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高等教育自学考试高等教育自学考试 毕业论文毕业论文 论文题目论文题目:浅谈大体积混凝土裂缝浅谈大体积混凝土裂缝 产生原因及防裂措施产生原因及防裂措施 专专 业:业: 建建 筑筑 工工 程程 年年 级:级: 0808 建建 筑(筑(2 2)班)班 姓姓 名:名: 王王 澎澎 湃湃 指导教师:指导教师: 吴吴 浙浙 文文 答辩时间:答辩时间: 2012 年 5 月 26 日 2 摘 要 本文分析了大体积混凝土产生裂缝的原因;概括介绍了防止裂缝发生的措施,可在 工程实践中参考应用。近年来,随着国民经济和建筑技术的发展,建筑规模不断扩大, 大型现代化技术设施或构筑物不断增多,而混凝土结构以其材料廉价物美、施工方便、 承载力大、可装饰强的特点,日益受到人们的欢迎,于是大体积混凝土逐渐成为构成大 型设施或构筑物主体的重要组成部分。所谓大体积混凝土,一般理解为尺寸较大的混凝 土,美国混凝土学会给出了大体积混凝土的定义:任何现浇混凝土,其尺寸达到必须解 决水化热及随之引起的体积变形问题,以最大限度的减少开裂影响的,即称为大体积混 凝土。这就提出了大体积混凝土开裂的问题,开裂问题是在工程建设中带有一定普遍性 的技术问题,裂缝一旦形成,特别是基础贯穿裂缝出现在重要的结构部位,危害极大, 它会降低结构的耐久性,削弱构件的承载力,同时会可能危害到建筑物的安全使用。所 以如何采取有效措施防止大体积混凝土的开裂,是一个值得关注的问题。 关键字:大体积混凝土 裂缝 温度 水化热 降温管 水泥 3 Abstract This paper analyzes the reasons for the mass concrete cracks; overview of measures to prevent cracks occur, refer to the application in engineering practice.In recent years, with the development of national economy and building technology, building scale expanding, growing number of large modern technical facilities or structures, concrete structure with its cheap poor quality of material, convenient construction, large carrying capacity can be decorative features, the growing welcomed by the people, so the mass concrete is becoming an important part to constitute the major facilities or structures subject. So-called mass concrete, the general understanding for the larger size of the concrete, American Concrete Institute has given the definition of a large volume of concrete: any in-situ concrete, its size is reached to solve the heat of hydration and the consequent volume deformation, with the greatest limits to reduce cracking impact, known as mass concrete. This raises the problem of mass concrete cracking, the cracking problem is with a certain universality of the technical problems in engineering construction, cracks, once formed, in particular the base runs through the cracks to appear in important parts of the structure, and great harm, it will reduce the the durability of the structure, weakening the bearing capacity of the component, at the same time likely to endanger the safe use of the building. How to take effective measures to prevent the cracking of mass concrete, is a matter of concern Keywords: heat of hydration of the cracks in mass concrete temperature cooling tube of cement 4 目目 录录 1 1、大体积混凝土裂缝形成的原因、大体积混凝土裂缝形成的原因 4 11 结构型裂缝 4 12 材料型裂缝 5 2 2、防止裂缝的措施、防止裂缝的措施 7 21 设计措施 7 22 原材料的选择 8 23 加入外加剂 9 24 采用合理的施工方 法10 25 浇筑时温度控 制11 26 混凝土汽化热的计 算12 27 大体积混凝土温差监 测14 28 合理布置冷却管 15 29 做好表面隔热保护 16 210 养护 17 5 211 通水冷却 17 3 3、小结、小结 17 参考文献 18 致谢 19 1、大体积混凝土裂缝形成的原因 裂缝产生的原因可分为两类:一是结构型裂缝,是由外荷载引起的,包括常规结构 计算中的主要应力以及其他的结构次应力造成的受力裂缝。二是材料型裂缝,是由非受 力变形变化引起的,主要是由温度应力和混凝土的收缩引起的。其中具体原因如下。 1. 1 结构型裂缝 (1)结构受荷 在施工中和使用中由于结构受荷都可能出现裂缝。例如早期受震、构件堆放、运输、 吊装时的垫块或吊点位置不当、施工超载、张拉应力值过大等均可能产生裂缝。而最常 见的是钢筋混凝土梁、板等受弯构件,在使用荷载作用下往往出现不同程度的裂缝。普 通钢筋混凝土构件在承受了 30-40%的设计荷载,就可能出现裂缝,肉眼一般不能察觉, 而构件的极限破坏荷载往往都在设计荷载的 1.5 倍以上。所以在一般情况下钢筋混凝土 6 构件是允许带裂缝工作的(这类裂缝也称为无害裂缝) 。在钢筋混凝土设计规范中,分别 不同情况规定裂缝的最大宽度为 0.2-0.3mm,对那些宽度超过规范规定的裂缝,以及不允 许开裂的构件上出现裂缝则是有害的,需加以认真分析,慎重处理。 (2)沉陷裂缝 结构下面的地基软硬不匀,或局部存在松软土,未经夯实和必要的加固处理,砼浇 筑后,地基局部产生不均匀沉降而产生裂缝。 结构各部荷载悬殊,未作必要的加强处理,砼浇筑后因地基受力不匀,产生不均匀 下沉,造成结构应力集中,而导致裂缝。 模板刚度不足,模板支撑不牢,支撑间距过大或支撑在松软土上,以及过早拆模, 也常导致不均匀沉降裂缝出现。 12 材料型裂缝 121 温度应力引起裂缝(温度裂缝) 目前温度裂缝产生主要原因是由温差造成的。温差可分为以下三种:混凝土浇注初 期,产生大量的水化热,由于混凝土是热的不良导体,水化热积聚在混凝土内部不易散 发,常使混凝土内部温度上升,而混凝土表面温度为室外环境温度,这就形成了内外温 差,这种内外温差在混凝土凝结初期产生的拉应力当超过混凝土抗压强度时,就会导致 混凝土裂缝;当混凝土内部达到最高温度后,热量逐渐散发而达到使用温度或最低温度, 它们与最高温度的差值就是内部温差;主要有表面温度裂缝和深进的和贯穿的温度裂缝 (1)表面温度裂缝,多由于温差较大引起的,大体积砼浇筑后,特别是砼基础,在 硬化期间水泥放出大量水化热,内部温度不断上升,使砼表面和内部温度较大,当温度 产生非均匀的降温差时,将导致砼表面急剧的温度变化而产生很大的拉应力,而砼早期 抗拉强度低,因而出现裂缝。 (2)深进的和贯穿的温度裂缝多由于结构降温差较大,受到外界的约束而引起的,当 大体积砼基础,墙体浇筑在坚硬地基或厚大的老砼垫层上时,没有采取隔离层等放松约 束的措施,如果砼浇筑时温度很高,加上水泥水化热的温升很大,使砼的温度很高,当 砼降温收缩,全部或部分的受到地基、砼垫层或其它外部结构的约束,将会在砼内部出 现很大的拉应力,产生降温收缩裂缝,这类裂缝较深,有时是贯穿性的,将破坏结构的 7 整体性,基础工程长期不回填,受风吹日晒或寒潮袭击作用,因温度变形受到约束,降 温时也常出现这类裂缝 1.22 冻胀裂缝 冬期施工砼结构、构件未保温、砼早期遭受冻结,将表面砼冻胀,解冻后,钢筋部 位变形仍不能恢复,而出现裂缝,剥落。 123 收缩引起裂缝 混凝土收缩的主要影响因素是混凝土中的用水量和水泥用量,混凝土中的用水量和 水泥用量越高,混凝土的收缩就越大。混凝土的收缩引起收缩裂缝有很多种,包括干燥 收缩、塑性收缩、自身收缩、碳化收缩等等。 (1)干燥收缩裂缝 混凝土硬化后,在干燥的环境下,混凝土内部的水分不断向外散失,引起混凝土由 外向内的干缩变形裂缝。 (2)塑性收缩裂缝 8 在水泥活性大、混凝土温度较高,或在水灰比较低的条件下会加剧引起开裂。因为 这时混凝土的泌水明显减少,表面蒸发的水分不能及时得到补充,这时混凝土尚处于塑 性状态,稍微受到一点拉力,混凝土的表面就会出现分布不均匀的裂缝,出现裂缝以后, 混凝土体内的水分蒸发进一步加大,于是裂缝进一步扩展。 (3)自身收缩裂缝 混凝土的逐渐散热和硬化过程引起的收缩,会产生很大的收缩应力,如果产生的收缩 应力超过当时的混凝土极限抗拉强度,就会在混凝土中产生收缩裂缝。自身收缩与干缩 一样,是由于水的迁移而引起。但它不是由于水向外蒸发散失,而是因为水泥水化时消 耗水分造成凝胶孔的液面下降,形成弯月面,产生所谓的自干燥作用,混凝土体的相对 湿度降低,体积减小。水灰比的变化对干燥收缩和自身收缩的影响正相反,即当混凝土 的水灰比降低时干燥收缩减小,而自身收缩增大。如当水灰比大于 0.5 时,其自干燥作 用和自身收缩与干缩相比小得可以忽略不计;但是当水灰比小于 0.35 时,体内相对湿度 会很快降低到 80%以下,自身收缩与干缩则接近各占一半。而且自身收缩中发生于混凝土 拌合后的初龄期,因为在这以后,由于体内的自干燥作用,相对湿度降低,水化就基本 上终止了。换句话说,在模板拆除之前,混凝土的自身收缩大部分已经产生,甚至已经 完成,而不像干燥收缩,除了未覆盖且暴露面很大的地面以外,许多构件的干缩都发生 在拆模以后,因此只要覆盖了表面,就认为混凝土不发生干缩 (4)碳化收缩裂缝 砼水泥砂浆中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳相互作用生成碳酸钙,引起表面体积 收缩,受到结构内部未碳化砼的约束,导致表面发生龟裂,在空气中相对湿度较小的干 燥环境中最为显著,有时在密闭不通风的地方,使用火炉加热,保温产生大量二氧化碳 ,使砼表面加快碳化,造成裂缝。 (5)凝缩裂缝 砼表面过度的抹平压光,使水泥和粗骨料过多地浮到表面,形成含水量很大的砂浆 层,它比下层砼有较大的干缩性能,水分蒸发后,产生凝缩而出现裂缝,有时在砼表面 撒干水泥压光也会产生这种裂缝。 9 2、防止大体积混凝土裂缝的措施 由以上分析,材料型裂缝主要是由温差和收缩引起,所以为了防止裂缝的产生,就要 最大限度的降低温差和减小混凝土的收缩,具体措施如下. 21 设计措施 (1)精心设计混凝土配合比。在保证混凝土具有良好工作性的情况下,应尽可能地降 低混凝土的单位用水量,采用“三低(低砂率、低坍落度、低水胶比)二掺(掺高效减 水剂和高性能引气剂)一高(高粉煤灰掺量)”的设计准则,生产出高强、高韧性、中 弹、低热和高极拉值的抗裂混凝土。 (2)增配构造筋提高抗裂性能。配筋应采用小直径、小间距。全截面的配筋率应在 0.3-0.5%之间。 (3)避免结构突变产生应力集中,在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施。 (4)在易裂的边缘部位设置暗梁,提高该部位的配筋率,提高混凝土的极限拉伸。 (5)在结构设计中应充分考虑施工时的气候特征,合理设置后浇缝,保留时间一般不 小于 60 天。如不能预测施工时的具体条件,也可临时根据具体情况作设计变更 22 原材料的选择 221 水泥 由于温差主要是由水化热产生的,所以为了减小温差就要尽量降低水化热,为了降 低水化热,要尽量采取早期水化热低的水泥,由于水泥的水化热是矿物成分与细度的函 数,要降低水泥的水化热,主要是选择适宜的矿物组成和调整水泥的细度模数,硅酸盐 水泥的矿物组成主要有:C3S、C2S、C3A 和 C4AF,试验表明:水泥中铝酸三钙(C3A)和 硅酸三钙(C3S)含量高的,水化热较高,所以,为了减少水泥的水化热,必须降低熟料 中 C3A 和 C3S 的含量。在施工中一般采用中热硅酸盐水泥和低热矿渣水泥。另外,在不 影响水泥活性的情况下,要尽量使水泥的细度适当减小,因为水泥的细度会影响水化热 10 的放热速率,试验表明比表面积每增加 100cm2/g,1d 的水化热增加 17J/g21 J/g,7d 和 20d 均增加 4 J/g12 J/g。 222 掺加粉煤灰 为了减少水泥用量,降低水化热并提高和易性,我们可以把部分水泥用粉煤灰代替, 掺入粉煤灰主要有以下作用:由于粉煤灰中含有大量的硅、铝氧化物,其中二氧化硅 含量 40%60%,三氧化二铝含量 17%35%,这些硅铝氧化物能够与水泥的水化产物进行 二次反应,是其活性的来源,可以取代部分水泥,从而减少水泥用量,降低混凝土的热 胀;由于粉煤灰颗粒较细,能够参加二次反应的界面相应增加,在混凝土中分散更加 均匀;同时,粉煤灰的火山灰反应进一步改善了混凝土内部的孔结构,使混凝土中总 的孔隙率降低,孔结构进一步的细化,分布更加合理,使硬化后的混凝土更加致密,相 应收缩值也减少。 值得一提的是:由于粉煤灰的比重较水泥小,混凝土振捣时比重小的粉煤灰容易浮 在混凝土的表面,使上部混凝土中的掺合料较多,强度较低,表面容易产生塑性收缩裂 缝。因此,粉煤灰的掺量不宜过多,在工程中我们应根据具体情况确定粉煤灰的掺量。 223 骨料 (1)粗骨料 尽量扩大粗骨料的粒径,因为粗骨料粒径越大,级配越好,孔隙率越小,总表面积 越小,每立方米的用水泥砂浆量和水泥用量就越小,水化热就随之降低,对防止裂缝的 产生有利。 (2)细骨料 宜采用级配良好的中砂和中粗砂,最好用中粗砂,因为其孔隙率小,总表面积小, 这样混凝土的用水量和水泥用量就可以减少,水化热就低,裂缝就减少,另一方面,要 控制砂子的含泥量,含泥量越大,收缩变形就越大,裂缝就越严重,因此细骨料尽量用 干净的中粗沙。 11 23 加入外加剂 加入外加剂后能减小混凝土收缩开裂的机会,外加剂对混凝土收缩开裂性能有以下 影响: (1)减水剂对混凝土开裂的影响 减水剂的主要作用改善混凝土的和易性,降低水灰比,提高混凝土强度或在保持混凝 土一定强度时减少水泥用量,而水灰比的降低,水泥用量的减少对防止开裂是十分有利 的。 (2)缓凝剂对混凝土开裂的影响 缓凝剂的作用一是延缓混凝土放热峰值出现的时间,由于混凝土的强度会随龄期的 增长而增大,所以等放热峰值出现时,混凝土强度也增大了,从而减小裂缝出现的机率, 二是改善和易性,减少运输过程中的塌落度损失。 (3)引气剂对混凝土开裂的影响 引气剂在混凝土的应用对改善混凝土的和易性、可泵性、提高混凝土耐久性能十分 有利。在一定程度上增大混凝土的抗裂性能。在这里值得注意的是:外加剂不能掺量过 大,否则会产生负面影响,在 GB80761977 中规定,掺有外加剂的混凝土,28d 的收缩 比不得大于 135%,即掺有外加剂的混凝土收缩比基准混凝土的收缩不得大于 35%。 24 采用合理的施工方法 241 混凝土的拌制 (1)在混凝土拌制过程中,现场搅拌计量要准确,要严格控制原材料计量准确,重 量允许误差水泥外掺合料2%,粗骨料3%,水、外加剂溶液2%,同时严格控制混凝 土出机塌落度,搅拌时间不少于 1.5-2.0min。 (2)要尽量降低混凝土拌合物出机口温度,现场采用相应遮挡,防止材料在日光下 曝晒,以降低原材料温度。冬季、高温季节施工材料要有降温或保温措施。拌合物可采 取以下两种降温措施:一是送冷风对拌和物进行冷却,二是加冰拌合,一般使新拌混凝 12 土的温度控制在 6左右。 242 混凝土浇注、拆模 (1)混凝土浇注过程质量控制 浇注过程中要进行振捣方可密实,振捣时间应均匀一致以表面泛浆为宜,间距要均 匀,以振捣力波及范围重叠二分之一为宜,浇注完毕后,表面要压实、抹平,以防止表 面裂缝。另外,浇注混凝土要求分层浇注,分层流水振捣,同时要保证上层混凝土在下 层初凝前结合紧密。避免纵向施工缝、提高结构整体性和抗剪性能。 (2)浇注时间控制 尽量避开在太阳辐射较高的时间浇注,若由于工程需要在夏季施工,则尽量避开正 午高温时段,浇注尽量安排在夜间进行。 (3)混凝土拆模时间控制 混凝土在实际温度养护的条件下,强度达到设计强度的 75%以上,混凝土中心与表面 最低温度控制在 25以内,预计拆模后混凝土表面温降不超过 9以上允许拆模。 25 浇筑温度控制 浇筑温度是指砼出罐后,经运输、振捣后的温度。 混凝土结构工程施工及验收规范 GB5020492 对浇筑温度作了规定:“不宜超过 28” 。此规定没有考虑到全国地方差异, 例如上海、南京、武汉等我国南方地区高温季节施工大体积砼,若不采取特殊措施是很 难达到这一要求的,若采取措施就得花较大的费用。那么浇筑温度超过 28是否一定开 裂呢?江苏常州某些工程浇筑温度达到 35,由于保温降温措施得力,也没有出现温差 裂缝。南京。上海、武汉等地的某些大体积砼工程浇筑温度超过 28,个别工程达到 41,也没有出现危害结构安全和影响使用功能问题。因此,在混凝土结构工程施工 质量验收规范GB502042002 中,对于浇筑温度无不宜超过 28的限制。 控制浇筑温度是有好处的,要降低浇筑温度必须从降低砼出机温度入手,其目的是 降低大体积砼的总温升值和减小结构的内外温差。降低砼出机温度最有效的方法是降低 石子的温度,由于夏季气温较高,为防止太阳的直接照射,可要求商品砼供应商在砂、 13 石堆场搭设简易遮阳装置,必要时向骨料喷射水雾或使用前作淋水冲洗。在控制砼的浇 筑温度方面,通过计算砼的工程量,做到合理安排施工流程及机械配置,调整浇筑时间 为以夜间浇筑为主,少在白天进行,以免因暴晒而影响质量。 降温速率问题大体积砼的温度变化曲线一般如图所示。先是一个升温过程,升到最高点 后就慢慢降温,升温的速度要比降温的大。 26 混凝土汽化热的计算 大体积混凝土浇筑后,为了减少升温阶段内外温差,防止产生表面裂缝,在混凝土 初凝后及时浇水养护,并在混凝土表面覆盖一层塑料薄膜,外面再覆盖两层麻袋,并保 持混凝土表面湿润,并在混凝土中埋设降温水管,从混凝土初凝后开始通水,以降低混 凝土水化热。 同时结构侧模板推迟拆模时间,并保持湿润。 (1)混凝土水化热绝对温升值计算: max 式中max 混凝土最大水化热绝对温升值,即最终温升值, ; 每立方米混凝土水泥用量,根据商品混凝土厂家提供级配取 320kg; 每千克水泥水化热,取 375kJ/kg(42.5 水泥 28d 水化热) ; 混凝土的比热,取 0.97kJ/kgK; 14 混凝土的质量密度,取 2400kg/ m3。 max320375/0.97240051.5 则混凝土中心最高温度为入模温度max71.5 各龄期混凝土内部的中心温度计算: 当3d (3)+()2051.50.7458.1 当6 d (6)+()2051.50.7357.6 当9d (9)+()2051.50.7257.1 当12d (12)+()2051.50.6553.5 当15d (15)+()2051.50.5548.3 当18d (18)+()2051.50.4643.7 当21d (21)+()2051.50.3739.1 当24d (24)+()2051.50.3035.5 当27d (27)+()2051.50.2532.8 当30d (30)+()2051.50.2432.4 中心点各龄期水化热升降温度计算曲线(见图) 图 1 中心点各龄期水化热升降温度计算曲线 (2)混凝土表层温度计算: 15 混凝土表面模板的传热系数计算: 1/i/i+1/q 式中 混凝土表面模板的传热系数,W/mK; i保温材料厚度;(取 0.02m) i保温材料导热系数;(取 0.23W/mK) q空气层的传热系数,取 23 W/mK。 7.67 W/mK 混凝土虚厚度计算:h=k/ 式中 h混凝土虚厚度,m; k折减系数,取 2/3; 混凝土导热系数,取 2.33 W/mk。 h0.2m 混凝土计算厚度: Hh2h 式中 H混凝土计算厚度,m; h混凝土实际厚度,取 4.2m。 H4.6m 混凝土表层温度计算: T2(t)=Tq+4h(H-h)t1(t)-Tq/H2 式中 T2(t)混凝土表层温度,; Tq施工期间大气平均温度,取 15; h混凝土虚厚度,m; H混凝土计算厚度,m; t1(t)混凝土中心温度,取 71.5。T2(t)24.4 由以上计算可知混凝土中心温度与混凝土表层温度温差达到 47.1,远远大于 25。 为了保证混凝土内外温差小于 25,在大体积混凝土内设置 DN48 水管,管径 41mm。水 流速度取 0.7m/s ,水管总长 55(按第一次浇捣混凝土时用量计算) ,则 1h 内通过水 量为 36000.73.14 0.0412/43.3 m3/h 内通过水管所交换的热量为: Qcm(t1-t2) 式中 c水的比热,取 1kJ/kgK; 16 m水的质量,取 3300kg; t1出水口处温度,取 50; t2进水口处温度,根据去年 11、12 月平均温度取 15。 Q13300(5015)115500kJ 在 1h 内通过水管所能降低的混凝土温度为: TQ/cm 式中 c混凝土的比热,取 0.96kJ/kgK。 m混凝土的质量,取 80m3 192000kg; T115500/0.961920000.62 27 大体积混凝土温差监测 在施工过程中,在大体积混凝土中设置电子测温点, 及时测量,根据各龄期混凝土 内部的中心温度计算值,混凝土浇捣后 3d 内每隔 2h 测温一次,以后每隔 46h 测温一 次,12d 以后每天测温一次,根据测量结果控制水管开关,必要时启用小于 25。增压 泵,提高水流速度,确保混凝土中内外温差。 大体积混凝土的测温 大体积混凝土的简易测温法,只需要采用较简单的设备,就能直观地测得混凝土内部 温度,而且精确度高,花费少。具体做法如下: 使用 48 的脚手架钢管或其他无缝钢管,管壁厚度以2为宜,内径为 3050。按量取所需长度截断,其一端用比钢管外径大10的圆钢板焊牢密闭, 使其不能渗水 。 焊接好的钢管呈正三角形,布置于绑扎好的底板钢筋网架上,并焊牢,再用橡皮 套管套于距钢管底部 50处,管两端用铁丝扎牢,确保水不能渗入管内。钢管口用木 块塞好。为钢管平面布置点,两点间距为 600;上管底距混凝土板面 150,中管 底距板底为 1/2 板厚,下管底距板底面 150。 混凝土浇筑后,即向钢管中装入自来水,每隔一定时间用棒式温度计伸入管中, 即可知该钢管下部混凝土温度。将不同深度管中所测温度相比较,即能得知该处混凝 土上下点的温差。从而能控制混凝土养护温度,确保底板混凝土工程质量。 另附对上述简易测温法的补充说明: 为保证棒式温度计的测温精度,应注意以下几点: 1、测温管的埋设长度宜比需 测点深 50100,测温管必须 加塞,防止外界气温影响。 2、测温管内应灌水,灌 17 水深度为 100150;若孔内灌满水,所测得的温度接近管全长范围的平均温度 3、棒式温度计读数时要快,特别在混凝土温度与气温相差较大和用酒精温度计测温时 更应注意。4、采用预留测温孔洞方法测温时,一个测温孔只能反映一个点的数据。不 应采取通过沿孔洞高度变动温度计的方法来测竖孔中不同高度位置的温度。主要量测 2 个温差,一是砼中心与表面的温差,可通过同一测温点的2 支不同长度测温管进行 量测;二是砼表面与大气的温差,可用短的测温管与空气中的温度对比而获得。要控 制以上 2 个温差25,因大气温度与砼的中心温度是无法调节的,故我们只能通过 覆盖或收起砼表面塑料薄膜来调节其表面温度以达到调节温差的目的,由于塑料薄膜 的保温效果非常明显,故要根据测得的温度及时进行调节 28 合理布置冷却管 在混泥土结构安装循环管道,在外面设置凉水池,混凝土浇捣及养护过程通过冷 却水带走热量,该方法,广泛运用在国内的大体积混凝土施工,成本较低,布置如图;

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