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大体积混凝土,王加祥,目录,1 大体积混凝土定义和特点 1.1大体积混凝土的定义 1.1大体积混凝土的特点和使用 2 大体积混凝土的裂缝 2.1产生的原因 2.2裂缝的分类 3 大体积混凝土的裂缝控制工程措施 3.1大体积混凝土的构造措施 3.2大体积混凝土的配置 3.3 大体积混凝土的掺加剂措施 等 4 大体积混凝土的工程实例,1.0大体积混凝土定义,普通混凝土配合比设计规程（JGJ55-2000）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。 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。”,1.1大体积混凝土的使用和特点,水利工程的混凝土大坝 高层建筑的深基础底板 反应堆体 大型设备基础 其他重力底座结构物 结构厚实，混凝土量大，工程条件复杂（一般都是地下现浇钢筋混凝土结构），施工技术要求高，水泥水化热较大（预计超过25度），易使结构物产生温度变形。大体积混凝土除了最小断面和内外温度有一定的规定外，对平面尺寸也有一定限制。因为平面尺寸过大，约束作用所产生的温度应力也愈大，如采取控制温度措施不当，温度应力超过混凝土所能承受的拉力极限值时，则易产生裂缝。,烟囱基础大体积混凝,深基坑,基础底板,2 大体积混凝土的裂缝,2.1 大体积混凝土的产生 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。 引起裂缝的主要原因有以下几方面：,2.1大体积混凝土的裂缝的原因,1水泥水化热 水泥在水化过程中要释放出一定的热量，而大体积混凝土结构断面较厚，表面系数相对较小，所以水泥发生的热量聚集在结构内部不易散失。这样混凝土内部的水化热无法及时散发出去，以至于越积越高，使内外温差增大。单位时间混凝土释放的水泥水化热，与混凝土单位体积中水泥用量和水泥品种有关。 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。,2.1大体积混凝土的裂缝的原因,混凝土水化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。,2.1大体积混凝土的裂缝的原因,2、外界气温变化 大体积棍凝土结构在施工期间，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。,2.1大体积混凝土的裂缝的原因,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施。,2.1大体积混凝土的裂缝的原因,3、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。 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。 内约束： 结构内部各质点之间产生的约束。 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。,2.1大体积混凝土的裂缝的原因,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，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。 所以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。,2.1大体积混凝土的裂缝的原因,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。,2.1大体积混凝土的裂缝的原因,(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。,2.1大体积混凝土的裂缝的原因,但是干湿交替会引起混凝土体积的交替变化，这对混凝土是很不利的。 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。 影响混凝土收缩，主要是水泥品种、混凝土配合比、外加剂和掺合料的品种以及施工工艺（特别是养护条件）等。,2.2大体积混凝土的裂缝的分类,大体积混凝土内出现的裂缝按深度的不同，分为贯穿裂缝、深层裂缝及表面裂缝三种。 贯穿裂缝是由混凝土表面裂缝发展为深层裂缝，最终形成贯穿裂缝。它切断了结构的断面，可能破坏结构的整体性和稳定性，其危害性是较严重的； 深层裂缝部分地切断了结构断面，也有一定危害性； 表面裂缝一般危害性较小。 出现裂缝并不是绝对地影响结构安全，它都有一个最大允许值。处于室内正常环境的一般构件最大裂缝宽度0.3mm；处于露天或室内高湿度环境的构件最大裂缝宽度0.2mm。,2.2大体积混凝土的裂缝的分类,对于地下或半地下结构，混凝土的裂缝主要影响其防水性能。一般当裂缝宽度在0.10.2mm时，虽然早期有轻微渗水，但经过一段时间后，裂缝可以自愈。如超过0.20.3mm，则渗漏水量将随着裂缝宽度的增加而迅速加大。所以，在地下工程中应尽量避免超过0.3mm贯穿全断面的裂缝。如出现这种裂缝，将大大影响结构的使用，必须进行化学灌浆加固处理。,3大体积混凝土的裂缝控制工程措施,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，综合控制。 3.1 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,3.1 设计构造措施,（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。 等,3.2 大体积混凝土的配制,大体积混凝土所选用的原材料应注意以下几点： 1、粗骨料宜采用连续级配，细骨料宜采用中砂。 2、外加剂宜采用缓凝剂、减水剂；掺合料宜采用粉煤灰、矿渣粉等。 3、大体积混凝土在保证混凝土强度及坍落度要求的前提下，应提高掺合料及骨料的含量，以降低单方混凝土的水泥用量。 4、水泥应尽量选用水化热低、凝结时间长的水泥，优先采用中热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、大坝水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等。,但是，水化热低的矿渣水泥的析水性比其它水泥大，在浇筑层表面有大量水析出。这种泌水现象，不仅影响施工速度，同时影响施工质量。因析出的水聚集在上下两浇筑层表面间，使混凝土水灰比改变，而在掏水时又带走了一些砂浆，这样便形成了一层含水量多的夹层，破坏了混凝土的粘结力和整体性。混凝土泌水量的大小与用水量有关，用水量多，泌水量大；且与温度高低有关，水完全析出的时间随温度的提高而缩短；此外，还与水泥的成分和细度有关。所以，在选用矿渣水泥时应尽量选择泌水性的品种，并应在混凝土中掺入减水剂，以降低用水量。在施工中，应及时排出析水或拌制一些干硬性混凝土均匀浇筑在析水处，用振捣器振实后，再继续浇筑上一层混凝土。,3.2 大体积混凝土的配制措施,大体积混凝土的配制措施的一些具体参数和与其功用。 （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。 (4）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。,3.3 大体积混凝土的掺加剂措施,3.3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。,(2)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。 (3) 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。,3.4 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。,3.5 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力，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。,3.6 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。,4大体积混凝土的工程实例,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。,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。 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。,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2309.5m、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。,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76万吨。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