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1、大体积混凝土技术,一、大体积混凝土的含义二、大体积混凝土的特点三、大体积混凝土裂缝分类与形成原因四、大体积混凝土温度应力的计算五、大体积混凝土最大浇筑长度确定六、大体积混凝土防止开裂的技术措施七、工程实例分析,一、大体积混凝土的定义 美国混凝土学会的定义：任何就地浇筑的大体积混凝土其尺寸之大，必须采取措施解决水化热及随着引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂。日本建筑学会的定义：结构断面尺寸最小在80cm以上，水化热引起混凝土内最高温度与外界气温之差，预计超过25的混凝土。,二、大体积混凝土的特点,1、水化热大，内部温度高，易产生裂缝；2、大体积混凝土不易一次成型；3、大体积混凝土要有温度应力
2、计算书，并要有温度监控措施；4、要编制专项施工方案，并且要经过专家论证。,三、大体积混凝土裂缝分类与形成原因裂缝分类：（1）表面裂缝（2）收缩裂缝 大体积混凝土内出现的裂缝，按其深度一般分为表面裂缝、深层裂缝、贯穿裂缝按其裂缝宽度分：微观裂缝、宏观裂缝“微观裂缝”亦称“肉眼不可见裂缝”，宽度一般在0.05mm以下，主要有三种：即沿着骨料周围出现的骨料与水泥石粘结面上的粘着裂缝；分布于骨料之间水泥浆中水泥石裂缝和存在于骨料本身的骨料裂缝。此三种微观裂缝，前两种较多，后者较少。且微观裂缝在混凝土中的分布是不规则、不贯穿的，因此有微观裂缝的混凝土可以承受拉应力。宏观裂缝：宽度不小于0.05mm的裂缝
3、是肉眼可见裂缝，称“宏观裂缝”。宏观裂缝是微观裂缝扩展的结果。,宏观裂缝，按其深度一般可分为表面裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝三种。贯穿性裂缝切断了结构断面，破坏结构整体性、稳定性和耐久性等，危害严重。深层裂缝部分切断了结构断面，也有一定危害性。表面裂缝虽然不属于结构性裂缝，但在混凝土收缩时，由于表面裂缝处断面削弱且易产生应力集中，能促使裂缝进一步开展。国内外有关规范对裂缝宽度都有相应的规定，一般都是根据结构工作条件和钢筋种类而定。我国的混凝土结构设计规范(GBJ1089)，对钢筋混凝土结构的最大允许裂缝宽度亦有明确规定：室内正常环境下的一般构件为0.3mm；露天或室内高湿度环境为0.2mm。一般来
4、说，由于温度收缩应力引起的初始裂缝，不影响结构的瞬时承载能力，而对耐久性和防水性产生影响。对不影响结构承载能力的裂缝，为防止钢筋锈蚀、混凝土碳化、酥松剥落等，应对裂缝加以封闭或补强处理。对于基础、地下或半地下结构，裂缝主要影响其防水性能。当裂缝宽度只有0.10.2mm时，虽然早期有轻微渗水，经过一段时间后一般裂缝可以自愈。裂缝宽度如超过0.20.3mm，其渗水量与裂缝宽度的三次方成正比，渗水量随着裂缝宽度的增大而增加甚快，为此，对于这种裂缝必须进行化学灌浆处理。,大体积混凝土裂缝产生的原因：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。温度应力超过混凝土能承受的抗拉强度，就会产生
5、裂缝。主要原因如下：1水泥水化热 水泥在水化过程中要产生一定的热量，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，水化热聚集在结构内部不易散失，所以会引起急骤升温。水泥水化热起的绝热温升，与混凝土单位体积内的水泥用量和水泥品种有关，并随混凝土的龄期按指数关系增长，一般在10d左右达到最终绝热温升，但由于结构自然散热，实际上混凝土内部的最高温度，大多发生在混凝土浇筑后的35d。混凝土的导热性能较差，浇筑初期，混凝土的弹性模量和强度都很低，对水化热急剧温升引起的变形约束不大，温度应力也就较小。随着混凝土龄期的增长，弹性模量和强度相应提高，对混凝土降温收缩变形的约束愈来愈强，即产生很
6、大的温度应力，当混凝土的抗拉强度不足以抵抗该温度应力时，便开始产生温度裂缝。,2约束条件 在约束条件下，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。无约束就不会产生应力，因此，改善约束对于防止混凝土开裂有重要意义。3外界气温变化 大体积混凝土施工期间，外界气温的变化对大体积混凝土开裂有重大影响。混凝土的内部温度是浇筑温度、水化热的绝热温升和结构散热降温等各种温度的叠加之和。外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也愈高；如外界温度下降，会增加混凝土的降温幅度，特别在外界温度骤降时，会增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度，这对大体积混凝土极为不利
7、。温度应力是由温差引起的变形造成的.温差愈大，温度应力也愈大。大体积混凝土不易散热，其内部温度有时高达80 以上，而且延续时间较长，为此研究合理温度控制措施，对防止大体积混凝土内外温差悬殊引起过大的温度应力，显得十分重要。,4混凝土的收缩变形 混凝土的拌合水中，只有约20 的水分是水泥水化所必须的，其余的80 都要被蒸发。混凝土的收缩变形包括硬化收缩和干燥收缩。混凝土在水泥水化过程中要产生体积变形，多数是收缩变形，少数为膨胀变形，这主要取决于所采用的胶凝材料的性质。混凝土中多余水分的蒸发是引起混凝土体积收缩的主要原因之一。这种干燥收缩变形不受约束条件的影响，若存在约束，即产生收缩应力。混凝土的
8、干燥收缩机理较复杂，其主要原因是混凝土内部孔隙水蒸发变化时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。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达到原有的体积。除上述干燥收缩外，混凝土还产生碳化收缩，即空气中的CO2与混凝土水泥石中的Ca(0 H)2 反应生成碳酸钙，放出结合水而使混凝土收缩。,裂缝的危害：贯穿裂缝切断了截面，破坏结构整体性、稳定性和耐久性。深层裂缝部分切断截面，易产生应力集中。表面裂缝处断面削弱，易产生应力集中，使裂缝进一步开展。,裂缝处理：碳纤维加固、化学灌浆、补强处理。,四、大体积混凝土温度应力与最大浇筑长度计算,（一）计算温度应力的基本假
9、定（二）温度应力计算（三）最大整浇长度计算,（一）计算温度应力的基本假定 特点：建筑工程中，尤其是高层建筑基础工程中的所谓的大体积混凝土，其几何尺寸远比坝体小，而且还具有下述特点：(l)混凝土强度级别较高，水泥用量较大，因而收缩变形大；(2)均为配筋结构，配筋率较高，抗不均匀沉降的受力钢筋的配筋率多在0.5以上，配筋对控制裂缝有利；(3）由于几何尺寸不是十分巨大，水化热温升较快，降温散热亦较快，因此，降温与收缩的共同作用是引起混凝土开裂的主要因素；(4)地基一般比坝基弱，地基对混凝土底部的约束也比坝基弱，因而地基是非刚性的;(5)控制裂缝的方法不象坝体混凝土那样，要采用特制的低热水泥和复杂的冷
10、却系统，而主要是依靠合理配筋、改进设计、采用合理的浇筑方案和浇筑后加强养护等措施，以提高结构的抗裂性和避免引起过大的内外温差而出现裂缝。,假定：1、认为这类结构所承受的温差和收缩，主要是均匀温差和均匀收缩，因而外约束应力是主要的；2、地基为非刚性的平面半无限体；3、结构物与地基接触面上的剪应力与水平变位成线性关系 针对上述特点，冶金部建筑科学研究院王铁梦院士建立了一种计算方法，结果比较符合实际。,（二）温度应力计算 在地基为非刚性的前提下，根据土力学可知：从结构物与地基接触面上的剪应力与水平变位成线性关系的假定出发，可以提供下述方程式；(x)=-Cx U(x)式中(x)结构物与地基接触面上的剪
11、应力（MPa）;U(x)上述剪应力处地基的水平位移（mm）;Cx 阻力系数（即产生单位位移的剪应力）(N/mm3);负号是表示剪应力的方向与位移的方向相反。阻力系数Cx，随地基的变形模量增加而增大；随地基的塑性变形增加而减小；随水平位移速度的增加而增大；随地基对结构反力的增加而增大。对于阻力系数Cx、，要精确的加以定量有一定的困难。目前主要是参考土动力学、抗滑稳定试验等方面的理论研究和统计资料，Cx 取值为：软粘土 0.01 一0.03N/mm3 砂质粘土 0.03 一0.06N/mm3 坚硬粘土 0.06 一0.10N/mm3 风化岩石和低强度等级素混凝土 0.60 一1.00N/mm3 C
12、10 以上的配筋混凝土 1.00 一1.50N/mm3,当采用桩基时，桩对结构的变形亦有约束作用，所以除去上述地基的阻力系数外，尚需增加单位面积地基上桩的阻力系数Cx增加阻力系数。,温度应力的计算简图如图所示。高层建筑箱形基础、桩基承台和筏式基础的底板厚度远小于长度和宽度，如厚度小于或等于0.2倍的长度（H/L 0.2）时，在温度收缩变形作用下，其全截面基本为均匀受力，因此，其计算简图即为一弹性地基上均匀受力的长条板。,在底板的任意点x 处截取一段dx 长度的微体，其厚度为t。微体全高H 承受均匀内力x（N 为其合力），地基对底板的剪应力为(Q 为其合力)。,解上述微分方程得：,式中 E 混凝
13、土一定龄期时的弹性模量 a 混凝土的线膨胀系数；L 结构长度；T 结构计算温差；H 结构厚度,上述计算未考虑混凝土的徐变，如考虑混凝土徐变引起的应力松弛，将拉应力取为正值，则由收缩引起的最大的温度拉应力为：式中S(t)应力松弛系数；其他符号同前。混凝土结构在荷载作用下，不仅产生弹性变形，随着时间的延续还产生非弹性变形，即徐变，徐变引起应力松弛。徐变引起的温度应力松弛，对防止混凝土开裂有益，因此在计算混凝土温度应力时应考虑应力松弛的影响。松弛与加荷时混凝土的龄期有关，龄期越短，徐变引起的松弛也越大；另外，还与应力作用的时间长短有关，应力作用时间越长则松弛亦越大。,考虑混凝土的徐变公式中的E、T、
14、S(t)都是随龄期t 变化的变量，计算温度应力时，应分别计算出不同龄期时的Ei(t)、Ti(t)、S(t)i，进而计算出相应温差区段（一般取23d）内产生的温度应力，而后累加即得最大温度应力xmax温度应力和剪应力的分布如下图 所示：,如温度应力的数值超过当时的混凝土极限抗拉强度，就会在混凝土结构中部(由于中间应力最大)出现第一条裂缝，将结构一分为二(如下图)。由于裂缝的出现，产生应力重分布，每块结构又产生自己的应力分布，图形与上述完全相同，只是最大值由于长度的缩短而减少，如果此时的温度应力的数值仍然超过当时的混凝土极限抗拉强度，则又会形成第二批裂缝，将各块结构再一分为二。裂缝如此继续开展下去
15、，直至各块结构中间的最大温度应力小于或等于当时的混凝土极限抗拉强度为止。在理论上此类裂缝先在结构的中间出现，这是一个规律。但由于混凝土是非匀质材料，其抗拉强度不均匀，因而有时不象理论上分析的那样，裂缝皆是首先出现在中间。,裂缝1,裂缝2,裂缝2,裂缝2 出现之前,（三）最大整浇长度（伸缩缝间距）计算,存在外约束的大体积混凝土结构，其变形与温度应力直接有关。当温度应力接近混凝土的极限抗拉强度ft时，混凝土的拉伸变形 亦将接近其极限拉伸变形 p。,五、防止砼温度裂缝的技术措施,（1）大体积砼内部温度变化规律 入模温度、最高温度及出现的时间、升温阶段及降温阶段养护注意的问题,(2)砼最高温度的估算
16、砼内部最高温度:Tmax=Tj+W/10+F/50 Tj 砼入模温度 W单方砼的水泥用量（kg/m3）F单方砼的粉煤灰用量（kg/m3）公式考虑了水泥用量及粉煤灰用量对砼最高温度的影响。浇筑块体的厚度、初期浇筑温度的变化等影响因素没能反映。该公式一般只作为初步估算，要精确计算需采用其它方法。,防止大体积混凝土产生质量问题的措施：,材料措施：1、用中低热的水泥品种 选用矿渣硅酸盐水泥。如32.5 级矿渣硅酸盐水泥其3d 的水化热为18OkJ/kg，而32.5 级普通硅酸盐水泥则为25OkJ/kg，水化热量减少28。2、利用混凝土的后期强度 可采用f45、f60或f90替代 f28作为混凝土设计强
17、度，这样可使每立方米混凝土的水泥用量减少40 70kg/左右，混凝土的水化热温升相应减少4 7。3、掺加减水剂木质素磺酸钙 混凝土中掺人水泥重量0.25 的木钙减水剂（即木质素磺酸钙），它不仅能使混凝土和易性有明显的改善，同时又减少了10 左右的拌合水，节约10 水泥，从而降低水化热。,4、掺加粉煤灰外掺料 掺加粉煤灰后可改善混凝土的后期强度，但其早期抗拉强度及早期极限拉伸值均有少量降低。因此对早期抗裂要求较高的工程，粉煤灰掺人量应少一些，否则表面易出现细微裂缝。5、粗、细骨料选择 宜优先采用以自然连续级配的粗骨料配制混凝土。细骨料以采用中、粗砂为宜。根据有关试验结果表明，采用540mm 石子
18、比采用525mm 石子每立方米混凝土可减少用水量15kg 左右，在相同水灰比的情况下，水泥用量可减少20kg 左右。,设计措施：1.设置滑动层2.避免应力集中3.设置缓冲层4.合理配筋：尽可能采用小直径、小间距,施工措施：1、控制混凝土的出机温度和浇筑温度：选择时间段等2、蓄水养护是一种较好的方法：由于水的导热系数为0.58W/m K，有一定的隔热保温效果3、大体积混凝土结构拆模后，宜尽快回填土，用土体保温避免气温骤变时产生有害影响，亦可延缓降温速度，避免产生裂缝。4、对浇筑后的混凝土进行二次振捣，使混凝土的抗压强度提高10 20 左右，从而提高抗裂性。5、施工时加强搅拌、浇筑和振捣6、可采用
19、二次投料的砂浆裹石或净浆裹石搅拌新工艺7、合理的分段施工：设置后浇带、结构缝等8、在大体积混凝土结构内设置循环冷凝管9、加强温度监控,渡江战役纪念馆基础底板标高-8.30m，基础形式下为桩承台基础上接筏板基础，基础底板厚达2.95m。为大体积砼施工，砼一次性浇筑3600m3。,六、工程实例一,温度传感器,预埋孔灌机油测温,预埋测试仪器测温,温度感应器,保证混凝土的整体性连续浇筑不留施工缝，分层浇筑捣实。浇筑方案：（1）全面水平分层面积小而厚度大时；（2）斜面分层面积大但为长条形时；（3）分段分层面积大但厚度小时。,大体积混凝土浇筑方案,（a）全面水平分层,（b）斜面分层,（C）分段分层,工程实例二,成都蓝光云鼎大体积混凝土,
