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1、第3章 大体积混凝土施工,3.1 大体积混凝土的温度裂缝 3.1.1 裂缝种类 3.1.2 裂缝产生的原因 3.2 大体积混凝土的温度应力 3.2.1 大体积混凝土温度应力特点 3.2.2 大体积混凝土温度应力计算 3.2.3 混凝土热工计算 3.2.4 混凝土拌和温度和浇筑温度计算 3.3 大体积混凝土温度裂缝的控制措施,3.3.1 混凝土材料,3.3.2 外部环境,3.3.3 约束条件,3.3.4 预应力技术,第2章 基 坑 工 程,3.4 大体积混凝土施工泌水的防治 3.5 大体积混凝土施工算例 3.6 习题,3.1 大体积混凝土的温度裂缝 3.1.1 裂缝种类,按产生原因一般可分为,(
2、1)荷载作用下的裂缝(约占10%)(2)变形作用下的裂缝(约占80%)(3)耦合作用下的裂缝(约占10%),按裂缝有害程度分,(1)有害裂缝、(2)无害裂缝,按裂缝出现时间分为,(1)早期裂缝(328天)、(2)中期裂缝(28180天)(3)晚期裂缝(180720天，最终20年)。,按深度一般可分为,(1)表面裂缝、(2)浅层裂缝、(3)深层裂缝(4)贯穿裂缝,图3.1 温度裂缝,3.1.2 裂缝产生的原因,大体积混凝土施工阶段产生的温度裂缝，是其内部矛盾发展的结果，一方面是混凝土内外温差产生应力和应变，另一方面是结构的外约束和混凝土各质点间的内约束阻止这种应变，一旦温度应力超过混凝土所能承受
3、的抗拉强度，就会产生裂缝。,1.水泥水化热,水泥的水化热是大体积混凝土内部热量的主要来源，由于大体积混凝土截面厚度大，水化热聚集在混凝土内部不易散失。,2.外界气温变化,3.约束条件结构在变形时会受到一定的抑制而阻碍其自由变形，该抑制即称“约束”，大体积混凝土由于温度变化产生变形，这种变形受到约束才产生应力。在全约束条件下，混凝土结构的变形：,式中：混凝土收缩时的相对变形；混凝土的温度变化量；混凝土的温度膨胀系数。,(3-1),4.混凝土收缩变形,3.2.1 大体积混凝土温度应力特点,3.2 大体积混凝土的温度应力,混凝土的温度取决于它本身环境有温差存在，而结构物四周又不可能做到完全绝热，因此
4、，在新浇筑的混凝土与其四周环境之间，就会发生热能的交换。模板、外界气候(包括温度、湿度和风速)和养护条件等因素，都会不断改变混凝土所贮备的热能，并促使混凝土的温度逐渐发生变动。因此，混凝土内部的最高温度，实际上是由浇筑温度、水泥水化热引起的绝对温升和混凝土浇筑后的散热温度三部分组成。,3.2.2 大体积混凝土温度应力计算,1.大体积混凝土温度计算,1)最大绝热温升(二式取其一),(3-2),式中：,混凝土最大绝热温升()；,混凝土中水泥(包括膨胀剂)用量(,F混凝土活性掺合料用量(,)；,)；,C混凝土比热，取0.97,；,混凝土密度，取2 400(,e为常数，取2.718；t混凝土的龄期(d
5、)；m系数，随浇筑温度改变，查表3-2。,)；,表3-1 不同品种、强度等级水泥的水化热,表3-2 系数m,2)混凝土中心计算温度,t龄期混凝土中心计算温度()；,混凝土浇筑温度()；,t龄期降温系数，查表3-3同时要,2)混凝土中心计算温度,(3-3),式中：,考虑混凝土的养护、模板、外加剂、,掺合料的影响。,表3-3 降温系数,3)混凝土表层(表面下50100mm处)温度,(1)保温材料厚度(或蓄水养护深度),保温材料厚度(m)；,所选保温材料导热系数,查表3-4。,(3-4),式中:,表3-4 几种保温材料导热系数,混凝土表面温度()；,施工期大气平均温度()；,混凝土导热系数，取2.3
6、3,；,计算的混凝土最高温度()；计算时可取,=1520，,=2025；,传热系数修正值，取1.32.0，查表3-5。,表3-5 传热系数修正值,注：,值一般刮风情况(风速小于4,)；,值刮大风情况。,(2)如采用蓄水养护，蓄水养护深度。,(3-5),式中：,养护水深度(m)；,x混凝土维持到指定温度的延续时间，即蓄水养护时间(h)；,M混凝土结构表面系数(,)，,F与大气接触的表面积(,V混凝土体积(,)；,)；,般取2025；,传热系数修正值；,700折算系数,；,水的导热系数，取0.58,。,(3)混凝土表面模板及保温层的传热系数。,(3-6),式中：,混凝土表面模板及保温层等的传热系数
7、,；,各保温层材料厚度(m)；,各保温层材料导热系数,；,空气层的传热系数，取23,。,(4)混凝土虚厚度。,(3-7),式中：,混凝土虚厚度(m)；,混凝土导热系数，取2.33,k折减系数，取2/3；,(5)混凝土计算厚度。,(3-8),式中：H混凝土计算厚度(m)；h混凝土实际厚度(m)。,(3-9),(6)混凝土表层温度。,式中：,混凝土表面温度()；,施工期大气平均温度()；,混凝土虚厚度(m)；,混凝土中心温度(),H混凝土计算厚度(m)；,4)混凝土内平均温度。,(3-10),2.大体积混凝土温度应力计算,1)地基约束系数(1)单纯地基阻力系数,(,)，查表3-6。,表3-6 单纯
8、地基阻力系数,(,),(2)桩的阻力系数。,(3-11),式中：,Q桩产生单位位移所需水平力(,当桩与结构铰接时,当桩与结构固接时,桩的阻力系数(N/mm3)；,)；,E桩混凝土的弹性模量(,I桩的惯性矩(,)；,)；,地基水平侧移刚度，取,D桩的直径或边长(mm)；F每根桩分担的地基面积(,)。,2)大体积混凝土瞬时弹性模量,(3-12),式中：,t龄期混凝土弹性模量(,)；,28d混凝土弹性模量(,),e常数，取2.718；t龄期(d)。,3)地基约束系数,(,3-13),式中：,t龄期地基约束系数(,)；,h混凝土实际厚度(mm)；,单纯地基阻力系数(,)；,桩的阻力系数(,)；,t龄期
9、混凝土弹性模量(,),4)混凝土干缩率和收缩当量温差混凝土干缩率,式中：t龄期混凝土干缩率；标准状态下混凝土极限收缩值，取 各修正系数，查表3-7。,(3-14),、,收缩当量温差,(3-15),式中：,t龄期混凝土收缩当量温差()；,混凝土线性膨胀系数，,(1/)。,5)结构计算温差(一般3d划分一区段),(3-16),式中：,i区段结构计算温度()；,i区段平均温度起始值()；,i区段平均温度终止值()；,i区段收缩当量温差终止值()；,i区段收缩当量温差起始值(),6)各区段拉应力,(3-17),式中：,i区段混凝土内拉应力(,)；,i区段平均弹性模量(,)；,i区段平均应力松弛系数，查
10、表3-8,表3-8 松弛系数S(t),i区段平均地基约束系数；,L混凝土最大尺寸(mm)；ch双曲余弦函数。到指定期混凝土内最大应力,(3-18),7)安全系数,3.大体积混凝土平均整浇长度(伸缩缝间距),式中：K大体积混凝土抗裂安全系数，应1.15；,到指定期混凝土抗拉度设计值(,)。,1)混凝土极限拉伸值,(3-19),式中：,混凝土极限拉伸值；,混凝土抗拉强度设计值(,)；,配筋率(%)，,d钢筋直径(mm)；,以e为底的对数；t指定期龄期(d)；,钢筋截面积(,)；,混凝土截面积(,)。,2)平均整浇长度(伸缩缝间距),(3-20),式中：,h混凝土厚度mm)；E(t)指定时刻的混凝土
11、弹性模量(N/mm2)；,地基阻力系数(,)，,；,反双曲余弦函数；,指定时刻的累计结构计算温差()。,平均整浇长度(伸缩缝间距)(mm)；,3.2.3 混凝土热工计算,1.混凝土热导率计算,混凝土热导率，是指在单位时间内热流通过单位面积和单位厚度混凝土介质时，混凝土介质两侧为单位温差时热量的传导率。它是反映混凝土传导热量难易程度的系数。混凝土的热导率以下式表示,(3-21),式中：,混凝土热导率(,)；,Q通过混凝土厚度为,的热量(J)；,混凝土厚度(m)；,温度差()；,t测试时间(h)。,A混凝土的面积(,)；,2.混凝土比热计算,单位重量的混凝土，其温度升高1所需的热量称为混凝土的比热
12、，可按式(3-23)计算,(3-23),、,、,、,、,式中：,分别为混凝土、水泥、砂、石子、,水的比热(,),3.混凝土热扩散系数计算,混凝土的热扩散系数(又称导温系数)是反映混凝土在单位时间内热量扩散的一项综合指标。热扩散系数愈大，愈有利于热量的扩散。混凝土的热扩散系数一般通过试验求得或按式(3-24)计算,(3-24),式中：,a混凝土的热扩散系数(,)；,混凝土的重度(,)，普通混凝土的重度一般,之间，钢筋混凝土的重度,之间。,在2 3002 450,在2 4502 500,3.2.4 混凝土拌和温度和浇筑温度计算,1.混凝土拌和温度计算,混凝土的拌和温度，是指组成混凝土的各种材料经搅
13、拌形成均匀的混凝土出料后的温度，又称为出机温度，可按式(3-25)表示,(3-25),式中：,混凝土的拌和温度()；,m混凝土组成材料的重量(kg)；,C混凝土组成材料的比热(,)；,混凝土组成材料温度()。,若考虑混凝土搅拌时设置搅拌棚相对混凝土出机温度的影响，则混凝土的出机温度为,一混凝土出机温度()；混凝土搅拌棚温度()。,(3-26),式中：,2.混凝土浇筑温度计算,混凝土的浇筑温度一般可按式(3-27)计算,(3-27),3.3 大体积混凝土温度裂缝的控制措施,3.3.1 混凝土材料,1.选择水泥品种,混凝土温升的热源是水泥水化热，故选用中低热的水泥品种，可减少水化热，使混凝土减少升
14、温。例如，优先选用等级为32.5、42.5的矿渣硅酸盐水泥，因其与同等级的矿渣水泥和普通硅酸盐水泥相比，3d的水化热可减少28%。,2.减少水泥用量,由于水泥水化热而导致的温度应力是地下室墙板产生裂缝的主要原因，且混凝土的强度、抗渗等级越高，结构产生裂缝的概率也越高。在地下室外墙施工中，除了在保证设计要求的条件下尽量降低混凝土的强度等级以减少水化热外，还应该充分利用混凝土的后期强度。实验数据表明，每立方米的混凝土水泥用量每增(减)l0kg，水泥水化热使混凝土的温度相对升(降)达1。,3.选择外加剂,1)减水剂,2)粉煤灰,3)膨胀剂,4)选择粗、细骨料,(1)含泥量,(2)骨料粒径。,(3)砂
15、率和细度模数。,3.3.2 外部环境,1.混凝土浇筑与振捣,对于地下室墙体结构的大体积混凝土浇筑，除了一般的施工工艺以外，应采取一些技术措施，以减少混凝土的收缩，提高极限拉伸，这对控制温度裂缝很有作用。改进混凝土的搅拌工艺对改善混凝土的配合比、减少水化热、提高极限拉伸有着重要的意义。,2.混凝土浇筑温度,适当地限制混凝土的浇筑温度，一般情况下，建议混凝土的最高浇筑温度应控制在40以下。,3.混凝土出机温度,为了降低大体积混凝土总温升和减小结构的内外温差，控制出机温度是很重要的。在混凝土的原材料中，石子的比热较小，但其在每立方米混凝土中所占的质量较大。水的比热最大，但它在混凝土中占的质量却最小。
16、,4.混凝土养护,地下室外墙浇筑以后，为了减少升温阶段的内外温差，防止因混凝土表面脱水而产生干缩裂缝，应对混凝土进行适当的潮湿养护；为了使水泥顺利进行水化，提高混凝土的极限拉伸和延缓混凝土的水化热降温速度，防止产生过大的温度应力和温度裂缝，应加强对混凝土进行保湿和保温养护。,5.防风和回填 外部气候也是影响混凝土裂缝发生和开展的因素之一，其中，风速对混凝土的水分蒸发有直接的影响，不可忽视，地下室外墙混凝土应尽量封闭门窗，减少对流。土是最佳的养护介质，地下室外墙混凝土施工完毕后，在条件允许的情况下应尽快回填。,3.3.3 约束条件,1.后浇带,后浇带的构造有平接式、T字式、企口式等三种，如图3.
17、2所示。后浇带的宽度应考虑施工方便，避免应力集中，宽度可取7001 000mm。当地上、地下都为现浇钢筋混凝土结构时。在设计中应标明后浇带的位置，并应贯通地上和地下整个结构，但钢筋不应截断。,(a)平接式,(b)T字式,(c)企口式,图3.2 后浇带构造,2.应力释放带,正常情况下后浇带的间距为2030m，但在许多实际工程中，由于设计、施工条件的制约，后浇带的间距往往超过这个范围。例如，在浇筑地下室外墙时，当地下室外墙很长或是环状全封闭结构时，其水平方向的约束应力相当大，若无处释放，就很容易产生竖向裂缝，因此在这类地下室外墙板上合理布置应力释放带，有目的地给予诱导释放,可以有效地减少或防止竖向
18、裂缝的发生。,3.构造设汁,地下室墙体结构设计时应注意构造配筋的重要性，它对结构抗裂性能的影响很大，但目前国内外对此都不够重视。对连续板不宜采用分离式配筋，应采用上下两层的连续配筋；对转角处的楼板宜配上下两层放射筋，其直径为814mm，间距约为200mm，同时应尽可能采用小直径、小间距。在孔洞周围、变截面转角处，由于温度变化和混凝土收缩会产生应力集中而导致裂缝，因此，可在孔洞四周增配斜向钢筋、钢筋网片；在变截面处做局部处理，使截面逐步过渡，同时增配抗裂钢筋，防止裂缝。,4.滑动层,由于边界条件在约束下才会产生温度应力，因此，在与外约束的接触面上设置滑动层可以大大减弱外约束。可在外约束两端各1/
19、41/5的范围内设置滑动层；对约束较强的接触面，可在接触面上直接设滑动层。滑动层的做法有铺设一层刷有两道热沥青的油毡，或铺设1020mm厚的沥青砂，或铺设50mm厚的砂或石屑层。,5.缓冲层,在高、低底板交接处和底板地梁等处，用3050mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料做垂直隔离层，如图3.3所示，以缓冲基础收缩时的侧向压力。,(a)高、低底板交接处(b)底板地梁处,图3.3 缓冲层示意图,6.跳仓施工,一般分仓间歇时间710天。上海万人体育场，周长1 100 m，直径300余米，采用分块跳仓浇筑，取消伸缩缝，只有施工缝，C25混凝土利用后期强度，优选配合比和外加剂，严格养护，最后只有轻微无害裂缝，经处
20、理使工程完全满足正常使用要求。与北京工人体育场相比较(24条永久伸缩缝)，避免了留设伸缩缝造成的渗漏缺陷。,3.3.4 预应力技术,由于高强度等级的混凝土和预拌混凝土的大量应用，使混凝土的裂缝控制变得越来越困难。混凝土的大流动性等特性与混凝土的抗裂性有着一定的矛盾。外加剂的应用虽然可以在保持一定优良工作性能的同时降低水化热，但往往是改善了一方面又影响了另一方面，也无法从根本上解决问题。基础的特点决定着它会受到较大的约束，尽管在施工过程中所采用的后浇带或应力释放带的确是一种有效的方法，但是也带来了施工的另一些困难。比如，后浇带本身的处理比较复杂，如果措施不当，就很可能会成为渗漏水的突破口；后浇带
21、或应力释放带的有效设置间距比较小(2030m)，在一些长墙施工中过多的设置会影响工期等等。,3.4 大体积混凝土施工泌水的防治,为此，在结构四周侧模的底部开设排水孔，使多余的水分从孔中自然排走；利用正式设计的集水坑或人为的“水潭”，将多余水分集中后用专门的软轴泵或隔膜泵抽水排出。,3.5 大体积混凝土施工算例,【例3.1】高层建筑大体积混凝土底板，平面尺寸为,，厚为,，,混凝土，混凝土浇筑量为,3 235,，施工时,平均气温为26，所用材料为42.5号普通水泥，,混凝土水泥,用量为,400,，,中砂、碎石、混凝土的配合比为水泥砂,石子=l1.6883.12，水灰比为0.45，,另掺1%的JMI
22、II。,经测试，水泥、砂、石子的比热,水的比热,各种材料的温度分别为,25,28，,15,施工方案确定采用保温法以防止水泥水化,热可能引起的温度裂缝。试选择保温材料及所需的厚度。,解 现场测定砂石的含水率分别为,5%，,1%,表3-12 混凝土拌合温度计算表,(2)混凝土的出罐温度。混凝土在现场用二阶式搅拌站搅拌，敞开棚式，则,(1)混凝土的拌合温度。根据已知条件可用表格法来求出混凝土的拌合温度，见表3-12。,则,=23.05,23.05,若采用商品混凝土，可参考封闭棚式计算结果。,(3)混凝土的浇筑温度。根据施工方案，混凝土浇筑每个循环过程中：装卸转运3次，运输时间3,，平仓、振捣至混凝土
23、浇筑完毕共60,则,用自卸开敞式汽车运输，查表3-9，,=23.9,(4)混凝土的绝热温升。混凝土在浇筑后35d时水化热温度最大，因此，3d的混凝土绝热温升，可用(3-2)式的第二式计算：,查表3-2得,；查表3-1得,=51.8,(5)混凝土内部最高温度。,浇筑层厚度为2.5m，龄期为3d时，查表3-3得,=57.57,(6)混凝土的表面温度。施工方案中采用18mm厚的多层夹板模板，选用20mm厚的草袋进行保温养护，大气温度,混凝土的虚铺厚度：,式中：查表3-4可得,成为空气的传热系数，取为,混凝土的计算厚度：,混凝土的表面温度：,=36.57,【例3.2】现浇钢筋混凝土基础底板，厚度为0.
24、8m，配置直径16带肋钢筋，配筋率0.35%，混凝土强度等级采用C30，地基为坚硬黏土，施工条件正常(材料符合质量标准、水灰比准确、机械振捣、混凝土养护良好)。试计算早期(15d)不出现贯穿性裂缝的允许间距。,计算结果表明：混凝土的中心最高温度与表面温度差为,=2125；混凝土表面温度与大气温度差为,=10.57。因此，采用在混凝土表面覆盖20mm,厚的草袋作为保温养护措施的方案是可行的。,解 考虑施工条件正常，由表3-7查得：,混凝土经过15d的收缩变形(由式3-14)为,收缩当量温差：,混凝土上、下面温升为15，由于时间短，养护较好，气温差忽略不计，混凝土的水化热温差经计算为25，则计算温
25、差为,混凝土的极限拉伸，由式(3-19)代入，为,15d混凝土的弹性模量,伸缩缝的最大允许间距由式(3-20)为,由计算知，板的最大允许伸缩缝间距为26m。当板的纵向长度小于26m时，可以避免裂缝出现。否则则需在中部设置伸缩缝或“后浇缝”。当板下有桩基础时，计算阻力系数Cx时，应考虑桩基对基础底板的约束阻力。,【例3.3】大型设备基础底板长90.8m、宽31.3m、厚2.5m，混凝土为C20，采用60d后期强度配合比，,用32.5矿渣水泥，水泥用量,mc=280kg/m3,混凝土浇筑入模温度,Tj=28，,为25，结构物周围用钢模板，在模板和混凝土上表面外包两层草袋保温，混凝土比热,施工时平均
26、气温,混凝土密度,试计算总降温产生的最大温度拉应力及安全系数。,解(1)计算绝热温升值，按式,为简单计只计算3d、7d、28d的值。,(2)混凝土中心温度计算，按式,计算如下,(3)混凝土表层温度。两层草袋保温按6cm计，则保温层传热系数,混凝土虚厚度,混凝土计算厚度,混凝土表层温度,(5)混凝土干缩率和当量温差，按式,则,(6)结构计算温差，按式,(7)计算各龄期的混凝土弹性模量，按式,(8)地基约束系数，按式,(9)各区段拉应力，按式,各区段平均弹性模量,各区段平均应力松弛系数,各区段平均地基约束系数,只计算拉应力,(10)混凝土内最大应力，按式,混凝土抗拉强度设计值取 1.1 N/mm2，则安全系数,满足抗裂条件，故知不会出现裂缝。,3.6 习 题,大体积混凝土基础底板，厚度为2.5m，在3d混凝土内部中心温度52，实测混凝土表面温度为25，大气温度为15，混凝土导热系数为,，试求表面所需保温材料的厚度。,2.大型设备基础底板长50m、宽10m、厚1m，混凝土为C20，采用60d后期强度配合比，用32.5矿渣水泥，水泥用量,mc=280kg/m3,混凝土浇筑入模温度Tj=28，施工时平均气温,为25，结构物周围用钢模板，在模板和混凝土上表面外包两层草袋保温，混凝土比热,混凝土密度,试计算总降温产生的最大温度拉应力及,安全系数。,
