大體積混凝土

1、第五章大體積混凝土【教學基本要求】通過本章的學習，使學生：1了解混凝土裂縫產生的原因。2熟悉大體積混凝土產生的機理。3掌握大體積混凝土溫度應力的計算。4掌握控制混凝土溫度裂縫的技術措施?！緦W習重點】大體積混凝土溫度的計算和大體積混凝土裂縫的綜合控制措施?！緝热萏嵋蛯W習指導】大體積混凝土的溫度及濕度變形一一膨脹及收縮1.1.1 大體積混凝土的定義在工程實踐中常遇到大體積混凝土結構，如大型設備基礎、高層建筑基礎底板、構筑 物基礎、橋梁墩臺、深梁、水電站壩等。由于這些結構體積大、整體行要求高，往往不宜 留置施工縫。此外，水泥水化時放出大量熱量，當結構體積大時，混凝土內部聚集的熱量 長期不易散失，混

2、凝土內部和周圍大氣環(huán)境間形成較高溫度差，由于溫度應力常造成混凝 土開裂。因此，美國混凝土學會曾強調指出：“任何就地澆筑的大體積混凝土，必須要求采取措施，解決水化熱及隨之引起的體積變形問題。以最大的限度減少開裂?！本C述所述，應十分慎重組織大體積混凝土的施工，以防止出現(xiàn)質量事故。對于大體積混凝土的定義有不同的解釋，日本建筑學會標準（JASS5）的定義：“結構斷面最小尺寸在 800mm以上，水化熱引起混凝土內的最高溫度與外界氣溫之差超過25 C的混凝土，稱為大體積混凝土。 ”我國某施工單位制定的“大體積混凝土工法”中認為： 凡結構斷面最小尺寸大于 3000mm的混凝土塊體；或者單面散熱的結構斷面的最

3、小尺寸在 750mm以上，雙面散熱在1000mm以上，水化熱引起的最高溫度與外界氣溫之差預計超過 25 C的混凝土，均可稱為大體積混凝土?？傊篌w積混凝土還沒有一個統(tǒng)一的定義。但是用結構尺寸大小來定義大體積混凝土結構過于機械，有些結構的尺寸并不很大 （如某些地鐵隧道底板厚度僅 0.5m）但受到外界約束很大， 也避免不了出現(xiàn)裂縫。 采用以 上定義方法有可能對某些本應屬于大體積的混凝土結構忽略了對施工的預控。至于用混凝土結構可能出現(xiàn)的最高溫度于外界氣溫之差的某一規(guī)定值來定義大體積混凝土也不夠嚴密。因為“溫度差”只有在約束條件下才起作用。當內外約束（限制）較小時，就可允許混凝土和外界溫度差較大，反之

4、較小。我國有關設計規(guī)范中曾規(guī)定，當基礎混凝土28d齡期的極限拉伸值不低于10 4時，施工質量均勻、良好，短間歇均勻上升的澆筑塊、基礎的容許溫度差一般按表 1采用該規(guī)定中考慮了約束條件及混凝土的抗拉能力，從而規(guī)定容許溫差，是較科學的?；A容許溫差T （ C）表1澆筑塊長邊l離基礎面高 F'h'''''''''"16m以下1720m2130m3140m通倉長塊00.2 l262524222219191616140.4 l282726252522221919171.1.2 混凝土的溫度及濕度變形膨脹及收縮溫度變

5、形產生的原因很多，在這里僅討論由于溫度和濕度變化而產生的混凝土的變 形。當升溫時或混凝土吸濕時體積膨脹，當降溫時或混凝土失水時，體積收縮。隨著有無 限制條件，混凝土的膨脹及收縮變形產生不同的結果。一、限制條件的影響（一）限制條件根據(jù)有無限制條件混凝土的收縮可分為自有收縮及限制收縮，膨脹可分為自由膨脹和 限制膨脹。但是，可以認為任何混凝土變形都受到程度不同的限制，幾乎沒有不受限制的 自由變形。大體積混凝土所受到的內外限制見圖 1。，基層對混凝土的限制 外部限制，樁對混凝土的限制 f1相鄰結構對混凝土的限制限 1 |f混±內部與表面相互限制I內部限制：先澆混凝土對后洗混凝土的限制Y鋼筋對

6、混凝土的限制圖1限制圖分析（二）限制條件的影響自由收縮不會影響混凝土開裂，但限制收縮達到某種程度時可能引起開裂。反之自由 膨脹引起開裂而限制膨脹不發(fā)生開裂。（三）相向變形和背向變形相向變形使混凝土質點的間距縮小，組織致密，自由收縮是相向變形。背向變形使混凝土質點間距較大，組織變松，自由膨脹是背向變形，膨脹超過一定限 度就會開裂。而限制下的收縮和膨脹同時包含相向及背向兩種變形（圖2）。圖2相向變形與背向變形可將限制膨脹分解為兩部分變形：一是假定未受到限制， 質點間距從原長li增加到不受限制時能達到的長度12也就是自由膨脹的全部變形，這部分是背向變形；另一是因限制 作用使質點間距從上面達到的長度1

7、2減小到限制后實際達到的長度13,這部分是相向變形。當限制程度足夠大時，非但使混凝土避免開裂，并能起增強和密實的好作用。限制收縮也可分兩個部分的變形：一是假定未受到限制，質點間距從原長11減小到不受限制時能達到的長度12,即自由收縮的全部變形，這部分是相向變形；另一是因限制作 用使質點間距從上面達到的長度12加大到限制后實際達到的長度13,這部分是背向變形。當限制程度很大時，這部分背向變形會引起開裂。二、混凝土的濕度變形（干縮及濕脹）混凝土中水分存在于孔隙中，這些孔隙分布在水泥石、骨料及骨料與水泥石之間和鋼 筋與水泥石之間的交界處?？紫斗帜z孔、毛細孔、氣孔。氣孔（直徑在 1mm到0.01mm之

8、 間）中存在自由水，其增減不引起混凝土體積變化。毛細孔尺寸比氣孔小100倍，其中存在著受毛細管力作用的可蒸發(fā)水，此種水分蒸發(fā)將引起體積收縮，膠孔比毛細孔小1000倍，即約為1040A （埃）（1 A=10）約為水分子直徑的5倍。膠孔中經(jīng)常充滿著水、不易蒸發(fā)。但膠孔水仍對混凝土大體積變化有重要影響。（一）干縮機理對干縮機理提出如下假設：當水分進入干燥的凝膠孔時，吸附水被均勻分布到固體顆粒全部表面。當相對濕度達到100%時或在水中時，固體顆粒表面吸附水層厚度可達5個水分子直徑，即兩個粒子間需有10個水分子直徑的間距，但膠孔平均尺寸只約5個水分子直徑，容納不下 10個水分子直徑厚度的吸附水，因此產生

9、吸附水對粒子的推力。此推 力大小隨環(huán)境濕度而變。當相對濕度達到100%時推力最大，體積膨脹，即濕脹現(xiàn)象。當濕度降低，推力減小，毛細孔水也開始蒸發(fā)，在毛細孔中產生拉應力，相應的在固體結構 中產生壓應力。隨著推力減小與壓應力增加，體積就收縮。毛細孔含量愈，周圍的壓應力就愈大，收縮率也愈大。當環(huán)境相對濕度降低到 40%以下時，固體顆粒表面吸附水膜的厚度不足兩個水分子直徑，膠孔中就不飽含水分，就不產生推力，體積收縮就更加劇烈。在砂漿和混凝土中骨料起著阻止水泥石收縮的作用，混凝土的收縮率只是水泥石的 1/10。（二）影響干縮率的因素1 .骨料：骨料在混凝土中含量以及骨料的彈性模量對干縮率有重要影響。骨料

10、尺寸 及級配影響不大。2 .存放條件（環(huán)境濕度）對干縮率有重要影響。延長濕養(yǎng)時間可推遲干縮的發(fā)生與 發(fā)展，但對最終的干縮率并無顯著影響。3 .水灰比與加水量：水灰比及加水量大時干縮率大。4 .尺寸形狀：試件（構件）尺寸增加，則干縮率減小。用體積與表面積的比值來表 示試件的形狀特征，比值小時則干縮率大。但有一定限度。（三）混凝土的干縮率的數(shù)字表達式一般認為新鮮混凝土的干縮率的近似為X10-4o中國建材院混凝土所提出了在標準條件下混凝土的自由收縮函數(shù)方程:S（t） 0.3S 0.281071.48 1.47t1.10152.79 3.27t（2）公式（5-1）及（5-2）分別表示標準條件下初始測試

11、齡期為3天和28天的收縮計算公式。即將試件在20c的霧室的標準條件下養(yǎng)護3天或28天，然后移入20c相對濕度為60%的恒溫恒濕室內繼續(xù)養(yǎng)護t天。在環(huán)境溫度、濕度和養(yǎng)護方法有變化的非標準條件下，自由收縮率需通過各種系數(shù)予 以糾正。S（t） S（t） 123451 , 3 2, 3 3, 3 4, 3 5 表 2 至表式中：s（t）非標準條件下混凝土的自由收縮量率36所示各種影響因素。環(huán)境相對濕度影響系數(shù)31建議值 表2環(huán)境濕度 條件相對濕度（）3 i干燥40正常601潮濕80截面尺寸影響系數(shù)3 2建議值 表3養(yǎng)護方法影響系數(shù)33建議值 表4養(yǎng)護方法3 3標準養(yǎng)護 蒸汽養(yǎng)護粉煤灰取代水泥量影響系數(shù)

12、34建議值 表5粉煤灰取代水泥量34010%-20%混凝土強度等級影響系數(shù)35建議值 表6混凝土品種強度等級3 5普通混凝土C40普通混凝土C30普通混凝土C20輕骨料混凝土LC20-30公式（5-3）的計算值是混凝土的自由收縮率。為了得到限制收縮率應進行修正s（t） s（t） R（4）式中：s（t）混凝土限制收縮率；R 系數(shù)，一般在之間。三、混凝土的溫度變形（一）混凝土的溫度組成在絕熱條件下，混凝土的最高溫度是澆注溫度與水泥水化熱產生的絕熱溫升的總和。 但實際上由于混凝土與外界環(huán)境之間存在溫差，而結構物四周又不可能做到完全絕熱，故 新澆注的混凝土必然向外散熱。結構物的模板、外界氣候條件（溫度

13、、濕度、風速）和養(yǎng) 護條件等因素都會促使混凝土的溫度發(fā)生變化。因此混凝土內部溫度實際上由以上兩種溫度組成部分再加上混凝土澆注后的散熱溫度所組成。另外，混凝土從澆筑成型后，經(jīng)歷著初始溫度發(fā)展為最高溫度，最后達到穩(wěn)定 溫度（或稱最終溫度）這樣一個變化過程。（二）混凝土的溫度膨脹系數(shù)混凝土溫度變形的大小決定于溫度變化值與混凝土的溫度膨脹系數(shù)。常用的線溫度膨脹系數(shù)為（10-11） X10-6/C。但實際值隨混凝土的材料與組成而異，尤其受骨料品種的影 響最大。.哈普對各種骨料混凝土（波特蘭水泥：骨料=1: 6）的線膨脹系數(shù)進行試驗，表明：骨料分別為卵石、花崗巖、石灰?guī)r時，混凝土在空氣中的線膨脹系數(shù)分別為

14、x10-6,X10-6, X10-6。齡期及水泥品種對膨脹系數(shù)的影響很小。（三）冷縮水泥水化熱一般均在 3到7天內大量產生，因此混凝土在早期升溫最快，隨著散熱速度不同，一般在 3到5天內就接近或達到最高溫度值，此后不過幾天或十幾天開始下降。降溫對混凝土收縮變形有很大影響。例如降溫10c所引起的冷縮值竟相當于混凝土在相對濕度70%的正常環(huán)境下10到14天齡期的干縮值?；炷恋臏囟葢?.2.1混凝土的徐變及應力松弛一、混凝土的徐變在一定荷載長期作用下，混凝土將產生隨著時間而增加的塑性變形，稱為混凝土的徐變。徐變對混凝土的結構的應力及變形狀態(tài)有較大影響。對于大體積混凝土來說，徐變變 形與收縮（膨脹

15、）變形同時存在、關系密切。（一）徐變機理一般認為混凝土產生徐變的機理是由于水泥石的粘彈性和水泥石與骨料之間塑性性 質的綜合結果。具體來說主要由于持續(xù)荷載作用使凝膠體中水分緩慢壓出，水泥石的粘性 流動，微細空隙的閉合，結晶內部的滑動，微細裂縫的發(fā)生等因素的累加。影響徐變的主要因素是：1 .加荷期間大氣濕度越低，氣溫越高，徐變越大；2 .混凝土中水泥用量越多或水灰比越大，徐變越大；混凝土強度越高，彈性模量越大，徐變越小；3 .骨料的級配不良，空隙較多，徐變較大；4 .水泥活性低，結晶體形成慢而少，徐變較大；5 .加荷應力越大，徐變越大；6 .加荷時混凝土齡期越短，徐變越大；持續(xù)加荷時間越長，徐變越

16、大；7 .結構尺寸越小，徐變越大；（二）徐變的表示方式一般以徐變系數(shù)來表示，二日s（5）式中f 混凝土的徐變變形；混凝土的彈性變形；對于普通混凝土如取徐變變形最終值f=76 X 10-5,彈性變形值£ =33 X 10-5 ；=。（三）大體積混凝土的徐變在大體積混凝土生溫階段，混凝土內部因膨脹而引起相向變形（屬于限制條件下的膨 脹），但此時結構發(fā)育得還不夠，塑性還較大。這種相向變形大部分為塑性變形荷徐變所 消耗。因此限制膨脹所引起的混凝土密實作用，由于徐變而大大削弱。降溫階段由于限制收縮而在混凝土中出現(xiàn)一定的拉應力，拉力徐變隨之產生，它能增 加混凝土的拉伸變形能力，有時能使混凝土的極

17、限延伸率提高1-2倍或更多，推遲或避免開裂。所以徐變對于防止大體積混凝土開裂有利。但是此時混凝土內部結構隨斷裂而發(fā)展， 強度及彈性模量上升，而塑性減少，徐變也隨之減少。因此，收縮所產生的拉應力發(fā)展到 一定程度仍能引起混凝土開裂。二、應力松弛混凝土結構載荷載作用下，如保持約束變形為常量，則結構約束應力將隨時間逐漸減 少，此現(xiàn)象稱為應力松弛。它是由于混凝土的徐變特性引起的。在變形為常量的條件下， 任意時刻應力與初始應力之比稱為應力松弛系數(shù)。由于松弛實驗較費事，一般根據(jù)在常荷 載作用下的徐變資料得到應力松弛系數(shù)。混凝土松弛程度與外加荷載時混凝土的齡期有關。時間越早，混凝土徐變引起的松弛 可越大，其次

18、同應力作用的長短時間有關，時間越長，則松弛也越大。混凝土結構澆注 20天后已夠成熟，產生約束變形。此時齡期的影響很小，可忽略不 計，應力松弛系數(shù) S (t)只與發(fā)生的約束變形后荷載持續(xù)時間t有關。1.2.2 大體積混凝土在溫度應力作用下的兩種不利情況一、大體積混凝土澆注后一段時間，內部水化熱不易散失，外部混凝土散熱較快，水 化熱溫升隨壁(板)厚度增加而加大，混凝土內外形成一定的溫度梯度。無論溫升階段或 溫降階段，混凝土中心溫度總是高于混凝土表面溫度。根據(jù)熱脹冷縮原理，中心部分混凝 土膨脹速率要比表面混凝土大。因此，混凝土中心與表面各質點間的內約束以及來自地基 及其他外部邊界約束的共同作用，使混

19、凝土內部產生壓應力，混凝土表面產生拉應力。當 溫度梯度大到一定程度時，表面拉應力超過混凝土的極限抗拉強度 R f(t)時，混凝土表面產生裂縫。在升溫階段，混凝土未充分硬化，彈性模量小，徐變影響較大。因此拉應力 較小，只引起混凝土表面裂縫。二、隨著水泥水化反應的結束及混凝土的不斷散熱，大體積混凝土由升溫階段過渡到 降溫階段。溫度降低，混凝土體積收縮。由于混凝土內部熱量是通過表面向外散發(fā)，降溫 階段混凝土中心部分與表面部分的冷縮程度不同，在混凝土內部產生較大的內約束，同時 地基與邊界條件也對收縮的混凝土產生較大外約束。內外約束的作用，使收縮的混凝土產 生拉應力，隨混凝土的齡期增長，抗拉強度Rf(t

20、)增大。彈性模量E(t)增高，徐變影響減小。因此降溫收縮產生的拉應力(t)較大，易在混凝土中心部位形成較高拉應力區(qū)，若此時的混凝土拉應力 (t)大于混凝土此齡期的抗拉強度Rf (t),則大體積混凝土產生貫穿裂縫。1.2.3 大體積混凝土的裂縫一、按裂縫的部位可分為：(1)粘著裂縫：是指骨料與水泥面的的粘結面上的裂縫，主要沿骨料周圍出現(xiàn)。(2)水泥面裂縫：是指水泥漿中的裂縫，出現(xiàn)在骨料與骨料之間。(3)骨料裂縫：是指骨料本身的裂縫。二、按混凝土裂縫起因可分為(1)由外荷載(靜、動荷載)的直接應力(即按常規(guī)計算的筑要應力)引起的裂縫；(2)由結構次應力引起的裂縫；(3)由變形引起的裂縫，即結構由溫

21、度、濕度引起的收縮或膨脹、不均勻沉降等變 形產生的應力而引起的裂縫。三、按混凝土裂縫深度劃分為：(1)貫穿裂縫：切斷了結構斷面，可能破壞結構的整體性和穩(wěn)定性，其危害性是較嚴 重的；(2)深層裂縫：部分地切斷結構斷面，也有一定地危害性；(3)表面裂縫：一般危害性較小。當處于基礎或老混凝土約束范圍以內地表面裂縫， 在內部混凝土降溫過程中，可能發(fā)展為貫穿裂縫。四、裂縫寬度劃分：分為微觀裂縫和宏觀裂縫。 微觀裂縫也稱為“肉眼看不見的裂縫”。裂縫寬度在0.05mm 以內，所以取0.05mm為宏觀裂縫的起始寬度， 裂縫寬度指一條裂縫中較寬區(qū)段地平均值。宏觀裂縫可以避免，但不是所有的宏觀裂縫都是有害的。從國

22、內外試驗資料分析，結 構物裂縫寬度一般控制在如下范圍：(1)無侵蝕介質，無抗?jié)B要求0.3mm(2)輕微侵蝕介質，無抗?jié)B要求0.2mm(3)嚴重侵蝕介質，有抗?jié)B要求0.1mm大體積混凝土結構裂縫控制的綜合措施1.3.1 降低澆注溫度及硬化過程中的混凝土溫度一、混凝土原材料的預冷卻混凝土原材料的預冷卻，不僅可以降低混凝土的澆注溫度，而且還可削減混凝土內部 的最高溫度，并減少最高溫度與穩(wěn)定溫度之間的差值，從而把混凝土內的溫度變化控制在 允許范圍之內，以防止裂縫的產生。(一)冷卻攪和水或摻冰屑在暑期施工中，一般采用冷卻拌和水或摻冰屑的辦法，達到降低混凝土拌和溫度的目 的。在拌和水中加冰，必須使冰在拌和

23、過程中完全融化，否則，待混凝土澆筑后冰屑融化，在混凝土中形成空洞，影響混凝土的質量。(二)預冷骨料當混凝土體積特大或氣溫很高時，單靠冷卻拌和水法往往滿足不了要求，故還需與預冷 骨料配合使用，預冷骨料通常有濕法、干法與真空氣法三種。二、降低水泥水化熱（一）水泥的選用應優(yōu)先采用水化熱低的礦渣水泥配制大體積混凝土，當混凝土的強度等級為C15時，可采用325號礦渣硅酸鹽水泥， 當混凝土強度等級為 C20或C20以上時，宜采用425號的 礦渣硅酸鹽水泥；也可用 525號水泥，但注意用量。對大體積混凝土所用的水泥，應進行水化熱測定，水泥水化熱的測定按現(xiàn)行國家標準 水泥水化熱試驗方法（直接法）進行，配制混凝

24、土所用水泥7天的水化熱宜不大于250kj/kg。（二）避免用高強混凝，盡可能選用中低強度混凝土，基礎混凝土的強度等級宜在C25C35的范圍選用，利用后期強度 R60o（三）大體積混凝土配合比的選擇：在滿足設計要求及施工工藝要求的前提下，應盡 量減少水泥用量，以降低混凝土的絕熱溫升。1.3.2 提高混凝土極限抗拉強度一、選擇良好級配的粗骨料，嚴格控制其含泥量不大于%。二、加強混凝土的振搗，采用二次投料法及二次振搗法，加強早期養(yǎng)護，并在澆注后 及時排除表面積水以提高混凝土濕度和早期齡期抗拉強度，減少收縮變形。三、在大體積混凝土內設置必要的溫度配筋（采用小直徑、密間距）。在應力集中處如界面突變或轉折

25、處，底板（頂板）與墻轉折處，孔洞轉角及周邊，增加斜向構造配筋， 以防止出現(xiàn)裂縫。1.3.3 改善約束條件，削減溫度應力一、采取分層或分塊澆筑大體積混凝土，合理設置水平或垂直施工縫，或在適當?shù)奈?置設置施工后澆帶，以放松約束程度，并減少每次澆筑長度的蓄熱量，以防止水化熱的積 聚，減少溫度應力。二、 對大體積混凝土基礎與巖石地基，或基礎與厚大的混凝土墊層之間設置滑動層， 如采用平面澆瀝青膠鋪砂或刷熱瀝青或鋪卷材。在垂直面、鍵槽部位設置緩沖層，可用鋪 設3050mm厚瀝青木絲板或聚苯乙烯泡沫塑料，以消除嵌固作用，釋放約束應力。三、采用合理的平面和里面設計。避免截面突變，從而減小約束應力。1.3.4

26、加強施工中的溫度控制一、在大體積混凝土工程施工前，應對施工階段大體積混凝土澆注的溫度、溫度應力 及收縮應力進行驗算，確定施工階段大體積澆注塊體的升溫峰值、里外溫差及降溫速度的 控制指標及制定溫控施工技術措施。溫度控制應圍繞如何防止因溫度變形而引起的結構物開裂為核心。溫度控制的目的，就是要對混凝土的初始溫度（澆筑溫度），和混凝土內部的最高溫度進行人為的控制。溫度控制措施必須建立在嚴密的科學基礎上。不但要有溫度控制的要求，而且還應計 算出各齡期混凝土內的溫度應力。只有采取溫度及應力“雙控制”的方法，才能最大限度 地避免結構物出現(xiàn)開裂的情況。二、合理安排施工程序，控制混凝土澆注面在澆筑過程中均勻上升，避免混凝土拌合 物堆積高差過大。在結構完成后及時間回填土，避免其側面長期暴露。三、加強測溫和溫度監(jiān)測與管理，實行信息化控制，隨時控制混凝土內的溫度變化，混凝土的中心溫度與表面溫度之間的差值（Tmax -Tb）,基底面溫差以及混凝土表面溫度與室外空氣中最低溫度之間的差值（Tb - Tq）,均應小于20 C；經(jīng)過計算確認結構物混凝土具有足夠的抗裂能力時，允許不大于2530 Co及時調整