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1、第一节 大体积混凝土,第九章 特种混凝土工程技术,主要内容,一.大体积混凝土的定义二.大体积混凝土的特点三.大体积混凝土的裂缝四.控制裂缝开展的基本方法五.大体积混凝土裂缝控制工程措施六.工程实例,一.大体积混凝土的定义,美国混凝土协会（ACI）规定：“任何就地浇筑的大体积混凝土，其尺寸之大，必须要求采取措施解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大的限度减少开裂。”,日本建筑协会标准（JASS5）中规定：“结构断面最小尺寸在80cm以上，同时水化热引起混凝土内的最高温度与外界气温之差，预计超过25的混凝土，称之为大体积混凝土。”,我国建设部在行业标准普通混凝土配合比设计规程（JGJ55-20
2、00）中给予大体积混凝土定义：混凝土结构物实体最小尺寸等于或大于1m，或预计会因水泥 水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝土。目前，较新的观点指出：所谓大体积混凝土，是指其结构尺寸已经大到必须采用相应技术措施、妥善处理内外温度差值、合理解决温度应力、并按裂缝开展控制的混凝土。水利工程的混凝土大坝、高层建筑的深基础底板、反应堆体、其他重力底座结构物等，这些都是大体积混凝土。,二.大体积混凝土的特点,大体积混凝土的最主要特点是以大区段为单位进行浇筑施工，每个施工区段的体积比较厚大。外荷载引起裂缝的可能性很小，但水泥的水化反应过程中释放的水化热所产生的温度变化与砼收缩的共同作用，会产生较大温
3、度应力和收缩应力，是大体积砼结构出现裂缝的主要因素。,三、大体积混凝土的裂缝 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。一方面是混凝土由于内外温差产生应力和应变；另一方面是结构物的外约束和混凝土各质点的约束阻止了这种应变，一旦温度应力超过混凝土能承受的极限抗拉强度，就会产生不同程度的裂缝。总结大体积混凝土产生裂缝的工程实例，产生裂缝的主要原因如下：,1.水泥水化热的影响 水泥在水化过程中产生大量的热量，这是大体积混凝土内部温升的主要热量来源，试验证明每克普通水泥放出的热量可达500J。由于大体积混凝土截面的厚度大，水化热聚集在结构内部不易散发，会引起混凝土内部急骤升温。水泥水
4、化热引起的绝热温升，与混凝土厚度、单位体积水泥用量和水泥品种有关，混凝土厚度愈大，水泥用量愈多，水泥早期强度愈高，混凝土内部的温升愈快。,大体积混凝土测温试验研究表明：水泥水化热在13d放出的热量最多，大约占总热量的50左右；混凝土浇筑后的35d内，混凝土内部的温度最高。,某大型工程厚大底板水化热温升的测温曲线 1,底板厚度：1.0m;入模温度：13;最高温度：42.5;最高温升：29.5,某大型工程厚大底板水化热温升的测温曲线 2,底板厚度：3.5m;入模温度：13 最高温度：60.7;最高温升：46.3,某大型工程厚大底板水化热温升的测温曲线 3,底板厚度：4.5m;入模温度：13 最高温
5、度：63.9;最高温升：50.9,某大型工程厚大底板水化热温升的测温曲线 4,底板厚度：7.35m;入模温度：13;最高温度：66.4;最高温升：53.4,大体积混凝土温度变化与结构尺寸及胶凝材料的相关性,(1)在一般养护条件下，混凝土温升会随着结构尺寸的增大而升高，但当结构尺寸达到一定的厚度后，最高温度上升的趋势会减缓，其极限就是混凝土的绝热温升；(2)大体积混凝土表面温度的变化受到表面覆盖的影响，与内部混凝土温度变化规律有很大差异，应重视大体积混凝土的覆盖保温养护；(3)结构尺寸变大后，温度 时间曲线具有升温缓慢、温峰明显推迟且降温缓慢，需要持续很长时间才会接近环境温度.,(4)混凝土水化
6、热与胶凝材料的关系,由于在配合比中减少了水泥、膨胀剂等产生水化热大的材料用量，加大了优质粉煤灰及磨细矿粉的用量，有效的降低了水化热温升，对控制大体积混凝土的最高温度及裂缝有着明显的效果。,2内外约束条件的影响 各种结构的变形变化中，必然受到一定的约束阻碍其自由变形，阻碍变形因素称为约束条件，约束又分为内约束与外约束。结构产生变形变化时，不同结构之间产生的约束称为外约束，结构内部各质点之间产生的约束称为内约束。建筑工程中的大体积混凝土，相对水利工程来说体积并不算很大，它承受的温差和收缩主要是均匀温差和均匀收缩，故外约束应力占主要地位。,大体积混凝土与地基浇筑在一起，当温度变化时受到下部地基的限制
7、，因而产生外部的约束应力。混凝土在早期温度上升时，产生的膨胀变形受到约束面的约束而产生压应力，此时混凝土的弹性模量很小，徐变和应力松弛大，混凝土与基层连接不太牢固，因而压应力较小。但当温度下降时，则产生较大的拉应力，若超过混凝土的抗拉强度，混凝土将会出现垂直裂缝。,在全约束条件下，混凝土结构的变形应是温差和混凝土线膨胀系数的乘积，即T，当超过混凝土的极限拉伸值p时，结构便出现裂缝。由于结构不可能受到全约束，况且混凝土还有徐变变形，所以温差在2530情况下也可能不产生裂缝。由此可见，降低混凝土的内外温差和改善约束条件，是防止大体积混凝土产生裂缝的重要措施。,3.外界气温变化的影响 大体积棍凝土结
8、构在施工期间，外界气温的变化对防止大体积混凝土开裂有重大影响。混凝土的内部温度是由浇筑温度、水泥水化热的绝热温升和结构的散热温度等各种温度的叠加之和。浇筑温度与外界气温有着直接关系，外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也愈高；如外界温度下降，会增加混凝土的温度梯度，特别是气温骤降，会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度，因而会造成过大温差和温度应力，使大体积混凝土出现裂缝。,大体积混凝土不易散热，其内部温度有的工程竟高达90以上，而且持续时间较长。温度应力是由温差引起的变形所造成的，温差愈大，温度应力也愈大。因此，研究合理的温度控制措施，控制混凝土表面温度与外界气温的温差，是防止裂缝产生的重要措
9、施。,4混凝土收缩变形影响(1)混凝土塑性收缩变形 在混凝土硬化之前，混凝土处于塑性状态，如果上部混凝土的均匀沉降受到限制，如遇到钢筋或大的混凝土上骨料，或者平面面积较大的混凝土、其水平方向的减缩比垂直方向更难时，就容易形成一些不规则的混凝土塑性收缩性裂缝。这种裂缝通常是互相平行的，间距为0.21.0m，并且有一定的深度，它不仅可以发生在大体积混凝土中，而且可以发生在平面尺寸较大、厚度较薄的结构构件中。,(2)混凝土的体积变形 混凝土在水泥水化过程中要产生一定的体积变形，但多数是收缩变形，少数为膨胀变形。掺入混凝土中的拌合水，约有20的水分是水泥水化所必需的，其余80都要被蒸发，最初失去的自由
10、水几乎不引起混凝土的收缩变形，随着混凝土的继续干燥而使吸附水逸出，就会出现干燥收缩。,混凝土干燥收缩的机理比较复杂，其主要原因是混凝土内部孔隙水蒸发引起的毛细管引力所致，这种干燥收缩在很大程度上是可逆的，即混凝土产生干燥收缩后，如再处于水饱和状态，混凝土还可以膨胀恢复到原有的体积。除上述干缩收缩外，混凝土还会产生碳化收缩，即空气中的二氧化碳(CO2)与混凝土中的氢氧化钙Ca(OH)2反应生成碳酸钙和水，这些结合水会因蒸发而使混凝土产生收缩。,四、大体积混凝土裂缝控制工程措施,为控制裂缝的开展，应该从改善设计构造、约束程度、控制温升，延缓降温速率、减小混凝土收缩，提高混凝土极限拉伸等方面采取措施
11、，综合控制。,1、设计构造措施（1）合理布置分布钢筋，可减轻混凝土收缩程度，限制裂缝开展。,（2）基础底板、地梁、底板变高处等部位设置缓冲层，缓和地基对基础收缩时的侧向压力，缓冲层35cm厚泡沫塑料作垂直隔离，见图4-8。（3）在基础底板断面变化或有孔洞处，易受温度变化收缩产生裂缝，可增配抗裂钢筋或做成加腋方式，见图4-9。（4）采用混凝土R60或R90替代R28作设计强度，水泥可少4070kgm3，相当于降温47效果。,基础底板变高处(b)基础地梁两侧隔离图4-8,图4-9增加抗裂钢筋示意图,2 原材料措施,（1）为控制大体积混凝土早期温升和后期降温过大，宜 选用低热水泥品种，如矿碴硅酸盐水
12、泥或粉煤灰水 泥，其水化热低一些，干缩性也小一些。（2）尽量选用一些粗骨料，如选用540mm骨料比选用525mm骨料，每立方米可减少用水量15kg左右，在相同水灰比情况下，水泥可减少20kg左右。用水量减少，收缩和泌水也随之减小。（3）砂子宜采用中粗砂为宜，试验表明，当细度模数为2.79的中粗砂，比采用细度模数2.12的细砂每立方 米混凝土用水量减少2025kg，水泥用量减少28 35kg，可减少混凝土收缩温升。,3.掺加剂措施,(1）减水剂。为减少泌水，一般都掺减水剂，或早强减水剂，如普通减水剂木质素磺酸钙(木钙粉)。在泵送混凝土中掺水泥重量0.20.3%，可使混凝土和易性明显降低，同时可减
13、少10%拌合水。10%左右的水泥，28d强度提高约30%。一般掺外加剂会增加混凝土收缩量，掺木钙粉变化不大，基本相同。常用的如FDN减水剂。,(3)微膨胀剂 为补偿混凝土收缩，可掺膨胀剂，如建材总局研究院的CSA膨胀剂、长科院的大坝水泥膨胀剂。膨胀剂产生自膨胀应力，可抵消一定收缩，如UEA高效能膨胀剂，掺812%(水泥重)能产生0.20.7MPa预压应力，大致抵消干缩产生的应力。,(2)粉煤灰外掺料粉煤灰掺入可降低水化热，但早期强度低泌水性大，还应适当掺塑化剂。如425#矿渣水泥、掺15%粉煤灰，3天水化热约降15%左右。,4.控制混凝土入模温度 常用低温水搅拌(冰屑水、夏季地下井水)以降低混
14、凝土的入模温度，并对石子遮阳，避免直晒温升，同时浇筑过程中对混凝土泵水平输送管用草袋覆盖、洒水降温。日本有用液态氮(沸点-196)冷却，1kg液氮气化达到20，要吸收222KJ热量。,5.改善混凝土施工工艺(1)可分层浇灌，分层厚度一般为80100cm，便于散热，分层间隔一般为57天，要做好分层施工缝处理。(2)初凝前二次振捣 大量现场试验证明，对浇筑后的混凝土进行二次振捣，能排除混凝土因泌水在粗骨料、水平钢筋下部生成的水分和空隙，提高混凝土与钢筋的握裹办，防止因混凝土沉落而出现的裂缝，减小混凝土内部微裂，增加混凝土的密实度，使混凝土的抗压强度提高1020，从而可提高温凝土的抗裂性。,(3)采
15、用二次投料的净浆裹石搅拌新工艺 这样可有效地防止水分向石子与水泥砂浆界面的集中，使硬化后的界面过渡层的结构致密，粘结强度增强，从而可使混凝土强度提高10左右，相应地也提高了混凝土的抗拉强度和极限抗拉值。当混凝土强度基本相同时，采用这种搅拌工艺可减少水泥用量7左右，相应地也减少了水化热。,(4)加强养护，延缓混凝土降温速率 保湿、保温养护的目的有三个：第一减小混凝土的内外温差，防止出现表面裂缝；第二是防止混凝土过冷，避免产生贯穿裂缝；第三是延缓混凝土的冷却速度，以减小新老混凝土的上下层约束。总之，在混凝土浇筑之后，尽量以适当的材料加以覆盖，采取保湿和保温措施，不仅可以减少升温阶段的内外温差，防止
16、产生表面裂缝，而且可以使水泥顺利水化，提高混凝土的极限拉伸值，防止产生过大的温度应力和温度裂缝。,6.混凝土内部降温措施 在混凝土内部预埋水管，通入冷却循环水，以降低混凝土内部的温度。冷却水管大多采用直径25mm或50mm的钢管，按照中心距1.53.0m上下层交错排列，上、下层水管的间距一般1.53m，并通过立管相连接。通水流速不宜太快、流量控制在20Lmin左右，参照实际测温结果实时调整流量，以控制内部降温。,7.后浇带的设计与施工 当结构长度超过允许的最大整浇长度或平面形状差异较大时，可考虑设置“后浇缝”，它是只在施工期间保留的临时性混凝土收缩变形缝(也可与施工结构沉降缝结合在一起)，保留
17、一定时间后，再进行填充封闭，后浇成连续整体的无伸缩缝结构。其目的是取消结构中的永久性伸缩缝，因此在设计时就要根据混凝土的收缩应力确定是否设置。,“后浇带”的间距，在正常情况下为2030m；保留时间一般不宜少于40d，其宽度可取70100cm，其混凝土强度等级比原结构提高510MPa，湿养护不少于15d。“后浇带”的构造，如图3-10所示。,除后浇带外，日本清水建筑公司曾研制成功在大体积混凝土表面设置应力缓和沟的办法，并已成功在工程中应用。这种方法是混凝土建筑物表面每隔一定距离，按其厚度的20%左右，设置一应力缓和沟(有放射状、圆周状、格子状、组合状等)，见图4-11。此应力缓和沟可将混凝土表面
18、的拉应力抵消2050%。该法不需特殊设备，只需在混凝土浇灌前安装应力缓和沟的模板即可。,图4-11应力缓和沟设置方法,8.大体积混凝土施工期温度监测 大体积混凝土水化热温升和随后的降温过程受多方面因素的影响，仅从理论上估算是不够的，必须加强实施过程中的温度监测，掌握实际温度场的变化和分布，一旦温差过大时可以及时采取应急措施，确保大体积混凝土施工质量，避免出现温度裂缝。测定混凝土内部温度工程上主要是采用接触式温度计，如热电偶温度计，电阻温度计和玻璃温度计等，其中又以采用热电偶温度计为多。,温度监测点的布置力求代表性地反映混凝土内部温度场和应力的变化情况，以便发现问题及时采取施救措施。同时要考虑大
19、体积混凝土的施工方案，一般是沿混凝土浇筑方向的轴线埋设多组测温点，以反映浇筑全过程的情况，每组埋设上、中、下三个测点，测出该位置混凝土上表面、中心、下表面的温度变化情况及各时段的温差。,五.工程实例,三峡大坝混凝土工程,三峡工程是一座混凝土重力坝，三峡工程主体工程是土石方开挖、混凝土浇筑世界最大的水利枢纽工程。,倘把三峡工程土石方量筑一道宽高各1米的长堤，可以环绕地球赤道25圈；三峡工程主体建筑物混凝土浇筑量2794万立方米，是世界已经建成的最大水电站巴西伊泰普电站混凝土浇筑量的2倍。,上面提到了三峡工程土石方量用宽高各1米的长堤描述，可以绕地球赤道2.5圈，那么，2794万立方米能否也可以建
20、立同样的模型，让大家对它有个形象的认识呢？,二千七百九十四万立方米有多大？,.请大家先算一下，2794万立方米的宽高都是1米的长堤有多长？,.再算地球的赤道长？已知平均赤道半径是Re6378.14千米，求赤道周长？,23.141596378.1440075.0千米,.最后算这个的长堤与赤道长的比是多少?,结论:2800万立方米的混凝土相当于用宽高都是1米的长堤可绕地球赤道大半圈。,1.三峡工程主体工程的混凝土的浇筑创造了多项世界纪录。三峡工程2000年混凝土浇筑量为548.17万立方米，月浇筑量最高达55万立方米，创造了混凝土浇筑的世界记录，是世界上施工难度最大的水利工程。,坝体总长为2309
21、.5m、最大高度为175 m，坝体混凝土体积为1527万m3。三峡大坝混凝土体积巨大，坝体结构复杂，混凝土工程规模宏大。日浇灌量最大为15000m3，月最大混凝土浇灌量为50万m3；年最大浇灌量为400万m3。由于坝体施工环境夏季高温时间长、秋冬季常刮冷风。为保证混凝土的耐久性，原材料选择、配比、施工中防止混凝土开裂对工程甚为重要。,坝体混凝土特点:混凝土的抗压强度要求不高。要求具有良好的抗渗性与抗冻性。单位水泥用量少，绝热升温低。,*注意与建筑工程混凝土最小水泥用量的区别,一、配合比要求,二、主要材料的选择水泥的选择 三峡工程使用的水泥有525号普通硅酸盐水泥、425号矿渣水泥、525号中热
22、水泥、425号低热水泥。作为巨型大坝工程，后两种水泥用量最多，经葛洲坝工程使用，效果良好。粉煤灰混合材的选择 我国的粉煤灰产量丰富。1980年以来，长江科学院对三峡大坝周围电厂排放的粉煤灰进行了系统性的试验研究。分别对湖北省境内及运输距离为500公里以内的发电厂，如青山火力发电厂、荆门、沙市、黄石、松木坪等火力发电厂提供的粉煤灰进行了试验研究。,加入了I级粉煤灰的大体积混凝土，其特性有如下改善：水化热降低，由于混凝土中掺入了30%40%的大量高质量的粉煤灰后，水化热显著降低；单位混凝土用水量降低，使用高质量的粉煤灰能使需水量比例降到90%95%以下，由于单位用水量的降低，混凝土的收缩量降低；混
23、凝土密实度增加，改善了抗渗性能；当将I级粉煤灰掺入425低热水泥，混凝土泌水量减少；抑制碱骨料反应,外加剂的选择 为了确保混凝土的耐久性及降低水灰比，坝体混凝土中必须使用减水剂、缓凝剂或引气型的高效减水剂。通过对国产十余种外加剂进行筛选，未获得理想的效果。后来对能使每m3用水量降低到90kg有良好减水性能的ZB1进行了试验，使用三峡大坝选用的人工粗细骨料碎石、碎砂再次进行试验，由于单位需水量太大，难以满足要求，因而还需选择更高减水性能的高效减水剂。,骨料 三峡大坝的粗骨料，使用土石方开挖中采掘的新露出的花岗岩作粗骨料。石场选在坝体附近的古树岭，将岩石破碎、筛分，制成粗骨料。其生产能力为月产量7
24、6万吨。砂由下岸溪石场用花岗岩破碎、筛分制成机制砂，其月生产能力为37万吨。,三、混凝土裂缝的防止1、防止坝体裂缝产生的主要措施 三峡大坝于1997年11月8 日，主流临时工程成功截流后，开始了大规模的混凝土浇灌。第二期工程混凝土的总量为1500万m3。由于是特大体积混凝土浇灌，抑制坝体混凝土开裂是该项工程的重要课题。采用的主要措施有：,、严格选择水泥、粉煤灰、骨料及外加剂；、制定周密的温度控制制度，通过控制搅拌机内混凝土的温度、降低浇注混凝土温度等措施，降低混凝土的水化热；、保持混凝土块体中的最高温度比规定值低；、当坝体内部温度下降时，为防止表面开裂，采取对坝体表面进行保温等有效措施，防止表
25、面开裂。一般情况下，通过对原材料的最佳选择，特别是采用大量掺入级粉煤灰的措施，加上在整个工程中进行严密的各项监控及防止裂缝产生等具体办法，确保坝体混凝土不产生有害裂缝。,坝体不开裂是三峡大坝混凝土的重要性能，大坝混凝土不应该有外观可见的裂缝。因此，为确保大坝的安全与寿命，为防止裂缝产生，坝体从构造设计、混凝土设计、混凝土浇注、养护及表面保护等各个方面都采取措施，防止裂缝。,2、温度裂缝的控制与方法 坝体混凝土的温度裂缝一般可分为表面裂纹与贯穿性裂缝两种。如果混凝土的温度控制不当，可能使表面裂纹诱发变为贯穿性裂缝，导致对 坝体的危害。由于表面裂纹的产生常在7天至20天中发生，因此，在这段时间内必
26、须进行适当认真的养护。如果遇到急剧的降温与寒冷天气，还必须采取保温储热养护，防止裂纹产生。裂纹的控制采用严格的温度控制方法。,为满足温控要求，采取如下方法：、为获得从搅拌机卸出低温度的混凝土；采取预冷骨料及加冰办法，使夏季搅拌后的混凝土温度为7。在输送时隔热，使混凝土的浇灌温度保持在1214以下。、从混凝土浇灌后的14小时起至以后的14天内，采用循环水管的管道冷却法，降低水化放热温度。,3 加强混凝土养护为避免混凝土的干燥收缩，切实保证对浇注后的混凝土进行湿润养护，或防止减轻太阳照射下的混凝土表面的水分散失。坝体表面的保温蓄热养护在秋冬季施工时，由于温差变化大，常因温度应力引起混凝土的冷接缝扩展，产生表面裂纹。对此，最有效的防治方法是采取对表面的保温蓄热养护，减少热量的散失并能防止水分的散失。作为护面保温隔热材料采用了高压下制成的聚氯乙烯和聚氯乙烯空气缓冲膜的轻质隔热护面材料。,
