅｓｕｌｔａｎｔｍｏｍｅｎｔｂｕｔｎｏｒｅｓｕｌｔａｎｔｆｏｒｃｅ
（只合成力矩而不合成力的一种体系）；指的是连接器，例如轴承、火车车厢之间的挂钩；在电学上是Ｔｈｅｔｒａｎｓｆｅｒｏｆａｓｉｇｎａｌｆｒｏｍｏｎｅｍｅｄｉｕｍｏｒｃｉｒｃｕｉｔｂｌｏｃｋｔｏａｎｏｔｈｅｒ
（信号从一个介质或电路到另一个介质或电路的传输），指的是两个或两个以上的电路元件或电网络的输入与输出之间通过相互影响、相互作用从一侧向另一侧传输能量的现象，用于电气、通信、软件等工程中时，我国译成耦合。在混凝土工程中多种因素对耐久性的影响，可能是相互促进，也可能是一定程度上的相互抵消，并且一般不会同时发生。应当是交互（交叉而相互影响）作用，而不是“耦合”。例如冻融循环破坏的条件是饱水，碳化的条件则是相对湿度为５０％左右，既非“耦合”，亦非ｃｏｕｐｌｉｎｇ。另一例为在现场监测温度应力的应力计的描述中原文中的“ｌｏａｄｃｅｌｌ”，原按照词典翻译选择了“应力传感器”。从字面和说明来看，实际上“ｌｏａｄｃｅｌｌ”是保护应力传感器的一个小盒。反复推敲后，改成“测力盒”，可以避免中国如果有人中译英时会译成ｓｅｎｓｏｒ而回不到原来的意思。

    以上只是我历经两个多月时间对本书５０％的篇幅“咬文嚼字”了一番从发现的问题中略举数例。赵福篧用了约２个月时间做了检查，又发现一些问题和错误。有的是原文就有误，例如数学模型中，函数的等号前后量纲不一致等。其中主要的概念错误是翻译的误解，例如第１７０页（第５章）把有限元分析中的弥散裂缝（ｓｍｅａｒｅｄｃｒａｃｋ）翻译成模糊开裂，第２０４页（第６章）把张量分析中的０阶（ｏｒｄｅｒ）和１阶（ｏｒｄｅｒ）弯矩翻译成０ｔｈ和１ｓｔ序列弯矩。

    以上所有误译之处均已在出版时改正，在此提出绝无任何嗔怪之意，只是意在说明读书重在独立思考，翻译、校对、审查，都是学习的过程。虽然多次检查，肯定还有挂一漏万的问题。一己之见，供读者参考，不当之处，万望指正。

    早期裂缝的控制是提高混凝土结构耐久性把门的环节，本书为混凝土结构设计、混凝土制备与施工的全体人员提供了重要的启示和参考。我国工程结构耐久性设计与施工任重而道远，但时不我待，混凝土结构耐久性是我们基础设施建设重要的绿色行动。与大家共勉！

 

 

    清华大学土木水利学院 廉慧珍

    ２０１８年９月９日