（材料学专业论文）大体积混凝土温度应变测试及防裂措施研究.pdf

西安建筑科技大学硕上学位论文 大体积混凝土温度应变测试及防裂措施研究 专业：材料学 姓名：谷丰吉 导师：何廷树教授 摘要 水化热是造成大体积混凝土产生温度应力和裂缝的主要原因，因而原材料的 优选对于控制混凝土的水化热、提高棍凝土的整体性能是至关重要的。作者通过 弘因素试验，研究了水泥、j b ； j n 剂、矿物掺合料等单项材料对混凝土性能的影响 并优化了混凝土配合比，得出了可满足冬期施工及温度控制要求的c 4 0 混凝土。 经实际工程检验，所配制混凝土满足了工程需要，达到了设计要求。 通过对大体积混凝土温度和应变的测试，得出y - - - 者的基本的变化规律，并 推导i t i 了温度和应变之间的关系式。根据混凝土温度和应变的发展规律，确定了 不i 司龄期大体积混凝土的最大温差值。并对混凝土各龄期的养护和裂缝控制措施 提出了一些合理的建议。 关键词：大体积混凝土；裂缝控制；温度应力 西安建筑科技大学硕士学位论文 t h et e s to ft e m p e r a t u r e - - s t r a i na n ds t u d yo nc r a c k c o n t r o l l i n go fm a s sc o n c r e t e s p e c i a l t y ：m a t e r i a l ss c i e n c e n a m e ： g u f e n g j i i n s t r u c t o r ：p r o f h et i n g s h u t h eh y d r a t i n gh e a ti st h em a i nf a c t o rr e s u l t i n gi nt e m p e r a t u r e - - s t r e s sa n dc r a c ki n m a s sc o n c r e t e ，s oi ti si m p o r t a n tt oo p t i m i z et h er a wm a t e r i a l s f o rc o n t r o l l i n gt h e h y d r a t i n gh e a ta n di m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c e so fm a s sc o n c r e t e t h r o u g hm o n o - - f a c t o re x p e r i m e n t s ，t h ei n f l u e n c e so fc e m e n t ，c h e m i c a la n dm i n e r a la d m i x t u r e so nt h e p e r f o r m a n c e so fm a s sc o n c r e t ew a ss t u d i e d ，a n dt h ep r o p o r t i o no fm a s sc o n c r e t ew a s o d t i m i z e d t h ec 4 0c o n c r e t ew a so b t a i n e d ，w h i c hc a nm e e tt h ed e m a n do fc o n s t r u c t i o n i nw i n t e ra n dc o n t r o lo ft e m p e r a t u r e b yt e s t i n gi np r a c t i c e ，t h ec 4 0c o n c r e t er e a c h e d t h ed e s i g ns t a n d a r d sa n ds a t i s f i e dt h en e e do fp r o j e c t t h r o u g ht e s t i n gt h et e m p e r a t u r ea n ds t r a i no fm a s sc o n c r e t e ，t h eb a s i cv a r i a t i o n a l l a w so ft e m p e r a t u r ea n ds t r a i nw e r eo b t a i n e d ；a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e mw a s c o n c l u d e d a c c o r d i n g t ot h e d e v e l o p m e n t a lp r i n c i p l e o ft e m p e r a t u r ea n ds t r a i n ， m a x i m u mt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea td i f f e r e n ta g e sb e t w e e nt h ei n n e ra n dt h es u r f a c eo f m a s sc o n c r e t ew a sc o n f i n e d f i n a l l y , t h ep r o p e rm e t h o d sa b o u tm a s sc o n c r e t ec u r i n g a n dc r a c kc o n t r o l l i n ga tt h ed i f f e r e n ta g e sw e r ep u tf o r w a r d k e yw o r d s ：m a s sc o n c r e t e ；c r a c kc o n t r o l ；t h e r m a l s t r e s s 声明 y8 4 1 8 5 8 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，沦文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位 已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我同工作的同志对本研究所做的 所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：麟七l t - 日期：w cf c i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：唇三 色 导师签名： 注：请将此页附在论文首页。 日期：矽盯、6 p 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 国内外研究现状 1 绪论 裂缝控制的理论研究是随着科学水平的提高和试验技术的完善而逐步发展 的。早在1 9 世纪各国科学家就从结构材料强度理论的角度出发，探索混凝土开裂 的机理。最早提出的唯相理论建立在基本的试验基础上，在匀质、弹性、连续假 定的前提下推导出材料强度的公式。后期又引入了塑性理论，为解决实际问题提 供了理论依据。随着对材料微观结构的认识，又提出了混凝土结构的构造理论和 分子强度理论，但这两方面的研究还未成熟。相比之下，热力学计算理论在计算 混凝土结构内部由于水化热引起的温度变化中得到了较好的应用，在计算得到温 度场的基础上建立合适的力学模型，求解结构的温度应力，进而决定是否采取控 制措施，这种方法在设计和施工过程中得到了普遍的认可。对于边界条件比较简 单的情况，国内外不少学者从热传导基本方程出发，推导出混凝土结构温度场和 应力场的理论解，并综合试验结果，归纳成计算表格，大大方便了使用。对于情 况比较复杂的计算，则大多采用数值解法，常用的有一维和二维差分法和有限元 法。这些方法的采用，可以较精确的计算温度场和温度应力。实际上，无论是理 论解法还是数值解法都是建立在不同程度假定的基础上的，不可能完全客观的反 映大体积混凝土裂缝的发展规律，在裂缝控制方面，更多的研究集中在工程实践 中如何采取有效措施达到防止裂缝的目的。 概括国内外裂缝的处理经验，总结出“抗与放”这一辩证统一的原则。裂 缝控制中的“抗”就是增加结构物抵抗裂缝产生的能力，其中包括精选原材料， 调整混凝土配合比采用新型材料、改善配钢筋等以增加混凝土本身抵抗能力。 “放”就是在结构形式选择方面采用微动、滑动、及设置后浇带等措施，提供放 的措施。在实际工程中通常采用“抗放”结合的措施，根据实际情况以抗为主或 以放为主的措施来防止混凝土裂缝的产生。配筋对混凝土抗拉强度及极限拉伸值 影响在钢筋混凝十基本理论研究中一直引人注目且有争论的问题。- f l , 意见认为 配筋刑混凝二l 二的极限拉伸没有影响；另一种认为配筋可以提高混凝：l 二的极限拉仲， 从而提高混凝土的抗裂性能，但对于铡筋能起到控制裂缝的扩展，减小裂缝的宽 度则有共同点。 西安建筑科技大学硕士学位论文 国内一些学者对这个问题进行大量的研究认为：混凝土材料是非匀质的，内部 存在大量的不规则的应力集中点，应力集中点首先达到抗拉极限强度，引起局部 塑性变形，如果没有钢筋继续受力就会在薄弱环节首先出现裂缝。适当配筋， 将起到约束混凝土塑性变形，分担混凝土的内应力，推迟裂缝的出现，提高混凝 土的极限拉伸效果。也有学者认为混凝土配置钢筋不但起不到抵抗混凝土收缩应 力的作用，反而会增加内部自约束。因为混凝土发生收缩，钢筋不收缩，相互之 问会产生位移，从而引起自约束应力。实际上大体积混凝土的配筋率较低，一般 低于1 1 0 0 ，内部自约束应力是较小的，可以忽略不计。 迄今为止，关于配筋能否提高混凝土极性拉伸的问题仍然没有定论，难于用 定量的标准来衡量。1 。争论的焦点仍然是如何确定出现裂缝的瞬间问题。在实际 工程中，更多采用“以放为主”的原则，即通过设置后浇带的方法来实现。我国 现行钢筋混凝土设计规范( g b 5 0 0 1 0 - - 2 0 0 0 ) 规定：现浇钢筋混凝土连续梁式结构， 处于室内或土中条件下的伸缩缝间距为5 5 m ，露天条件下为3 5 m ，无筋混凝土工程 相应间距为2 0 m 和1 0 m ，和水工结构相近。人民大会堂后浇带间距为4 4 m ，毛主席 纪念堂后浇缝间距为3 0 m ，武钢1 7 m 工程贮水结构物后浇缝间距为3 0 4 0 m 。1 9 7 5 年某地下工程，长达1 8 6 米的现浇钢筋混凝土筏式基础，每隔2 4 4 8 m 设置后浇 带，部分区段出现6 0 条部分裂缝，个别贯穿裂缝宽度达3 7 m m ，但也有2 0 0 余 米长结构一次浇筑基本无开裂的情况。其他国家的情况也大致如此。前苏联及东 欧一些国家一贯以伸缩缝作为控制裂缝的措施。按前苏联规范连续式结构的伸缩 缝间距处于室内或土中者为4 0 m ，露天者为2 5 m 。美国混凝土协会( a c i ) 在伸缩 缝方面无明确规定，也没有给出具体的计算方法，要求设计者对这类结构进行温 度应力计算和配筋，由设计者自己确定合理的伸缩缝间距。日本土木设计资料要 求对露天连续浇筑混凝土的配筋，每米厚的混凝土中钢筋断面大于5 c m 2 ，横向间 距小于3 0 0 m m ，同时要求混凝土的伸缩缝间距不大于3 0 m ，施工缝间距为9 m 。1 。 1 2 大体积混凝土的概念及裂缝的分类 1 2 1 大体积混凝土 关于大体积混凝土的定义，各国不尽相同，按照美国混凝土协会( a c i ) 的规定： 任何就地浇筑混凝土，其尺寸之大，要求必须采取措施解决水化热及随之引起的 体积变形问题，以最大限度减小开裂，称之为大体积混凝土“_ “。 西安建筑科技大学硕士学位论文 同本建筑学会标准( j a s s s ) 的定义是：结构断面最小尺寸在8 0 c m 以上，水化 热引起的混凝土内部最高温度与外界气温之差预计超过2 5 的混凝土。 前苏联chh 皿l l 一5 2 7 4 规范定义：当建筑物在施工期间被分成若干独立 的混凝土构件时，要确定单独构件在水化热作用下及以后冷却过程中温度问题的 混凝土构件。 我国对大体积混凝土没有明确的定义，统称建筑工程中具有下属共同特征的 结构为大体积混凝土；结构厚实，混凝土土方量大，工程条件复杂，施工技术要 求高，出于水泥水化热使结构产生温度变形，而必须采取相应的措施尽可能的减 少温度变形引起的开裂。大体积混凝土一般出现的问题，不是力学上的结构问题， 而是由于温度变化而产生的裂缝，导致混凝土的抗渗，抗裂、抗侵蚀性能下降， 影响整个结构的耐久性。 1 2 2 大体积混凝土裂缝的分类 混凝土是由水泥浆、砂子、石子和掺和料及外加剂等组成的。它是水泥浆体 和骨料复合而成的脆性材料。本身具有抗压强度高和抗拉强度低的特性，抗拉强 度只有抗压强度的l 1 0 1 2 0 ，拉伸变形能力也很小。因此，当结构的抗拉强度 不足以抵抗外力作用时结构就会出现裂缝。混凝土裂缝可以分为两大类：肉眼看 得见的宏观裂缝和肉眼看不见的微观裂缝。微观裂缝是混凝土本身就有的，它的 宽度仅2 5um ，主要有三种形式：一是水泥石与骨料粘结面上的裂缝，这是最 主要的微裂缝，它在混凝土受荷之前就已经存在，并随着荷载的增加而扩展，使 应力应变关系偏离直线。其主要是沿着骨料周围出现；二是穿越水泥石的裂缝， 主要是在骨料与骨料之间；三是穿越骨料的微裂缝，主要是骨料本身缺陷及受外 力而引起的。后两种裂缝是在第一种裂缝的基础上加荷而逐步形成的。由于微观 裂缝的存在，尽管水泥浆体和骨料单独受力时会表现出线形的应力应变关系，但 混凝土整体却会呈现出非线性的应力、应变关系。 混凝土的裂缝一般以0 0 5 m m 为界，小于0 0 5 m m 的裂缝人眼不容易觉察， 称为微观裂缝”。大于0 0 5 m m 的裂缝一般能为人眼所观测到，称为宏观裂缝。宏 观裂缝一般是微观裂缝逐步发展的结果。按照裂缝成因，有荷载裂缝、变形裂缝、 施工裂缝、碱骨料反应裂缝。大体积混凝土出现的裂缝。按其深度的不同一般可 分为以下几类。即表而裂缝、深层裂缝、内部小裂缝及贯穿性裂缝。 表面裂缝是出现在混凝土表面的裂缝，包括混凝土浇筑块的顶面、侧面和棱 角。根据裂缝的成因，表面裂缝又可分为干缩裂缝和温度裂缝两类( 见图1 1 ) 。 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 深层裂缝是露出表面的比较深、比较宽的裂缝，裂缝深度由几厘米到几十 厘米甚至几米，但并未切断整个混凝土结构，内部仍是连续的见( 图1 2 ) 。 ( 2 ) 贯穿性裂缝通常会切断结构的断面，破坏结构的整体性和稳定性，同时使 混凝土抗渗性和耐久性大大降低，其危害是严重的。( 见图1 3 ) 。 图1 1 表面裂缝 图1 2 深层或表面裂缝图1 3 贯穿裂缝 1 3 大体积混凝土温度场及应力场的一般规律 1 3 1 温度与温度应力 大体积混凝土由于水泥水化释放大量的热量及外部环境温度的变化，结构内 部的温度也处于一个不断变化的过程当中。由于温度升降而引起的应力称为温度 应力。混凝土结构温度应力的变化规律与其他结构相比有一定的差别，产生这些 差别的原因主要有两个方面：一是混凝土弹性模量是随着龄期的变化而变化：二是 因为混凝土的徐变。工程实际中，混凝土的温度应力分析比较复杂，因为它受结 构形式、气候条件、施工工艺、材料特性及运行条件等多种因素的影响。 1 3 2 温度应力的类型 根据引起应力的原因，混凝土温度应力可以分为自生应力和约束应力 ( 1 ) 自生应力 边界上没有受到任何约束或者完全静止的结构，如果结构内部温度是线性分 布的，即不产生应力：如果结构内部温度是非线性分布的，由于结构本身的互相 约束而产生的应力，称为自生应力。例如混凝土冷却时，表面温度较低，内部温 度较高，表面的温度收缩变形受到内部的约束，在表面产生拉应力，内部出现压 应力。自生应力的特点是在整个断面上，拉应力与压应力必须保持平衡。 ( 2 ) 约束应力 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 结构的内部或部分边界条件受到外界约束，温度变化时不能自由变形而引起 的应力。例如，混凝土浇筑块冷却时受到基础的约束而产生的应力。其受力形式 见图1 4 和图1 5 。 圉 图1 4 自生应力 1 4 大体积混凝土裂缝成因分析 图1 5 约束应力 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而产生应力和应变，另一方面是结构物的外部约束和混凝 土质点之间的约束阻止这种应变，一旦温度应力超过混凝土抗拉强度，就会出现 裂缝。这种裂缝一般虽不会影响结构的强度( 裂缝宽度应在允许范围内) ，但却对 结构的耐久性有所影响。此外，混凝土由于浇筑后水分散失及一些化学反应，还 会引起混凝土体积收缩，从而引起收缩应力，它与温度应力共同作用，加剧了混 凝土的开裂。现将产生裂缝的主要原因分析如下。 1 4 1 水泥水化影响 水泥水化过程中产生大量的水化热，而大体积混凝土断面一般较厚，加之混 凝土是热的不良导体，水泥发的热量聚集在结构物内部不易散失，因而导致混凝 土内部温度有较大的上升。工程实践表明，水泥水化热引起的温度升高一般在 1 5 3 0 ，有些情况下甚至可能达到4 0 “。水泥水化热引起的绝热温升，与 混凝土水泥用量和水泥品种有关。并随混凝土龄期按指数关系增长，一般在2 d 4 d 接近于最高绝热温升。由于混凝土导热性能较差，浇筑初期混凝上的强度和弹 性模量都很低，对水化热引起的急剧温升影响不大，相应的温度应力也较小。随 着混凝土龄期的增长，弹性模量增高，对混凝土内部降温收缩的约束也越来越大， 以致产生很大的拉应力。当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时就会产生 温度裂缝。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 4 2 外界气温变化的影响 大体积混凝土在施工阶段，气温的变化对混凝土的水化热有较大影响。外界 气温越高，混凝土的浇筑温度也越高，同时混凝土的绝热温升也越高。而外界气 温下降，特别是温度的骤降，会在混凝土表面引起急剧的降温，由于混凝土是热 的不良导体，这时混凝土内部仍处于高温阶段，因此，在表层将形成很陡的温度 梯度，严重限制混凝土的急剧收缩，使混凝土的徐变性能不能发挥作用，从而引 起很大的温度应力，在混凝土表面产生裂缝。混凝土内部的温度是水化热的绝热 温升、浇筑温度和结构物的散热降温等各种因素的叠加，而温度应力则是由温差 所引起混凝土变形所致，温差越大混凝土变形相差就越大。所以在高温条件下， 如何解决混凝土内外温差大、温度应力大而显得非常重要。 1 4 3 混凝土的收缩变形 混凝土中除了与水泥结合的少部分水分外，大部分水分最终要蒸发掉，从而 在混凝土内部产生许多微观裂缝。混凝土在水化作用下产生体积变形，对于普通 混凝土来说，大部分为收缩变形，少数为膨胀变形，一般在一5 0 + 5 0 1 0 _ 6 i i i ，混凝土的收缩一般可以分为： ( 1 ) 自由收缩 它是混凝土硬化过程中由于化学作用而引起的收缩，与外界湿度变化无关。 自由收缩可能是正的变形( 收缩) 也可能是负的变形( 膨胀) 。 ( 2 ) 塑性收缩 混凝土浇筑4 1 5 h 左右，由于重力的作用，粗骨料及水泥颗粒比重大逐步沉 降，水泥水化反应激烈，分子链逐步形成，出现水分急剧蒸发现象引起失水收缩， 此时骨料与胶结料之间产生不均匀的收缩变形。塑性收缩的量级很大，可达1 左右，所以大体积混凝土经常在浇筑4 1 5 h 内，表面上尤其是养护不良的部位出 现龟裂，有的沿着钢筋分布，属表面裂缝。 ( 3 ) 碳化收缩 指大气中的二氧化碳在存在水的条件下与水泥的水化物发生化学反应生成 c a c 0 3 、硅胶、铝胶和游离水而引起的收缩变形。炭化收缩只有在湿度约5 0 左 右的情况下才有可能发生，且随着二氧化碳的浓度增加而加快，它与干燥收缩一 起导致表面开裂。 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 干缩 当混凝土所处的环境相对湿度 粉煤灰掺量 水泥掺量 粗骨料类型 外加剂 水泥种类。因此根据各因素对混 凝土的影响程度，在进行大体积混凝土设计时，应遵循以下原则： ( 1 ) 采用有效措施降低水胶比，最大不易超过0 5 ，这是保证大体积混凝土具 有良好品质的基础。 ( 2 ) 在满足混凝土强度的前提下，将胶凝材料降至最低点，在胶凝材料总量 不变时，尽可能多的采用混合材料取代水泥。 ( 3 ) 合理的调整粗哥料粒径和颗粒级配，以增加混凝土本身的抗裂能力。根 据结构最小断面尺寸和泵管内径。尽可能选用较大的粒径。例如5 4 0 m m 粒径可 比5 2 5 m m 粒径的碎石或卵石混凝土可减少用水量6 8 k g m 3 ，降低水泥用量 1 5 k g m 3 ，因而减少泌水、收缩和水化热。要优先选用连续级配的粗集料，使混凝 土具有较好的可泵性，减少用水量，水泥用量，进而减少水化热。细集料以采用 级配良好的中砂为宜。实践证明，采用细度模数2 8 的中砂比采用细度模数2 3 的中砂，可减少用水量2 0 2 5 k g 一，可降低水泥用量2 8 3 5 k g m 3 ，从而降低混 凝土温升和收缩。 1 5 1 2 降低混凝土温升措施 ( 1 ) 使用水化热低的水泥 由于矿物成分和掺加混合材料的数量不同，水泥的水化热差异较大。铝酸三 钙和硅酸三钙含量高时水化热较大；混合材掺量多的水泥水化热低。为降低水化 热，大体积混凝土一般不宜使用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，应采用中热硅酸 盐水泥或低热矿渣水泥。 ( 2 ) 调整混凝土骨料粒径和颗粒级配 在满足泵送要求的前提下，优先选用粒径较大连续级配的碎石，可使混凝土 拌合物和易性良好。要严格控制骨料的含泥量，含泥量大不仅会增加混凝土的收 缩，还会降低混凝土的强度，另外易在孑l 洞处形成应力集中。对结构抗裂非常不 利。含泥量一般不大于1 蹦，砂易选用中砂，且其含泥量易小于1 。 ( 3 ) 掺用粉煤获 粉煤灰的水化热低于水泥，7 天约为水泥的1 3 ，2 8 天约为水泥的1 2 。掺加 西安建筑科技大学硕士学位论文 粉煤灰可以有效的降低水泥水化热2 0 ( 掺量为水泥的2 0 ) n 。粉煤狄需水量 小，有减水作用，可以降低混凝土的单位用水量。在混凝土中掺加粉煤灰可以提 高混凝土的密实性。龄期越长反应越完全混凝土越密实，混凝土的强度也越高。 随着混凝土抗压强度的提高，混凝土的抗拉性能和弹性模量也会有较大幅度的提 高且能够降低混凝土的收缩率。加入粉煤灰后，由于二次反应改善了混凝土中水 泥石结构，使水泥石中总的空隙率降低，平均孔径降低，大孔数量减少，小孔增 多，使孔结构更加合理。加入粉煤灰能改善混凝土拌和物的保水性、粘聚性、使 混凝土不易离析泌水，抗渗性提高。 由于粉煤灰的颗粒主要呈球形，在混凝土中的作用如同润滑剂，其有滚珠效 果，能大大改善混凝土的工作性能，提高混凝土的泵送性能。粉煤灰还能抑制碱 骨料反应并防止因此产生的裂缝。 ( 4 ) 混凝土外加剂的应用 在多年的大体积混凝土工程实践中，世界各国的专家和工程技术人员总结也 许多行之有效的温度控制措施，例如骨料降温、预埋冷水管等。此外在混凝土配 合比设计中合理的使用外加剂。如掺用减水剂，在保证混凝土满足设计强度的前 提下，可最大限度的减少水泥( 尤其是高强度等级水泥) 用量：掺用缓凝减水剂可在 保证混凝土满足施工性能而且不影响后期强度的条件下，延长混凝的初凝时间， 延迟水化放热速度和热峰值出现的时间，这样就会降低混凝土早期的内外温差， 有利于防止裂缝的出现，加入膨胀剂可使混凝土获得一定膨胀值，以抵消或者减 缓由于混凝土收缩而产生的拉应力，从而防止混凝土产生开裂“。 1 5 2 设计及施工管理措施 1 5 2 1 做好地基处理 大体积混凝一般都是厚重的整体浇筑物，地基对基础的影响也比较明显， 在设计中要防止地基的不均匀沉降并改善地基对基础的约束条件。如在基础与混 凝土筏板下面设置滑动层。提高配筋率，在构造上作到细而密，对混凝土极限拉 伸有提高的作用，因为钢筋可约束混凝土的变形，推迟混凝土裂缝的出现，也就 是提高了混凝土的极限拉伸，根据经验公式为t l3 1 , ；0 5 r i ( 1 + 罢) x1 0 1 ( 1 1 ) a 式中：，一配筋后的混凝土极限拉伸； 母一混凝土的抗裂设计强度( m p a ) ： 西安建筑科技大学硕士学位论文 p _ 截面配筋率： d 一钢筋直径( c m ) 。 1 5 2 2 合理分层分块浇筑 分层分块浇筑大体积混凝土的主要目的是增加散热面，减小收缩值并弱化基 础的约束作用。具体做法有“4 “”： ( 1 ) 全面分层：在整个模板内全面分层，浇筑面积下即为基础平面面积，第 一层全部浇筑完毕后浇筑第二层。第二层要在第一层混凝土凝结之前全部浇筑振 捣完毕，如此逐层进行。这种方案一般适用于平面尺寸不大的结构。 ( 2 ) 斜面分层：结构的长度超过厚度的3 倍时，可采用斜面分层的浇筑方案， 振捣工作从浇筑层斜面的下端开始，逐渐上移。由于混凝土体积庞大，施工中用 纵横接缝把基础分成几大部分，有利于施工，而且增加了散热面，有利于散热， 从而降低了施工期间的温度应力，减小了产生裂缝的可能性。 1 5 2 3 加强施工管理 在一个混凝土浇筑块中，混凝土的强度是不均匀的，裂缝总是从强度最低的 薄弱处开始。实践已经证明，当混凝土强度离差系数c ，大时，混凝土裂缝就多， 当混凝土强度离差系数c ，小时，裂缝就少“7 ”1 。因此，为了防止裂缝，必须加强 施工管理，提高混凝土质量。如在混凝土浇筑进度安排上，尽量做到薄层、短间 歇均匀，避免突击浇筑一块混凝土，然后长期停歇。混凝土浇筑完成后要加强养 护，严格控制温差，充分养护是防止裂缝的重要措旆。混凝土浇筑完毕后，应及 时洒水养护以保持混凝土表面经常湿润，且养护时间最少不得少于1 4 d 。混凝土 表面保温是减小混凝土内外温差的有效手段，因此，在施工中要结合外界气温及 混凝土的中心现场实时测量温度，选择合适的保温材料，确保温差不超过2 5 。c 。 另外在有条件的情况下应优先采用木模板或者双层模板，以有利于混凝土的侧面 保温， 混凝土浇筑块体表面保温层的计算方法“” 6 i ；0 5 h l a ( t , , - t b ) k ( 1 2 ) d i = 一 1 1 zj a ( z 一一n ) 式中：6 ；一保温材料所需的厚度( m ) ； h 一结构物的厚度( m ) ； ，一保温材料的导热系数( w t m k ) 。 一混凝土的导热系数( w m k ) ； t 。一混凝土中心的最高温度( ) ； t 。一混凝土表面温度( ) ； 堕塞堡篁型垫盔堂堡主堂焦堡茎 t 。一混凝土浇筑后3 5 d 的空气平均温度( ) ： k 一传热系数修正值； o 5 一中心温度向边界散热的距离恰为结构物厚度的一半。 1 6 课题的提出及主要研究工作 1 6 1 研究背景 随着经济的快速发展，人们生活水平的提高，人们从心理上普遍要求对居住 及拥有的生存空间的越来越大，但是人口的增长及土地的短缺使人们的要求受到 限制。为此一些高层甚至超高层建筑物不断耸立在城市中，这些工程的基础均为 大体积混凝土。近几年，高层建筑物基础出现下列基本特征：( 1 ) 所需的混凝土 强度越来越高，过去大体积混凝土一般用于大坝较多，其结构特点决定了其不需 要很高的强度，但是随着高层建筑的发展，采用过去的低标号混凝土和庞大外形 的混凝土已经不能满足要求。为减小截面尺寸，现在实际工程中用的混凝土强度 不断上升，c 4 0 、c 5 0 甚至c 6 0 的大体积混凝土已比较常见。( 2 ) 混凝土组份较过 去复杂，为满足一些工程对混凝土性能的特殊要求，混凝土的组份相应变化较大。 如上海金茂大厦，基础部分的c 5 0 混凝土1 3 5 0 0 m 3 ，混凝土就掺加了大量的硅灰外 加剂等。( 3 ) 施工时间长，外界条件变化大。( 4 ) 混凝土的厚度越来越大。过去 一般的混凝土基础一般两米左右就能满足结构设计要求，但随着超高层及特殊建 筑物的不断出现，一些建筑物所需要的厚度大大增加。如陕西移动全球通商务大 厦，局部混凝土厚度就达到7 m 。( 5 ) 综上所述，在大体积混凝土施工过程中，如 何防止因水泥水化热引起的裂缝，一直是技术人员长期关心问题。如能掌握大体 积混凝土温度场变化和温度应力变化的规律性，就能够有针对性的提出裂缝控制 的方案，便于有效的保证施工质量，提高结构物的耐久性，这对大体积混凝土具 有非常重要的指导意义。 1 6 2 主要研究工作 本文主要结合济南佳汇信息大厦筏板大体积混凝土基础冬季施工和温度控制 的工程实践，研究了大体积混凝土内部温度和应变的变化规律。作者从混凝土原 材料、配合比、旋工工艺等几个方面入手研究了大体积混凝土内部的温度变化规 西安建筑科技大学硕士学位论文 律、制定了裂缝的控制措施，主要研究内容如下： ( 1 ) 分析大体积混凝土裂缝生成的原因和裂缝控制措施，优选原材料。 ( 2 ) 从热传导基本理论出发，考虑大体积混凝土温度应力的主要影响因素， 提出了该工程冬期c 4 0 大体积混凝土的配合比。 ( 3 ) 对混凝土凝结硬化过程中温度和应变进行检测，得出混凝土温度和应变 的发展规律，找出馄凝土的易开裂期，并采用合理的养护措施避免裂缝的出现。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 山东济南市佳汇大厦大体积混凝土配合比研究 2 1 工程概况 佳汇大厦是一栋商业与写字楼为一体的综合商住楼，位于济南市，地下2 层， 地上2 8 层，楼高1 1 2 6 m ，建筑面积6 9 0 0 0 m 2 ，基础平面尺寸为4 8 m x 4 8 m ，基础 埋深1 2 o m ，厚度2 2 m ，局部厚度3 2 m 。混凝土设计强度为c 4 0 ，抗渗等级为p 8 。 需c 4 0 混凝土5 2 0 0 m 3 。由于该基础施工时正处于冬期，外界气温相对较低，因而 混凝土的性能就显得非常重要，既要考虑混凝土的水化热容易引起温度裂缝的问 题，又要考虑保证大体积混凝土力学性能及耐久性问题。 2 2 原材料及试验仪器 2 2 1 试验用原材料 ( 1 ) ，水泥( c ) 由于冬季施工混凝土在低温下的强度发展缓慢，在养护条件不好时，混凝土 容易发生早期冻害，因此，水泥品种与强度等级豹选择对混凝土的整体性能具有 决定的影响作用1 2 0 水泥的选择既要考虑到大体积混凝土的水化热温升过高容易 导致混凝土温度应力过大而产生裂缝的问题，同时又要考虑保证混凝土的基本力 学性能，使得混凝土早期强度满足抗裂的需要。经综合考虑，从济南“l b 水牌” p 0 3 2 5 、p $ 3 2 5r 两种水泥中选择一种，其物理力学指标见表2 1 ，化学成份见 表2 2 。 表2 1 山水牌p 0 3 2 5 、p s3 2 5 r 水泥物理力学性能 凝结时间 7 水泥标准稠度抗压强度( m p a ) 抗折强度( f p a ) 安定性( r a i n ) 舄种 需水量( ) 初凝终凝 3 d2 8 d3 d2 8 d p 0 3 2 5合格 2 3 6 2 2 0 3 3 0 2 5 93 9 83 27 ： p $ 3 2 5 r 合格 2 4 g2 0 02 8 02 6 14 1 44 57 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 表2 2 山水牌p 0 3 2 5 、p $ 3 2 5 r 水泥熟料化学成份 化学成份 c a os i 0 ：a 1 ：o 。f e 2 0 f c a o m g o l o s s r 2 0 p 0 3 2 56 2 5 62 0 8 46 1 56 哇7o 4 1o 9 81 4 6 0 5 2 m p $ 3 2 5r6 3 5 32 3 7 74 9 56 0 30 ，4 41 2 0l4 80 3 6 ( 2 ) 细骨料( s ) 中粗砂，细度模数2 7 ，含泥量1 3 ，表观密度2 6 9 c m 3 。 ( 3 ) 粗骨料 g ) 石狄岩和砂岩碎石，连续级配，最大粒径为3 1 5 m m ，表观密度2 6 8 9 c m 3 利 2 6 5 9 c r a 3 。 ( 4 ) 矿物掺合料 粉煤灰( f a ) ：黄石电厂i 级粉煤灰。 ( 5 ) ：5 , l - j j l l 剂 j n j si i 型缓凝减水剂、u e a 膨胀剂。 ( 6 ) 水 自来水。 2 2 2 试验用仪器和设备 ( 1 ) 水泥力学性能检测设备( 一套) ； ( 2 ) 6 0 0 k n 、2 0 0 0 k n 压力试验机； ( 3 ) 5 0 升混凝土强制搅拌机； ( 4 ) 混凝振动台； ( 5 ) 混凝土贯入阻力仪； ( 6 ) 混凝土拉压徐变机： ( 7 ) 混凝土坍落度筒； ( 8 ) 混凝土试模： ( 9 ) 比长仪。 2 3 试验方法和步骤 首先通过单因素试验方法确定配置大体积混凝土的水泥品种。分别选取 p 0 3 2 5 普通硅酸盐水泥和p s 3 2 5 r 矿渣硅酸盐水泥进行试验，通过试验分析确 定最合适的水泥的种类。通过对外加剂不同掺量的试验，选择出j 、i s1 i 型缓凝减 1 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 水剂的最佳掺量。以及通过测定不同u e a 掺量时对混凝土膨胀值的大小，选出u e a 的最佳掺量。通过对不同粉煤灰掺量的比较找出本工程中混凝土应该采用的最佳 掺量。确定各种材料的种类和掺量后，配制本工程所需的c 4 0 混凝土，再通过对 混凝土试配和优化调整，最终确定适合本工程的最优配合比。 2 4 混凝土原材料的优选 2 4 1 水泥 选用山水牌p 0 3 2 5 和p $ 3 2 5r 水泥，混凝土配合比及性能指标见表2 3 、 表2 4 和表2 5 。 表2 3 混凝土基准配合比 参数每立方米混凝土中各材料用量( k g m 3 ) 翁号 水泥品种 cwsgf au e a j n j s i i lp 0 3 2 53 4 41 6 56 8 l1 1 0 71 3 04 02 7 6 2p $ 3 2 5r3 4 41 6 56 8 11 1 0 71 3 0 4 02 7 6 注：其中g 选用石灰岩碎石连续级配，最大粒径为3 1 5 m m ，表观密度2 ，6 8 9 e r a l 。 表2 4 混凝土强度试验结果 混凝土抗压强度( m p a ) 混凝士抗拉强度( m p a ) 试件编号 3 d 7 d2 8 d3 d7 d2 8 d l18 52 5 73 6 30 9 92 1 93 3 l 2 1 9 6 2 6 23 7 4l1 02 3 53 4 3 表2 5 混凝土工作性能 经时坍落度( i i i b i )凝结时间( h )混凝士绝 试件 热温升值 编号o h0 5l h2 h初凝终凝初终凝问隔 ( ) 11 8 0 1 7 51 6 01 5 01 31 6 53 54 7 5 2 1 8 5 1 7 51 6 51 5 51 21 534 3 8 _ 注：表中混凝土绝热温升值为根据绝热温升理论公式计算所得， 由表2 4 可知，两种水泥的物理力学性能都能满足配制混凝土的需要。由表 2 4 可知，p $ 3 2 5r 的早期抗拉强度和抗压强度比p 0 3 2 5 高，后期相差不大。 1 5 西安建筑科技大学硕士学位论文 由表2 5 可知，用p 0 3 2 5 配制的混凝土最终绝热温升为4 7 5 。c ，而用p $ 3 2 5r 水泥配制的混凝土绝热温升值为4 3 8 c 。温差相差3 7 c 。对于冬期大体积混凝 土，由于外界条件比较复杂，温差难以控制，在满足基本工作性能要求的前提下， 提高混凝土的早期抗拉强度和降低混凝土的绝热温升值就非常重要。因此，综合 考虑，在本工程中采用p $ 3 2 5r 水泥。 2 4 2 骨料 通常情况下，粗细骨料约占混凝土体积的7 0 一8 0 ，它对混凝土性质具有重要 的作用。从设计角度出发，集料的颗粒级配决定着所用混凝士水泥浆的需要量， 其颗粒之间的空隙完全由水泥浆填满。表2 6 中配合比所用水泥为p $ 3 2 5 r ，其 余原材料性能同表2 3 。 表2 6 不同骨料品种的混凝土配合比 参数 每立方米混凝土中各材料用量( k g m 3 ) 弱号 骨料品种 cw s gf a u e aj n j s i i 3 石灰岩 3 4 4 1 6 56 8 11 1 0 71 3 0 4 02 7 6 4 砂岩 3 4 4 1 6 5 6 8 l1 1 0 71 3 04 02 7 6 表2 7 不同种类的骨料对混凝土抗压强度和干缩值的影响 编号抗压强度( m p a )千缩值1 0 1 3 d7 d2 8 d7 d1 4 d2 8 d 32 0 12 7 73 7 31 7 22 1 62 9 7 41 8 22 3 6 3 6 3 2 0 1 2 4 8 3 5 0 表2 8 石予级配i ( 石灰岩) 检验结果 筛孔尺寸( 咖) 3 1 32 6 51 9 61 2 09 7 4 7 5 2 5 4 标准值( )o 一5 6 1 41 5 4 54 6 6 97 0 - 一9 09 0 一1 0 09 5 一1 0 0 实际累计筛余( ) 2 9|3 0 1|8 3 49 8 89 9 6 表2 9 石子级配i i ( 石灰岩) 检验结果 筛孔尺寸( r a m ) 3 1 3 2 6 5 1 9 61 2 o 9 7 4 7 5 2 5 4 标准值( )o 一5 6 1 41 5 4 5 4 6 6 9 7 0 9 09 0 l o o9 5 1 0 0 实际累计筛余( ) 0 5 4 2 2 i 8 9 79 5 89 9 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 表2 1 0 石灰岩碎石骨料不同粒径级配对混凝土抗压强度和干缩值的影响 参数骨料级配抗压强度( m p a ) 干缩值l o “ 编号 3 d7 d 2 8 d7 d1 4 d2 8 d 3级配i1 9 3z 6 53 5 3 1 8 62 2 9 3 3 l 3级配2 0 52 8 73 8 3 1 7 2 2 。1 6z 9 7 表2 1 l 细骨料颗粒级配表 筛孔尺寸( r a m )9 54 7 52 3 61 1 8o 6 00 3 00 1 5 累计筛标准级配范围 01 0 02 5 05 0 1 07 0 4 l9 2 7 01 0 0 9 0 余( ) 实测值 o6 42 0 53 3 15 9 08 7 89 8 2 试验得知石灰岩平均抗压强度为1 8 0 m p a ，而砂岩的抗压强度仅为1i o m p a 。从 表2 6 和表2 7 可知骨料的抗压强度高，则配制的混凝土抗压强度、收缩值小。 而骨料抗压强度低，则配制的混凝土抗压强度低、收缩值大。所以本工程选择了 抗压强度高的石灰岩。 由表2 8 ，表2 9 ，表2 1 0 可知，当采用同种骨料不同级配时，当颗粒级配 良好时，混凝土强度高。这主要是因为级配良好时，小颗粒对大颗粒的空隙进行 填充，使的混凝土较密实。所以选择石子级配。 所以石子最终选择石灰岩、符合表2 9 的石子级配 2 4 3 外加剂 2 4 3 1 缓凝减水剂 主要研究了不同外加齐掺量对混凝土工作性及坍落度损失、凝结时阃及抗压 强度和抗拉强度的影响。不同掺量的j n j si i 混凝土配合比见表2 1 2 ，混凝土工 作性能指标见表2 1 3 。所用水泥为p $ 3 2 5 r ，石灰岩碎石( 级配i i ) ，5 3 1 3 m m 连续级配。其余原材料性能同2 4 2 表2 1 2 不同j n j si i 掺量的混凝土配台比 参数 每立方米混凝士中各材料用量( k g m 3 ) 茹号 cwsgf au e a j n j s i i 53 4 41 6 56 8 11 1 0 71 3 03 42 4 10 7 6 3 4 41 6 56 8 11 1 0 71 3 03 42 7 6o 8 73 4 41 6 56 8 11 1 0 7 1 3 03 4 3 1 0 0 9 f 堕窒蕉篁型垫盔堂堡主堂垡笙壅 表2 1 3j n j si i 对混凝士工作性能的影响 参数 凝结时间m i n )经时坍落度( m i l l ) 笳号 初凝终凝初终凝问隔 o h0 5l h2 h 55 8 07 5 01 5 01 8 01 7 0l j 01 4 0 66 9 08 9 02 0 01 8 51 8 01 6 51 5 0 77 2 08 7 02 4 01 8 5 1 7 51 6 0 1 4 0 表2 1 4j n j s i i 对混凝土强度的影响 参数抗f h 姐度( m p a )抗拉强度( m p a ) 茹号 3 d7 d2 8 d3 d7 d2 8 d 51 8 82 5 43 6 30 9 42 2 l3 3 l 61 9 62 6 2 3 7 4 1 1 02 3 53 4 3 71 9 92 5 63 7 8l0 22 3 03 5 0 由表2 1 2 和表2 1 3 和表2 1 4 试验数据可以看出，j n j s i i 型缓凝减水剂掺量 加大，混凝土初凝和终凝时橱都增大，且混凝土的凝结时问间隔也加大。而掺加 量为o 8 和o 9 时强度变化不大。坍落度损失在掺量为o 8 时最小，所以j n j s i i 型缓凝减水剂掺量采用o 8 。 2 4 3 2 膨胀剂 掺加u e a 膨胀剂后混凝土的配合比见表2