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文檔簡介
1、第三章大體積混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工課程預習 本章主要講述 1、混凝土裂縫 2、混凝土溫度應(yīng)力 3、防止混凝土溫度裂縫的技術(shù)措施 4、大體積混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工3.1 混凝土裂縫混凝土是多種材料組成的非勻質(zhì)材料,它具有較高的抗壓強度、良好的耐久性及抗拉強度低、抗變形能力差、易開裂等特性。近代混凝土的研究證明,在不同的受力狀態(tài)下,混凝土的破裂過程,實際上是和“微觀裂縫”的發(fā)展相關(guān)聯(lián)的。一、裂縫的種類及產(chǎn)生原因(一)裂縫的種類 按裂縫的寬度不同,混凝土裂縫可分為“微觀裂縫”和“宏觀裂縫”兩種。1微觀裂縫在尚未承受荷載的混凝土結(jié)構(gòu)中存在著肉眼看不見的微觀裂縫,其寬度為0.05mm以下。微觀裂縫主要有三種,如
2、圖3-1所示。(1)粘著裂縫,即沿著骨料周圍出現(xiàn)的骨料與水泥石粘面上的裂縫。(2)水泥石裂縫,即分布在骨料間水泥漿中的裂縫。(3)骨料裂縫,即存在于骨料本身的裂縫。上述三種微觀裂縫中,粘著裂縫和水泥石裂縫較多,而骨料裂縫較少。微觀裂縫在混凝土結(jié)構(gòu)中的分布是不規(guī)則的,沿截面是不貫穿的。有微觀裂縫的混凝土可以承受拉力,但結(jié)構(gòu)物的某些受拉較大的薄弱環(huán)節(jié),微觀裂縫在拉力作用下,很容 易串連貫穿全截面,最終導致較早的斷裂。 2宏觀裂縫寬度不小于0.05mm的裂縫是肉眼可見裂縫,亦稱為宏觀裂縫,宏觀裂縫是微觀裂縫擴展的結(jié)果。在建筑工程中,微觀裂縫對防水、防腐、承重等不會引起危害,具有微觀裂縫結(jié)構(gòu)則假定為無
3、裂縫結(jié)構(gòu)。設(shè)計中所謂不允許出現(xiàn)裂縫,是指寬度無大于0.05mm的初始裂縫。有裂縫的混凝土是絕對的,無裂縫的混凝土是相對的。產(chǎn)生宏觀裂縫一般有外荷載、次應(yīng)力和變形變化三種起因,前兩者引起裂縫的可能性較小,后者是導致混凝土產(chǎn)生宏觀裂縫的主要原因,這種裂縫又可分為表面裂縫、深層裂縫和貫穿裂縫,如圖3-2所示。(1)表面裂縫大體積混凝土澆筑初期,水泥水化熱大量產(chǎn)生,使混凝土的溫度迅速上升。但由于混凝土表面散熱條件較好,熱量可向大氣中散發(fā),其溫度上升較少;而混凝土內(nèi)部由于散熱條件較差,熱量不易散發(fā),其溫度上升較多。混凝土內(nèi)部溫度高、表面溫度低,則形成溫度梯度,使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力,表面產(chǎn)生拉應(yīng)力,當拉
4、應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強度時,混凝土表面就產(chǎn)生裂縫。表面裂縫雖不屬于結(jié)構(gòu)性裂縫,但在混凝土收縮時,由于表面裂縫處的斷面已削弱,易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,能促使裂縫進一步開展。國內(nèi)外對裂縫寬度都有相應(yīng)的規(guī)定,如我國的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50-89),對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的最大允許裂縫寬度就有明確的規(guī)定:室內(nèi)正常環(huán)境下的一般構(gòu)件為0.3mm;露天或室內(nèi)高濕度環(huán)境下為0.2mm。(2)貫穿裂縫大體積混凝土澆筑初期,混凝土處于升溫階段及塑性狀態(tài),彈性模量很小,變形變化所引起的應(yīng)力很小,溫度應(yīng)力一般可忽略不計?;炷翝仓欢〞r問后,水泥水化熱基本已釋放,混凝土從最高溫逐漸降溫,降溫的結(jié)果引起混凝土收縮,再加
5、上混凝土多余水分蒸發(fā)等引起的體積收縮變形,受到地基和結(jié)構(gòu)邊界條件的約束,不能自由變形,導致產(chǎn)生拉應(yīng)力,當該拉應(yīng)力超過混凝土極限抗拉強度時,混凝土整個截面就會產(chǎn)生貫穿裂縫。貫穿裂縫切斷了結(jié)構(gòu)斷面,破壞了結(jié)構(gòu)整體性、穩(wěn)定性、耐久性、防水性等,影響正常使用。應(yīng)當采取一切措施控制貫穿裂縫的開展。(3)深層裂縫基礎(chǔ)約束范圍內(nèi)的混凝土,處在大面積拉應(yīng)力狀態(tài),在這種區(qū)域若產(chǎn)生了表面裂縫,則極有可能發(fā)展為深層裂縫,甚至發(fā)展成貫穿性裂縫。深層裂縫部分切斷了結(jié)構(gòu)斷面,具有很大的危害性,施工中是不允許出現(xiàn)的。如果設(shè)法避免基礎(chǔ)約束區(qū)的表面裂縫,且混凝土內(nèi)外溫差控制適當,基本上可避免出現(xiàn)深層裂縫和貫穿裂縫。(二)裂縫產(chǎn)
6、生的原因大體積混凝土施工階段產(chǎn)生的溫度裂縫,是其內(nèi)部矛盾發(fā)展的結(jié)果。一方面是混凝土由于內(nèi)外溫差產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變,另一方面是結(jié)構(gòu)物的外約束和混凝土各質(zhì)點的約束阻止了這種應(yīng)變,一旦溫度應(yīng)力超過混凝土能承受的極限抗拉強度,就會產(chǎn)生不同程度的裂縫??偨Y(jié)大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的工程實例,產(chǎn)生裂縫的主要原因如下: 1水泥水化熱的影響水泥在水化過程中產(chǎn)生大量的熱量,這是大體積混凝土內(nèi)部溫升的主要熱量來源,試驗證明每克普通水泥放出的熱量可達500J。由于大體積混凝土截面的厚度大,水化熱聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散發(fā),會引起混凝土內(nèi)部急驟升溫。水泥水化熱引起的絕熱溫升,與混凝土厚度、單位體積水泥用量和水泥品種有關(guān),混凝土厚
7、度愈大,水泥用量愈多,水泥早期強度愈高,混凝土內(nèi)部的溫升愈快。大體積混凝土測溫試驗研究表明:水泥水化熱在13d放出的熱量最多,大約占總熱量的50左右;混凝土澆筑后的35d內(nèi),混凝土內(nèi)部的溫度最高?;炷恋膶嵝阅茌^差,澆筑初期混凝土的彈性模量和強度都很低,對水化熱急劇溫升引起的變形約束不大,溫度應(yīng)力自然也比較小。隨著混凝土齡期的增長,其彈性模量和強度相應(yīng)提高,對混凝土降溫收縮變形的約束愈來愈強,即產(chǎn)生很大的溫度應(yīng)力,當混凝土的抗拉強度不足以抵抗該溫度應(yīng)力時,便產(chǎn)生溫度裂縫。2內(nèi)外約束條件的影響各種結(jié)構(gòu)的變形變化中,必然受到一定的約束阻礙其自由變形,阻礙變形因素稱為約束條件,約束又分為內(nèi)約束與外
8、約束。結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形變化時,不同結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生的約束稱為外約束,結(jié)構(gòu)內(nèi)部各質(zhì)點之間產(chǎn)生的約束稱為內(nèi)約束,外約束分為自由體、全約束和彈性約束三種。建筑工程中的大體積混凝土,相對水利工程來說體積并不算很大,它承受的溫差和收縮主要是均勻溫差和均勻收縮,故外約束應(yīng)力占主要地位。 大體積混凝土與地基澆筑在一起,當溫度變化時受到下部地基的限制,因而產(chǎn)生外部的約束應(yīng)力。混凝土在早期溫度上升時,產(chǎn)生的膨脹變形受到約束面的約束而產(chǎn)生壓應(yīng)力,此時混凝土的彈性模量很小,徐變和應(yīng)力松弛大,混凝土與基層連接不太牢固,因而壓應(yīng)力較小。但當溫度下降時,則產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,若超過混凝土的抗拉強度,混凝土將會出現(xiàn)垂直裂縫。在全約束
9、條件下,混凝土結(jié)構(gòu)的變形應(yīng)是溫差和混凝土線膨脹系數(shù)的乘積,即:T·,當超過混凝土的極限拉伸值p時,結(jié)構(gòu)便出現(xiàn)裂縫。由于結(jié)構(gòu)不可能受到全約束,況且混凝土還有徐變變形,所以溫差在2530情況下也可能不產(chǎn)生。由此可見,降低混凝土的內(nèi)外溫差和改善約束條件,是防止大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的重要措施。3外界氣溫變化的影響大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工期間,外界氣溫的變化對防止大體積混凝土開裂有重大影響?;炷恋膬?nèi)部溫度是由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫升和結(jié)構(gòu)的散熱溫度等各種溫度的疊加之和。澆筑溫度與外界氣溫有著直接關(guān)系,外界氣溫愈高,混凝土的澆筑溫度也愈高;如外界溫度下降,會增加混凝土的溫度梯度,特別是氣溫
10、驟降,會大大增加外層混凝土與內(nèi)部混凝土的溫度梯度,因而會造成過大溫差和溫度應(yīng)力,使大體積混凝土出現(xiàn)裂縫。大體積混凝土不易散熱,其內(nèi)部溫度有的工程竟高達90以上,而且持續(xù)時間較長。溫度應(yīng)力是由溫差引起的變形所造成的,溫差愈大,溫度應(yīng)力也愈大。因此,研究合理的溫度控制措施,控制混凝土表面溫度與外界氣溫的溫差,是防止裂縫產(chǎn)生的重要措施。 4混凝土收縮變形影響(1)混凝土塑性收縮變形在混凝土硬化之前,混凝土處于塑性狀態(tài),如果上部混凝土的均勻沉降受到限制,如遇到鋼筋或大的混凝土上骨料,或者平面面積較大的混凝土、其水平方向的減縮比垂直方向更難時,就容易形成一些不規(guī)則的混凝土塑性收縮性裂縫。這種裂縫通常是互
11、相平行的,間距為0.21.0m,并且有一定的深度,它不僅可以發(fā)生在大體積混凝土中,而且可以發(fā)生在平面尺寸較大、厚度較薄的結(jié)構(gòu)構(gòu)件中。(2)混凝土的體積變形混凝土在水泥水化過程中要產(chǎn)生一定的體積變形,但多數(shù)是收縮變形,少數(shù)為膨脹變形。摻入混凝土中的拌合水,約有20的水分是水泥水化所必需的,其余80都要被蒸發(fā),最初失去的自由水幾乎不引起混凝土的收縮變形,隨著混凝土的繼續(xù)干燥而使吸附水逸出,就會出現(xiàn)干燥收縮。 混凝土干燥收縮的機理比較復雜,其主要原因是混凝土內(nèi)部孔隙水蒸發(fā)引起的毛細管引力所致,這種干燥收縮在很大程度上是可逆的,即混凝土產(chǎn)生干燥收縮后,如再處于水飽和狀態(tài),溫凝土還可以膨脹恢復到原有的體
12、積。 除上述干縮收縮外,混凝土還會產(chǎn)生碳化收縮,即空氣中的二氧化碳(C02)與混凝土中的氫氧化鈣Ca(OH)2反應(yīng)生成碳酸鈣和水,這些結(jié)合水會因蒸發(fā)而使混凝土產(chǎn)生收縮。二、控制裂縫開展的基本方法從控制裂縫的觀點來講,表面裂縫危害較小,而貫穿性裂縫危害很大,因此,在大體積混凝土施工中,重點是控制混凝土貫穿裂縫的開展,常采用的控制裂縫開展的基本方法有如下三種:1“放”的方法所謂“放”的方法,即減小約束體與被約束體之間的相互制約,以設(shè)置永久性伸縮縫的方法。也就是將超長的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)分成若干段,以期釋放大部分熱量和變形,減小約束應(yīng)力。我國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中規(guī)定:現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu);現(xiàn)澆混凝土剪力墻
13、、裝配式掛板結(jié)構(gòu);全現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu),處于室內(nèi)或土中條件下的伸縮縫間距,分別為45m、55m和65m。目前,國外許多國家也將設(shè)置永久性的伸縮縫作為控制裂縫開展的一種主要方法,其伸縮縫間距一般為30m40m,個別規(guī)定為10m20m。 2“抗”的方法所謂“抗”的方法,即采取一定的技術(shù)措施,減小約束體與被約束體之間的相對溫差,改善鋼筋的配置,減少混凝土的收縮,提高混凝土的抗拉強度等,以抵抗溫度收縮變形和約束應(yīng)力。3“放”、“抗”結(jié)合的方法“放”、“抗”結(jié)合的方法,又可分為“后澆帶”、“跳倉打”和“水平分層間歇”等方法。(1)“后澆帶”法“后澆帶”是指現(xiàn)澆整體混凝土結(jié)構(gòu)中,在施工期間保留臨時性溫度、收縮
14、的變形縫方法。該縫根據(jù)工程的具體條件,保留一定的時間,再用混凝土填筑密實后成為連續(xù)、整體、無伸縮縫的結(jié)構(gòu)。 在施工期間設(shè)置作為臨時伸縮縫的“后澆帶”,將結(jié)構(gòu)分成若干段,可有效地削減溫度收縮應(yīng)力;在施工的后期,再將若干段澆筑成整體,以承受約束應(yīng)力。在正常的施工條件下,“后澆帶”的間距一般為2030m,后澆帶寬為1.0m左右,混凝土澆筑3040d后用混凝土封閉。(2)“跳倉打”法“跳倉打”法,即將整個結(jié)構(gòu)按垂直施工縫分段,間隔一段,澆筑一段,經(jīng)過不少于5d的間歇后再澆筑成整體,如果條件許可時,間歇時間可適當延長。采用此法時,每段的長度盡可能與施工縫結(jié)合起來,使之能有效地減小溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力。 在
15、施工后期將跳倉部分澆筑上混凝土,將這若干段澆筑成整體,再承受第二次澆筑的混凝土的溫差和收縮。先澆與后澆混凝土兩部分的溫差和收縮應(yīng)力疊加后應(yīng)小于混凝土的設(shè)計抗拉強度,這就是利用“跳倉打”法控制裂縫、但不成為永久伸縮縫的目的。(3)“水平分層間歇”法 “水平分層間歇”法,即以減少混凝土澆筑厚度的方法來增加散熱機會,減小混凝土溫度的上升,并使混凝土澆筑后的溫度分布均勻。此法的實質(zhì)是:當水化熱大部分是從上層表面散熱時,可以分為幾個薄層進行澆筑。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗,水平分層厚度一般可控制在0.6m2.0m范圍內(nèi),相鄰兩澆筑層之間的間隔時間,應(yīng)以既能散發(fā)大量熱量,又不引起較大的約束應(yīng)力為準,一般以57d為宜
16、。3.2 混凝土溫度應(yīng)力一、結(jié)構(gòu)中的溫度場大體積混凝土中心部位的最高溫度,在絕熱條件下是混凝土澆筑溫度與水泥水化熱之和。但實際的施工條件表明,混凝土內(nèi)部的溫度與外界環(huán)境必然存在著溫差,加上結(jié)構(gòu)物的四周又具備一定的散熱條件,因此,在新澆筑的混凝土與其周圍環(huán)境之間也必然會發(fā)生熱能的交換。故大體積混凝土內(nèi)部的最高溫度,是由澆筑溫度、水泥水化熱引起的溫升和混凝土的散熱溫度三部分組成。(一)混凝土的絕熱最高溫升計算假定在混凝土周圍沒有任何散熱條件、沒有任何熱損耗的情況下,水泥和水化后產(chǎn)生的水化熱量,全部轉(zhuǎn)化為溫升后的最后溫度,稱為絕熱最高溫升,一般用Tmax表示,可按下式計算: TmaxWQ/Cr (3
17、-1)式中 Tmax混凝土的絕熱最高溫升(); W每千克水泥的水化熱(J/kg); Q每立方米混凝土中水泥用量(kg/m3); C混凝土的比熱,一般可取096×103(J/kg·); r混凝土的容重(kg/m3),一般取2400(kgm3)。 不同齡期幾種常用水泥在常溫下釋放的水化熱見表3-1,供計算時參考。從表中可以看出,水泥水化熱量與水泥品種、水泥標號、施工氣溫和齡期等因素有關(guān)。(二)混凝土最高溫升值計算由于大體積混凝土結(jié)構(gòu)都處于一定的散熱條件下,故實際的最高溫升一般都小于絕熱溫升。根據(jù)已施工的許多大體積混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場實測升溫、降溫數(shù)據(jù)資料,經(jīng)過統(tǒng)計整理分析后得出:凡
18、混凝土結(jié)構(gòu)厚度在1.8m以下,在計算最高溫升值時,可以忽略水灰比、單位用水量、澆筑工藝及澆筑速度等次要因素的影響,而只考慮單位體積水泥用量及混凝土澆筑溫度這兩個主要影響因素,以簡便的經(jīng)驗公式進行計算。工程實踐證明,其精確程度完全可以滿足指導施工的要求,其計算值與實測值的相對誤差較小。 土建工程大體積混凝土最高溫升值,可按下式計算: Tmax=t0+Q/10 (3-2) Tmax= t0+Q/10+F/50 (3-3) 式中Tmax混凝土內(nèi)部的最高溫升值(); t0混凝土澆筑溫度(),在計算時,在無氣溫與澆筑溫度的關(guān)系值時,可采用計劃澆筑日期的當?shù)匮骄鶜鉁?); Q每立方米混凝土中水泥的用量(
19、kg/m3),上述兩公式適用于425礦渣硅酸鹽水泥,如使用525水泥時,建議用Q10×1.11.2;使用325水泥時,建議采用Q10×0.900.95;F每立方米混凝土中粉煤灰的用量(kg/m3)。(三)水化熱實測升降溫曲線 為快速掌握大體積鋼筋混凝土在硬化過程中的溫度變化情況,有利于施工中控制裂縫的開展,工程技術(shù)人員對有關(guān)工程在不同季節(jié)、不同厚度的混凝土的水化熱進行了施工全過程的跟蹤和實測,統(tǒng)計整理后得出混凝土中心部位的水化熱升降溫曲線如圖33所示。 設(shè)Tmax為混凝土內(nèi)部最高溫升,tmax為達到混凝土內(nèi)部最高溫度的時間。從圖33中可以查得: A曲線:2.6m厚,夏季施工
20、時,測溫曲線的Tmax60.8,tmax3d; B曲線:1.3m厚, 夏季施工時,測溫曲線的Tmax39.1, tmax 3d,摻粉煤灰; C曲線:2.6m厚,冬季施工時,測溫曲線的Tmax31.4, tmax5.5d D曲線:1.3m厚,冬季施工時,測溫曲線的Tmax22.3, tmax3d; E曲線:2.5m厚,夏季施工時,測溫曲線的Tmax52.0,tmax3d; F曲線:4.95m厚,秋季施工時,測溫曲線的Tmax64.4,tmax 7d; G曲線:0.5m厚,冬季施工時;測溫曲線的Tmax17.0, tmax2d; H曲線:0.5m厚,夏季施工時,測溫曲線的Tmax38.0, tma
21、x 15d。從圖33也可以得出:相同的厚度;在不同的施工季節(jié)混凝土內(nèi)部的最高溫度是不同的,冬季僅為夏季的4555。根據(jù)以上所示的水化熱升降溫曲線,可直接用于相似工程的控制裂縫開展的計算工作中,求得近似解答。二、溫度應(yīng)力的計算(一)計算溫度應(yīng)力的基本假定 高層建筑基礎(chǔ)工程中的大體積混凝土,其幾何尺寸、一次澆筑混凝土量等,都有遠比混凝土大壩小,與混凝土大壩相比,其具有以下特點: (1)混凝土的強度級別較高,水泥用量較多,因此在凝結(jié)硬化中收縮變形也較大; (2)高層建筑基礎(chǔ)工程一般為配筋結(jié)構(gòu),并且配筋率較高,抗不均勻沉降的受力鋼筋的配筋率在0.5以上,如此配筋對控制裂縫十分有利; (3)由于高層建筑
22、基礎(chǔ)工程的幾何尺寸并不是太大,水化熱溫升較快,降溫散熱亦較快,因此,降溫與收縮的共同作用是引起混凝土開裂的主要因素。 (4)工業(yè)與民用建筑的地基一般比壩基弱,因此,地基對混凝土底部的約束也比壩基弱,地基是屬于非剛性的; (5)控制裂縫的方法不必像壩體混凝土那樣,即不必采用特制的低熱水泥和復雜的冷卻系統(tǒng),而主要是依靠合理配筋、改進設(shè)計、采取合理的澆筑方案和澆筑后加強養(yǎng)護等措施,以提高結(jié)構(gòu)的抗裂性,避免引起過大的內(nèi)外溫差而出現(xiàn)裂縫。根據(jù)高層建筑基礎(chǔ)工程大體積混凝土的五大特點,這類結(jié)構(gòu)所承受的溫差和收縮,可以認為是均勻溫差和均勻收縮,因此外約束應(yīng)力是引起其裂縫的主要原因。(二)溫度應(yīng)力計算 澆筑在非
23、剛性基底上的大體積混凝土,其溫度應(yīng)力計算公式根據(jù)理論推導得出: xmax = - ET (3-4) 如考慮混凝土徐變引起的應(yīng)力松弛,將拉應(yīng)力取為正值,則混凝土由收縮引起的最大溫度應(yīng)力為: xmax(t) = ET S(t) (3-5) 式中 E混凝土一定齡期時的彈性模量; 混凝土的線膨脹系數(shù); T結(jié)構(gòu)計算溫差; L結(jié)構(gòu)長度; = 式中,Cx為阻力系數(shù),軟粘土為001003N/mm2。 砂質(zhì)粘生為0.O30.06Nmm2;堅硬粘土為0.060.10Nmm2;風化巖石及低強度等級的素混凝土為060100Nmm2;C10以上的配筋混凝土為100150Nmm2。 采用樁基時,樁對結(jié)構(gòu)變形亦有約束,所以
24、除去地基的阻力系數(shù)外,尚需增加單位面積地基上樁的阻力系數(shù)Cx:式中F每根樁分擔的地基面積(mm2); Q樁產(chǎn)生單位位移所需的水平力(Nmm)。當樁與結(jié)構(gòu)鉸接時: Q = 2EI當樁與結(jié)構(gòu)固接時: Q = 4EI式中 Kn地基水平側(cè)移剛度 (1×10-2Nmm3); E樁的彈性模量(Mpa); I樁的慣性矩(mm4); D被的宜徑或邊長(mm); H結(jié)構(gòu)厚度; S(t)應(yīng)力松弛系數(shù)。 混凝土結(jié)構(gòu)在荷載(應(yīng)力)作用下,不僅產(chǎn)生彈性變形;隨著時間的延續(xù)還會產(chǎn)生非彈性變形,即徐變。徐變引起應(yīng)力松弛,對防止混凝土開裂有利,因此在計算混凝土溫度應(yīng)力時應(yīng)考慮應(yīng)力松弛的影響。松弛與加荷時混凝土的齡期
25、有關(guān),還與應(yīng)力作用時間長短有關(guān)。 計算應(yīng)力松弛系數(shù)的方法有下列兩種: (1)只考慮荷載持續(xù)時間、忽略混凝土齡期影響的松弛系數(shù)(簡化計算時應(yīng)用)。其值見表3-2。(2)考慮荷載持續(xù)時間和混凝土齡期影響的松弛系數(shù)。見表3-3。 上式適用于H/L020、一維約束的大體積混凝土結(jié)構(gòu)(即長條形、另一方面寬度較小忽略其約束作用)。對二維約束的結(jié)構(gòu),其最大溫度應(yīng)力計算公式為 xmax(t) = ET S(t) (3-6)式中,v為泊桑比,一般取0.15。 式(3-5)、(3-6)中的E,T,S(t),都是隨齡期t變化的變量,計算溫度應(yīng)力時,應(yīng)分別算出不同齡期時的Ei(t),T i(t),S(t)i,進而算出
26、相應(yīng)溫差區(qū)段(一般取23d)內(nèi)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力i,而后累加即將最大溫度應(yīng)力xmax(t) 。為此,在計算混凝土最大溫度應(yīng)力時,首先要確定E,T的數(shù)值。一定齡期時的混凝土彈性模量E(t),可按下式計算: E(t) = E0(1-e-0.09t) (37)式中 E(t)一定齡期時的混凝土彈性模量(MPa); E0齡期為28d時的混凝土彈性模量(MPa); t混凝土的齡期(d)。結(jié)構(gòu)計算溫差T,按下式計算: T = Tm + Ty(t) (38) 式中 Tm各齡期混凝土的水泥水化熱降溫溫差(); Ty(t)各齡期的混凝土的收縮當量溫差()。在上式中,為了便于將混凝土降溫產(chǎn)生的溫度應(yīng)力與水泥水化過程中因
27、拌合水蒸發(fā)、碳化等原因引起混凝土收縮而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力用同一計算公式進行計算,因而將混凝土各齡期的收縮量轉(zhuǎn)換為收縮當量溫差。當降溫時間不太長時,混凝土的水泥水化熱降溫溫差與混凝土的水泥水化熱升溫相似,可以近似地以計算混凝土澆筑后因水泥水化熱的升溫值來確定水泥水化熱降溫溫差Tm?;炷烈蛩嗨療嵋鸬脑诮孛嫔系臏厣植既缫粧佄锞€,混凝土結(jié)構(gòu)表面因水泥水化熱升高的溫度值為T2,混凝土內(nèi)部因水泥水化熱而平均升高的溫度但為T1,而Tm為 Tm = T2 + (T1 - T2)/2 (39) 工程實測證明,大體積混凝土結(jié)構(gòu)因水泥水化熱所引起的溫升,并非“絕熱溫升”,而屬“非絕熱溫升”,在混凝土的水化熱溫
28、升過程中,結(jié)構(gòu)與外界環(huán)境接觸,還存在著一定的散熱條件,因此,人值要按“非絕熱溫升”進行計算。由于混凝土結(jié)構(gòu)的散熱邊界條件比較復雜,要準確計算“非絕熱溫升”較困難,從工程應(yīng)用角度出發(fā),也沒有必要精確計算。一般可用以下兩種方法求混凝土內(nèi)部因水化熱而升高的平均溫度值T1值。1計算法當大體積混凝土的澆筑溫度與外界氣溫相等時,混凝土內(nèi)部各點因水泥水化熱升高的溫度T和平均升高溫度值T1,可按下式計算:T= (3-10)T1 = (3-11)式中 h混凝土的厚度(m); 混凝土的導熱系數(shù)(熱擴散系數(shù))(m3d),與骨料種類和用量有關(guān),參見表35; n水泥水化熱散完的天數(shù)(d); t混凝土齡期(d); Qc每
29、立方米混凝土中的水泥用量(kym3); W每kg水泥的水化熱(KJ/kg),參見表31; C混凝土的比熱(097kJ/kg·k); 混凝土的密度(取2400kg/m3); e常數(shù),e271828; m隨混凝土澆筑溫度、水泥品種等而異的系數(shù),見表3-4。式中,n=1,3,5,為一級數(shù),由于其收斂很快,計算時只取前兩項即可。如果混凝土的澆筑溫度巧與當時的氣溫Tq不相等時,則存在初始溫差,在計算T1時還要疊加上由于初始溫差而引起的平均溫差T3,T3可用下式計算: T3 = (3-12)式中 T3混凝土的澆筑溫度(); Tq僥筑時的大氣溫度()。其他符號同式(3-11)。2圖表法工程實踐證明
30、,在“非絕熱溫升”情況下,散熱的快慢與混凝土結(jié)構(gòu)的厚度有關(guān),一般符合“厚者散熱慢,薄者散熱快”的規(guī)律。試驗表明:當結(jié)構(gòu)的厚度h5m時,大體積混凝土結(jié)構(gòu)的實際溫升T1,基本接近其絕熱溫升Th。 根據(jù)中國水利水電研究所的試驗資料,不同的結(jié)構(gòu)厚度,在“非絕熱溫升”狀態(tài)下,混凝土水泥水化熱的溫升(T1)與其絕熱溫升的數(shù)值Th之比,如表3-6中所示。各齡期不同厚度結(jié)構(gòu)的水化熱溫升與絕熱溫升的關(guān)系,如圖3-4所示。從圖3-4中可以看出,結(jié)構(gòu)的厚度愈薄,水化熱溫升階段則愈短,溫度峰值出現(xiàn)較早,也很快即產(chǎn)生降溫。結(jié)構(gòu)的厚度愈厚,水化熱 溫升時間愈長,溫度峰值出現(xiàn)較晚,并且持續(xù)時間較長。 另外混凝土的水化熱溫升
31、還與外界氣溫有密切關(guān)系。外界氣溫愈高,水化熱溫升階段愈短,溫度峰值出現(xiàn)的時間愈早,而且持續(xù)的時間愈長。這是由于氣溫影響水泥水化反應(yīng)速度,氣溫高不易向外散熱的原因。 只要求得T1Th的比值后,即可由和Th求得混凝土內(nèi)部平均升高的溫度值T1?;炷两Y(jié)構(gòu)表面的水化熱溫升T2,主要與溫度場的變化有關(guān),即受到外界氣溫、養(yǎng)護方法、結(jié)構(gòu)厚度等的影響。混凝土內(nèi)部的溫度場分布,可用下式表示:Tx(t)= Tq + 4x(h-x)T(t) (3-13)式中 Tx(t)齡期c時計算厚度s處的混凝土溫度(); Tq齡期t時大氣的溫度(); H混凝土結(jié)構(gòu)的計算厚度(m) H = h+2h h混凝土結(jié)構(gòu)的虛厚度(m);
32、h溫凝土結(jié)構(gòu)的實際厚度(m); T(t) 干齡期G時混凝土結(jié)構(gòu)中心溫度與外界氣溫之差()。 式(3-13)中的混凝土結(jié)構(gòu)的虛厚度h,是傳熱學上的一個概念,即從混凝土結(jié)構(gòu)真實邊界向外延伸一個虛擬厚度h從而得到一個虛邊界,在此虛邊界上,結(jié)構(gòu)表面溫度等于外界介質(zhì)溫度。結(jié)構(gòu)的虛厚度h,與混凝土的導熱、表面保溫情況等有關(guān): h=K (3-14)式中 混凝土導熱系數(shù)(可取2.33W/m·k); 混凝土表面模板及保溫層等的傳熱系數(shù)(W/m2·k); K拆減速系數(shù)(可取0666)。 = (3-15)式中 各種保溫材料(包括模板)的厚度(m); 各種保溫材料的導熱系數(shù)(Wm
33、3;K),參見表3-7; 空氣層的傳熱系數(shù)(23Wm2·K)。在式(3-13)中,當x= h時、即可求得記凝土結(jié)構(gòu)的表面溫度T2: T2 = Tq + 4 h (H- h)T(t) /H (3-16) 由式(3-11)或查表3-6求得T1,由式(3-16)可求得T2,然后代入式Tm = T2 + (T1 - T2)/2 ,即可求得各齡期混凝土的水化熱降溫溫差Tm值。 為求得混凝土的水泥水化熱的溫升值,需要進行比較繁瑣的計算,也易出現(xiàn)計算錯誤。在這方面,王鐵夢同志經(jīng)過現(xiàn)場實際測溫及統(tǒng)計整理,在其所著的建筑物的裂縫控制一書中,提供了表3-8所示的水化熱溫升值Tm,供同類工程參考。如果實際
34、工程的條件不符合上述(表3-8)適用條件時,求得的溫升值Tm,再乘以表39中的修正系數(shù)?;炷粮鼾g期收縮當量溫差Ty(t),可按下式計算: Ty(t) = (3-17)式中 混凝土各齡期的收縮值; 混凝土的線膨脹系數(shù)。 (318)式中 標準狀態(tài)下混凝土的極限收縮值。所謂標準狀態(tài),系指用325普通水泥;標準磨細度;骨料為花崗巖碎石;水灰比為040;水泥漿含量為20;混凝土用振動搗實;自然養(yǎng)護硬化;試件截面為凹20cm×20cm(截面水力半徑的倒數(shù)); 測定收縮前濕養(yǎng)護7d;空氣相對濕度為50; b經(jīng)驗系數(shù),一般取0.1; t混演土的齡期(d); M1水泥品種修左系數(shù); M2水泥細庫修正
35、系數(shù); M3骨科品種修正系數(shù); M4水灰比修正系數(shù); M5水泥漿量修正系數(shù); M6養(yǎng)護條件修正系數(shù); M7環(huán)境相對濕度修正系數(shù); M8構(gòu)件尺寸修正系數(shù); M9混凝土搗實方法修正系數(shù); M10配筋率的修正系數(shù)。 M1-M10各修正系數(shù)的具體數(shù),如表310所示。 將Tm和Ty(t)計算的結(jié)果代入式TTm + Ty(t),即可求得結(jié)構(gòu)計算溫差T值。(三)最大整澆長度的計算最大整澆長度的計算即伸縮縫間距計算。根據(jù)上述的一系列計算,存在外約束的大體積混凝土結(jié)構(gòu),其變形與溫度應(yīng)力直接有關(guān)。當溫度應(yīng)力max, 接近混凝土的極限抗拉強度fl時,混凝土的拉伸變形也將接近其極限拉伸變形。即max f1時, ,所以
36、 f1=E由式(3-4)可知 max = E 故 E 即 故最大整澆長度 Lmax = 式中 arch反雙曲余弦函數(shù); 其他符號的意義均同前。 由于T為正值(升溫)時,為負值(壓應(yīng)變);T為負值(降溫)時,為正值(拉應(yīng)變),所以與T恒為異號。用絕對值表示上式,則: Lmax = arch (3-19) 由式(3-19)可以看出,計算溫差T與混凝土極限拉伸值之間的關(guān)系非常重要,一般情況下大于,分數(shù)則為正值,兩者的差值越大,整個分數(shù)則越小,即最大整澆長度越短;反之,兩者的差值越小,整個分數(shù)則越大,即最大整澆長度越長。如果值越趨近于無限大,則arch(趨向無限大),這就表示最大整澆長度可趨向無限大,
37、也表明在任何情況下都可以整澆。由此可見,降低結(jié)構(gòu)計算溫差和提高混凝土的極限拉伸變形,對延長最大整澆長度是十分重要的。 式(3-19)是按混凝土的極限拉伸推導出來的,即按水平拉應(yīng)力max f1=E導出的最大整澆長度。這種狀態(tài)可以看作是當最大溫度應(yīng)力接近混凝土抗拉強度、而混凝土結(jié)構(gòu)尚未開裂的最大整澆長度。一旦混凝土結(jié)構(gòu)在最大應(yīng)力處(即結(jié)構(gòu)中間)開裂,使結(jié)構(gòu)成為兩塊,此時最大溫度應(yīng)力則遠小于混凝土的抗拉強度。這種情況下的整澆長度就比式(319)求出的值小了一半,這時的整澆長度稱為最小整澆長度,Lmax可按下式計算: Lmin = Lmax /=arch (320) 計算中應(yīng)當采用兩者的平均值,即以平
38、均的整澆長度Lcp為控制整澆長度的依據(jù),如結(jié)構(gòu)的實際長度超過Lcp,則表示澆筑混凝土時必須設(shè)置伸縮縫或后澆帶。由此可見,伸縮縫的間距可以Lcp為控制,若小于或等于Lcp就可整體澆筑。平均整澆長度Lcp,可按下式計算: Lcp = (Lmax + Lmin)/2 = 1.5arch (3-21)式中 混凝土的線膨脹系數(shù); T結(jié)構(gòu)計算溫差; 混凝土的極限拉伸值; E混凝土的彈性模量; H混凝土結(jié)構(gòu)的厚度; CX阻力系數(shù)。 式中的E和T值,可按式E(t)=E0(1-e-0.09t), TTm + Ty(t)計算。混凝土的極限拉伸值,由瞬時極限拉伸值和徐變變形兩部分組成:= (322)式中 混凝土的極
39、限拉伸值; 混凝土的瞬時極限拉伸值; 混凝土的徐變變形。值的離散性很大,影響因素很多,特別是與施工質(zhì)量的關(guān)系很大;值與溫差、收縮變形速度有關(guān),一般情況下,的值基本與值相等,所以在計算時可取為兩倍的,為保證安全,一般可取1.5。 混凝土的瞬時極限拉伸值,不僅與施工質(zhì)量有關(guān);而且還與混凝土的齡期、配筋情況有關(guān),適當配置鋼筋能提高混凝土的瞬時極限拉伸值。工程實踐證明,合理地配置一定量的鋼筋,無論是對于溫度應(yīng)力作用下的結(jié)構(gòu)還是對于收縮應(yīng)力作用下的結(jié)構(gòu),都能有效地提高其抗裂能力。 在考慮齡期和配筋的影響后,混凝土的瞬時極限拉伸值可按下式計算 (t)=5fl(1+ )10-5 (323)式中 fl混凝土的
40、抗拉強度設(shè)計值(Mpa); 配筋率(%); d鋼筋直徑(cm); t混凝土的齡期(d)。 (四) 其他各種情況下溫度應(yīng)力和整澆長度的計算混凝土結(jié)構(gòu)不滿足HL02的條件、或其他斷面的結(jié)構(gòu),用以上的公式來計算其溫度應(yīng)力和整澆長度,顯然是不符合實際的,必須根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點尋求科學合理方法。 1HL0.2的結(jié)構(gòu) 由收縮引起的最大溫度拉應(yīng)力max(t) = -ET S(t) 、平均澆筑長度Lcp = 1.5arch計算公式,僅適用于HL02條件下混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力和整繞長度的計算。在HL02的情況下,采用了均勻溫差和均勻收縮的基本假定,工程計算中的誤差是可以忽略不計的。但是,對于一些厚板、墻體等混凝土結(jié)
41、構(gòu),其高長比(HL)遠大于0.2,其內(nèi)部的應(yīng)力也會變得很不均勻,不符合均勻受力的基本假定;上述計算公式將不適用。 混凝土結(jié)構(gòu)的最大約束應(yīng)力在約束邊,離開約束邊向上一點距離即迅速衰減,因此,約束作用的影響范圍只限于約束邊的附近,類似于彈性理論中的“邊緣干擾問題”,如圖3-5所示。根據(jù)試驗研究表明,半無限長墻體的邊緣干擾范圍約為(038046)L。為簡化計算,可將邊緣干擾范圍(即溫度應(yīng)力衰減至零處的高度)定為0.40L。溫度應(yīng)力沿墻高(H)的衰減,符合以下指數(shù)函數(shù): (3-24) 式中 L結(jié)構(gòu)底邊的長度; max最大溫度應(yīng)力; m與高長比有關(guān)的系數(shù),參見表3-11。 為能將上述兩計算公式用于HL0
42、2的堵體,可以進行簡化處理,即把不同高長比并承受不均勻的彈性約束墻體,按照等效的原理,用一承受均勻應(yīng)力的“計算墻體”來代替?!坝嬎銐w”的均勻應(yīng)力值取不均勻應(yīng)力的最大值(約束邊外的應(yīng)力值)。如此計算,“計算墻體”的設(shè)計必然低于不均勻受力的實際墻體高度。按內(nèi)力相等的原理,可以計算出“計算墻體”的計算高度如圖3-6所示。 這樣簡化后,上述的有關(guān)計算公式,只要用代替H,都可用于HL02的混凝土板和墻體,“計算墻體”的計算高度及,可用式(3-25)計算: = (3-25)按式(325)計算得出的不同高長比墻體的計算高度,大致在(0.150.20)L之間。為簡化計算,對于一切HL02的混凝土厚板和墻體,
43、可以一律采用計算高度=0.20L。2其他斷面的結(jié)構(gòu)對于其他斷面的混凝土結(jié)構(gòu),通過理論計算可以證明,只要將值變化后則上述各計算公式都可用來計算其溫度應(yīng)力和最大整澆長度。(1)箱形斷面結(jié)構(gòu)混凝土箱形基礎(chǔ),分為單孔和雙孔兩種(如圖3-7所示)。這種結(jié)構(gòu)與長條板相似,前面的計算公式可采用,但需要計算出其新的值。此種情況的值可由下列公式計算:單孔 = (3-26)雙孔 = (3-27) 如果箱形斷面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)底板先期澆筑,而側(cè)墻和頂板后期澆筑(如圖38所示),此時側(cè)墻和頂板同時收縮,但要受到基礎(chǔ)底板的約束。這種情況應(yīng)將溫凝土基礎(chǔ)底板當作加強地基,阻力系數(shù)Cx值應(yīng)予以提高,計算時只改變值即可。此種情況的值
44、,可用下列公式計算: 單孔 = (3-28)雙孔 = (3-29)(2)箱形斷面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)和側(cè)墻已澆筑,后期澆頂板,如圖3-9所示。此種情況,側(cè)墻壁成為頂板的“地基”,在應(yīng)用長條板計算公式時,只要改變值即可。值可用下式計算:= (3-30)式中,b為頂板的有效高度,有兩個側(cè)墻時b=b/2;有三個側(cè)墻時b=b/4;其他符號同前。3.3 防止混凝土溫度裂縫的技術(shù)措施工程上常用的防止混凝土裂縫的措施主要有: 采用中低熱的水泥品種; 降低水泥用置; 合理分縫分塊; 摻加外加料; 選擇適宜的骨料; 控制混凝土的出機溫度和澆筑溫度; 預埋水管、通水冷卻,降低混凝土的最高溫升; 表面保護、保溫隔熱;采取防止
45、混凝土裂縫的結(jié)構(gòu)措施等。在結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計與施工中,對于大體積混凝土結(jié)構(gòu),為防止其產(chǎn)生溫度裂縫,除需要在施工前進行認真計算外;還要做到在施工過程中采取有效的技術(shù)措施,根據(jù)我國的施工經(jīng)驗應(yīng)著重從控制混凝土溫升、延緩混凝土降溫速率、減少混凝土收縮、提高混凝土極限拉伸值、改善混凝土約束程度、完善構(gòu)造設(shè)計和加強施工中的溫度監(jiān)測等方面采取技術(shù)措施。以上這些措施不是孤立的,而是相互聯(lián)系、相互制約的,施工中必須結(jié)合實際、全面考慮、合理采用,才能收到良好的效果。一、水泥品種選擇和用量控制 大體積混凝土結(jié)構(gòu)引起裂縫的主要原因是:混凝土的導熱性能較差,水泥水化熱的大量積聚,使混凝土出現(xiàn)早期溫升和后期降溫現(xiàn)象。因此,
46、控制水泥水化熱引起的溫升,即減小降溫溫差,對降低溫度應(yīng)力、防止產(chǎn)生溫度裂縫能起到釜底抽薪的作用。 1選用中熱或低熱的水泥品種 混凝土升溫的熱源是水泥水化熱,選用中低熱的水泥品種,是控制混凝土溫升的最基本方法。如425的礦渣硅酸鹽水泥,其3d的水化熱為l80kJkg,而425的普通硅酸鹽水泥,其3d的水化熱卻為250kJkg;425的火山灰硅酸鹽水泥,一般3d內(nèi)的水化熱僅為同標號普通硅酸鹽水泥的60。 2充分利用混凝土的后期強度 根據(jù)大量的試驗資料表明,每立方米混凝土中的水泥用量,每增減噸,其水化熱將使混凝土的溫度相應(yīng)升降1。一方面在滿足混凝土溫度和耐久性的前提下,盡量減少水泥用量嚴格控制每立方
47、米混凝土水泥用量不超過400kg;另一方面可根據(jù)結(jié)構(gòu)實際承受荷載的情況,對結(jié)構(gòu)的強度和剛度進行復算,并取得設(shè)計單位、監(jiān)理單位和質(zhì)量檢查部門的認可后,采用f45,f60或f90替代f28作為混凝土的設(shè)計強度,這樣可使每立方米混凝土的水泥用量減少4070kg左右,混凝土的水化熱溫升相應(yīng)降低47。結(jié)構(gòu)工程中的大體積混凝土,大多采用礦渣硅酸鹽水泥,其熟料礦物含量比硅酸鹽水泥的少得多,而且混合材料中活性氧化硅、活性氧化鋁與氫氧化鈣、石膏的作用,在常溫下進行緩慢,早期強度(3d,7d)較低,但在硬化后期(28d以后),由于水化硅酸鈣凝膠數(shù)量增多,使水泥石強度不斷增長,最后甚至超過同標號的普通硅酸鹽水泥,對
48、利用其后期強度非常有利。二、摻加外加料在混凝土中摻入一些適宜的外加料,可以便混凝土獲得所需要的特性,尤其在泵送混凝土中更為突出。泵送性能良好的混凝土拌和物應(yīng)具備三種特性:在輸送管壁形成水泥漿或水泥砂漿的潤滑層,便混凝土拌和物具有在管道中順利滑動的流動性;為了能在各種形狀和尺寸的輸送管內(nèi)順利輸送,混凝土拌合物要具備適應(yīng)輸送管形狀和尺寸的變化的變形性;為在泵送混凝土施工過程中不產(chǎn)生離析而造成堵塞,拌和物應(yīng)具備壓力變化和位置變動的抗分離性。由于影響泵送混凝土性能的因素很多,如砂石的種類、品質(zhì)和級配、用量、砂率、坍落度、外摻料等。因此,為了滿足混凝土具有良好的泵送性,在進行混凝土配合比的設(shè)計中,不能用
49、單純增加單位用水量方法,這樣不僅會增加水泥用量,增大混凝土的收縮而且還會使水化熱升高,更容易引起裂縫。工程實踐證明,在施工中優(yōu)化混凝土級配;摻加適宜的外加料,以改善混凝土的特性,是大體積混凝土施工中的一項重要技術(shù)措施?;炷林谐S玫耐饧恿现饕峭鈸絼┖屯鈸搅稀?1摻加外摻劑 大體積混凝土中摻加外摻劑主要是木質(zhì)素磺酸鈣(簡稱木鈣)。木質(zhì)素磺酸鈣,屬陰離子表面活性劑,它對水泥顆粒有明顯的分散效應(yīng),并能使水的表面張力降低。因此,在泵送混凝土中摻入水泥重量的0.20.3木鈣,它不僅能使混凝土的和易性有明顯的改善,而且可減少10左右的拌和水,混凝土28d的強度提高10以上:若不減少拌和水,坍落度可提高1
50、0cm左右;若保持強度木變,可節(jié)約水泥10,從而可降低水化熱。2摻加外摻料 大量試驗資料表明,在混凝土中摻入一定量的粉煤灰后,除了粉煤灰本身的火山灰活性作用,在生成硅酸鹽凝膠,作為膠凝材料的一部分起增強作用外;在混凝土用水量不變的條件下,由于粉煤灰顆粒呈球狀并具有“滾珠效應(yīng)”,可以起到顯著改善混凝土和易性的效能;若保持混凝上拌和物原有的流動性不變,則可減少用水量,起到減水的效果,從而可提高混凝土的密實性和強度;摻入適量的粉煤灰,還可大大改善混凝土的可泵性,降低混凝土的水化熱。 大體積混凝土摻和粉煤灰分為“等量取代法”和“超量取代法”兩種。前者是用等體積的粉煤灰取代水泥的方法;但其早期強度(28d以內(nèi))也會隨摻入量增加而下降,所以對早期抗裂要求較高的工程,取代量應(yīng)非常慎重。后者是一部分粉煤灰取代等體積水泥,超量部分粉煤灰則取代等體積砂子,它不僅可獲得強度增加效應(yīng),而且可以補償粉煤灰取代水泥所降低的早期強度,從而保持粉煤灰摻入前后的混凝土強度等效。 粉煤灰在混凝土和砂漿中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程中規(guī)定:對用作摻合料的粉煤灰,按其品質(zhì)可分為,III級。級粉煤灰一般是用
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