（农业工程专业论文）大体积混凝土施工及温度裂缝控制研究.pdf

中国农业大学硕士学位论文 摘蒜 皇嘲皇_ ii _ 摘要 大体秘混凝在浇筑中的一个重簧技术漂题楚控翻篪缝扩震。大体积滢凝谯蘑纯进程释放 的永犯热会产生较大的瀛度变化和收缨作髑。由此两产生豹温度和收缩应力是导致混凝土出现裂 缝的主要原因，从而影响基础的整体性、防水性和耐久性。成为结构的隐患。为此大体积混凝土 在籀】：串妊缀考建裂缝控澍。鼙蘸态大嚣辍混凝主施工过程之中最容易窭骥静震薰遵瘸辘是绩鞫 的裂缝，结构裂缝给二i 耩质量造成严重影响。而结构的裂缝最主要的原因悬因为水泥水化热产生 的滴度应力超过了混凝土的抗拉强魔所造成的。本文通过对大体积涌凝土编构裂缝产童原因静分 毫斤，总结蹴对混凝土藤互湿度的控剃措施，铁两选到控臻4 湿度应力，避免继构裂缝的目的。园财 本文对大体积混凝土施工工艺进行了探讨研究，对大体积混凝土后浇带的设计、施工和文体积混 凝冬蠲瓣工豹耱冻秘糖裂避行了论述，慧缍窭安全可靠静技零氆撩，逶蘧工程实例验涯，取缛 了较好的施工效果，为大体积混凝土施工积累了资料。 关键词：大体积漉凝，裂缝控制，滠度威力，“兰掺”技术 a b s t r a c t ab i gt e c h n i c a lp r o b l e mf o rm a s sc o n c r e t es t r u c t u r e sd u r i n gp o u r i n gi sh o w 协c o n t r o lc r a c k e x p a n s i o n ，r e l e a s i n gs t e a mh e a tf r o mt h em a s sc o n c r e t es t r u c t u r e sw h i l es o l k l 坶l a gl e a d s 协p r o d u c e t h et e m p e r a t u r ec h a n g ea n dc o n t r a c t i o n t h e yc a u s et h ec o r r e s p o n d i n gs t r e s s e sw h i c ha 坤t h em a i n f a c t o r st of r o mc r a c ki nt h em a s sc o n c r e t es t r n c t u r e s 。i ti so b v i o u sf o rc r a c kt od e s t r o yt h ec o m p l e t e n e s s a n t i ，w a t e ra n dw a t e r - t o l e r a n tb e h a v i o ro f t h es t r u c t u r e sa n dt ob e c o m eah i d d e np e d lo f t h es t r u c t u r e s t h u sc r a c kc o n l r o lm u s tb ec o n s i d e r e dw h i l eam a s sc o n c r e t es t l a l c t u r e sl nc o n s y n c t i o n 弧ea r t i c l e a n a l y z e st h er e a s o no ft h ec r a c k i n go fm a s sc o n c r e t ea n dc o n c l u d e st h em e a s u r e st oc o n t r o lt h e t e m p e r a t u r es oa st oa v o i dt h ec r a c k i n g ；m e a n w h i l ei ta l s ot e l l sa b o u tt h er e s e a r c ho l lt h ee o n s t r g c t i o i l p r o c e s s ，t h e r e p o no nt h ed e s i g nf o rp o s t - p o u r e ds t r i p ，c o n s t r u c t i n ga n t i f r e e z i n ga n da n t i - c r a c k i n gi n w i n t e r ，f o ri n s t a n c e ，t h es a f ea n dr e l i a b l dt e c h n o l o g ym e a s u r e su s e di nt h ep r a c t i c a lc a s e sh a sb r o u g h tu s e f f e c t i v er e s u l t a l lp r o v i d ei n f o r m a t i o no nt h em a s sc o n c r e t ei nc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：m a s sc o n c r e t e e m c kc o n t r o l ，t h e r m a ls t r e s s ， t h r e e - m i x t u r e s t e c h n o l o g y 中西农业大学硕士学位论文摘嚣 妻羲要 大髂黎混凝主在浇筑孛鹊一令鬟簧技术漯麓燕控割裂缝扩攫。丈律获漤凝主凌嚣琵避翟释教 的水化热会产生较大的潞度变化和收缩作用。由此而产生的温度和收缩应力是导致混凝土出现裂 缝的主要原因，从而影响基础的整体性、防水性翻耐久性，成为结椅的隐惠。为地大俸积港虢 在施工中必须考虑裂缝控刳。秘翦畿犬髂积混凝土藏工过程之中最雾易出现的囊羹逯癌艘是结构 的裂缝，结构裂髓给二f 一程质量造成严重影响。而结构的裂缝最主要的原因悬因为水泥水化热产生 戆濑覆篷力超过了瀑凝主豹抗拉强璇掰逢藏的。本文逶= 醴对大俸积援凝绻掏裂缝产生擐因驰分 析，总结出对混凝土施工温度的控制措施，从而选到控制温度应力，避免结构裂缝的目的。同时 本文对大体积混凝土施工工艺进行了探讨研究，对大体积混凝土后浇带的设计、燎工和大体积混 凝冬期藏王豹糖冻秘骆裂避圣亍了论述，愍缝出安全霹纛的技零接攮，通避工程实捌验诞，取缛 了较好的施工效果，为文体积混凝士施工积累了资料。 关键词：大体积混凝土，裂缝控制，温度威力，“兰掺”技术 a b s t r a c t ab i gt e c h n i c a lp r o b l e mf o rm 8 豁c o n c r e t es t r u c t u r e sd u r i n gp 。u r i 琏gi sh o wt oc o n t r o lc r a c k e x p a n s i o n r e l e a s i n gs t e a mh e a tf r o mt h em a s sc o n c r e t es t r u c t u r e sw h i l es o l i d i f y i n gl e a d s 协p r o d u c e t h et e m p e r a t u r ec h a n g ea n dc o n t r a c t i o n + t h e yc r u s et h ec o r r e s p o n d i n gs t r e s s e sw h i c h 孵t h em a i n f a c t o r st of r o mc r a c ki nl h em a s sc o n c r e t es 咖c t u f e s ，i ti so b v i o r st b rc r a c kt od e s t r o yt h ec o m p l e t e n e s s a n t i w a t e ra n dw a t e r - t o l e r a n tb e h a v i o ro f t h es t r u c t u r e sa n dt ob e c o m eah i d d e np e r i lo f t h es t r u c t u r e s t h u sc r a c kc e n t r e lm u s tb ec o n s i d e r e dw h i l eam r s sc e n t r e * t os t n l c t t t r ci si nc o n s t r u c t i o n ，t h ea r t i c l e a n a l y z e st h er e a s o no ft h ec r a c k i n go fm a s sc o n c r e t ea n dc o n c l u d e st h em e a s n r e st oc o n t r o lt h e t e m p e r a t u r es oa st oa v o i dt h ec r a c l d n g ；m e a n w h i l ei ta l s ot e i l sa b o u tt h er e s e a r c ho nt h ec o m t r u e t i o n p r o c e s s ，t h e r e p o r to nt h ed e s i g nf o rp o s t - p o u r e ds t r i p ，c o n s t r u c t i n ga n t i - f r e e z i n ga n da n t i - c r o c k i n gi n w i n t e r ，f o r i n s t a n c e ，t h es a f e a n dr e l i a b l e t e c h n o l o g y m e a s u r e s u s e d i n t h e p r a c t i c a le a s e sh a s b r o u g h t u s e f f e c t i v er e s u l t a t p r o v i d ei n f o r m a t i o no nt h em a s sc o n c r e t e nc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：m a s sc o n c r e t e ，c r o c kc o n t r o l ，t h e r m a ls t r e s s ，h r e e - m i x t u r e s t e e h n o l o g y 独创性声明 y 9 3 8 3 6 9 本人声明繇呈交的谂文是我个人在导甥指导下遴霉亍匏研究王佟及取褥豹研究拨 采。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中围农业大学或其它教宵机构的学位或证书 悉镬耀过匏毒芎瓣。与我一闲工作熬阚恚瓣本疆变掰锾豹经嚣贡觳海基在谂交孛终了鞠 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： ；0 毒t 论 对闽：矿0 颦t 月f ? 墨 关于论文使用授权的说明 本久完全了鼹孛晷农烂大学鸯关傈蟹、俊瘸学谴论文豹筑宠，零：学校舂蔽臻蘩 送交论文的复印件和磁擞，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印戚扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文静全部或酃分内容。 硬究垒签名：孤至d 焉 导师签 黠鬻：弦。5 年一贯f ，目 时间：谢年r 月沙日 中国农业_ = l - = 学硕士学位论文 第一章绪论 置量量曩目曼量曼量篁量篁量篁量量| 蔓量罾量量邕曼皇篁皇堂皇皇芭曼皇皇鼍阜鼍皇黑i i _ 1 1 大体积混凝土的定义 1 1 1 基本概念 第一章绪论 什么是大体积混凝土，目前国内尚无统一的定义。 我国工程界中一般认为“混凝士结构物中实体最小尺寸大于或等于l m 的部位所用的混凝土 简称大体积混凝土”，这种提法不够科学准确，因为很多独立基础的最小尺寸大于1 日，却不是大 体积，也有很多结构最小尺寸小于l m ，但体积较大，水化热引起的变形也较大，应列入大体积混 凝士之列。中国建筑工程总公司2 0 0 3 年7 月1 日发布的底扳大体积混凝土旌工工艺标准第 1 8 2 1 条之规定，大体积混凝土为“最小断面任何一个方向尺寸大于0 8 m 以上的混凝土结构， 其尺寸己大到必须采取相应的技术措施降低其温差，控制温度应力与裂缝开展的混凝土”。高层 建筑和箱形基础或筏式基础，多有厚度较大的钢筋混凝土底板和深梁；高层建筑的桩基有厚大的 承台：一些大型设备的基础和工程构筑物的基础都是体积较大的混凝土工程。 美国混凝土学会a c l 2 0 7 认为，大体积混凝土是“现场浇筑的混凝土尺寸大到需要采取措 施降低水化热和水化热引起的体积变化。以最大限度地减少混凝土的开裂。美国混凝土学会还认 为，结构最小的尺寸大于0 ，6 m ，即应考虑水化热引起体变化与开裂问题。国际预应力混凝土协会 ( f i p ) 海工混凝土设计与施工建议规定“凡是混凝土一次浇筑最小尺寸大于0 6 m 。特别是水 泥用量大于4 0 0 k g m 3 时，应考虑采用水化放热慢的水泥或采取其他降温散热措施”。日本建筑学 会标准( j a s s s ) 认为“结构断面最小尺寸在8 0 c m 以上，水化热引起混凝士内最高温度与外界气温 之差超过2 5 的混凝土称为大体积混凝土”1 。 其实大体积混凝土的特点除体积较大外，更主要是出于混凝士的水泥水化热不易散发，在外 界环境或混凝士内力的约束下，极易产生温度收缩裂缝。因此仅用混凝土的几何尺寸大小来定义 大体积混凝土，就容易忽视温度收缩裂缝及为防止裂缝而应采取的施工要求。至于用混凝土结构 可能出现的最高温度与外界气温之差达到某规定值来定义大体积混凝土，也是不够严密的，因为 各种温差只有在“约束”条件下才能产生温度应力及随之而来的温度裂缝，避免出现裂缝的允许 温差还需根据约束力的大小来决定，。当内外约束较小时，混凝土的允许温差就大，反之则小。 对于内外温差，混凝土结构工程施工及验收规范规定：大体积泥凝土浇筑温度不宜超过 2 5 ；我国上海地区深基础施工指南规定不超过3 0 ；而在钢筋混凝土高层建筑结构设 计与施工规程中仅规定：“基础大体积混凝土连续旅工时，应实测内部温差”，但未给出具体控 制数值”i 。 根据国外现有的标准，结合本人长期在施工现场的经验认为，大体积混凝土的定义为；现场 浇筑混凝土结构的几何构件尺寸较大，而且必须采取相应技术措施以避免水泥水化热及体积变化 引起的裂缝，这类结构称为大体积混凝土。 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 曼皇曼墨置皇量囊| | 篁基皇喜曼皇簟童奠宙置置皇皇重量舅l i 一 1 2 大体积混凝土裂缝分析 1 2 1 混凝土的胀缩变形与开裂 混凝土最重要的两种变形是一膨胀与收缩。但这两种变形引起混凝士开裂是有条件的，并 非膨胀就不开裂，收缩就一定开裂：或者膨胀就一定开裂。收缩就不开裂，而是膨胀或收缩都有 可能引起混凝土开裂或不开裂，这要看约束条件。约束条件的不同。会产生不同的结果。不受约 束的收缩叫做自由收缩，自由收缩不会引起开裂，受到约束的收缩叫约束收缩，约束收缩达到一 定值时就引起开裂。相反，自由膨胀会引起开裂，而约束膨胀则不会发生开裂。自由与约束两种 不同条件，膨胀与收缩两种不同的变形产生不同的后果，是因为究其本质，它们属于“相向变形” 与“背向变形”两种变形”。 所谓相向变形，就是使混凝土质点的闻距缩小的变形，而背向变形贝i j 使质点的间距加大。因 此，自由收缩是相向变形，自由膨胀则是背向变形。自由收缩使混凝土组织更加密实，使混凝土 与钢筋的粘结力提高；而自由膨胀则相反，它使混凝土组织变松膨胀超过一定限度就会开裂。 约束条件下的收缩变形与膨胀变形，同时包含着相向与背向两种变形。可将约束膨胀变形，分解 为两个部分的变形：一是假定未受到约束质点间距从原长l l 增加到不受约束时能够达到的长度 l 。，也就是自由膨胀的全部变形，这个部分是背向变形；另一是因为约束作用，质点间距从上面 达到的l 2 减小到约束后实际达到的长度l a ，这个部分是相向变形。当约束程度足够大的时候，这 部分相向变形，非但使混凝土避免开裂，并且能起到增强和密实的作用。同样，约束收缩也可分 解为两个部分的变形：一是假定未受到约束，质点间距从原长l ，减小到不受约柬达到的长度k ， 也就是自由收缩的全部变形，这个变形是相向变形。另是因为约束的作用，质点间距从上面达 到的长度l 。加大到约束的实际达到的长度l 3 这个部分是背向变形。当约束程度很大的时候，这 部分背向变形就会引起开裂。 1 2 2 大体积混凝土裂缝产生的原因 大体积混凝土施工阶段所产生的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各质点间的约束，应阻止这种应 变。一旦温度应力超过混凝土能承受的抗拉强度时，即会出现裂缝。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，因此必须予以重视和加以 控制。现将产生裂缝的主要原因分述如下： ( 1 ) 水泥水化过程是大体积混凝土中的主要温度因素” 水泥的水化热与水泥的矿物组成有关。单位质量矿物完全水化时所释放出的热量，最大的是 c , a ( 铝酸三钙) ，其他依次为c s ( 硅酸三钙) 、c a f ( 铁铝酸四钙) 和c z s ( 硅酸= 钙) 。水泥水化热几 乎等于每种矿物分别水化时的水化热的总和。而混凝土导热不良，体积过大，水泥发出的热量聚 集在结构物内部不易散失。通过实测，水泥水化热引起的温升，在水利工程中一般为1 5 2 5 ， 而在建筑工程中一般为2 0 3 0 ，甚至更高。水泥水化热引起的绝热温升，是与混凝土单位体积 中水泥用量和水泥品种( 主要是水化热值) 有关，并随混凝土的龄期( 时间) 按指数关系增长，一般 2 中国农业大学硕士学位论兜第一苹绪论 皇瞎量量曩舞纂蕾皇_ 一i 一_ i i 麓皇_ 褒l o 1 2 d 接近于最终缝热涅舞( 褫气漫变纯瓣异) 。握豳于结构物鸯一个鑫然敬燕条 孛，赛酝上 混凝十内部的最高温度，多数发擞在混凝土浇筑后的最鞠3 5 d 。 由于混凝f _ i 二的导热性能较差，浇筑初期混凝土的强度和弹性横燧都很低，对水化热引起的急 测滠舞约裘币夫，摺嬲戆湛度癌力邀鞍，l 、。瓣饕混凝土龄期熬增长，弹性搜爨貔增离，对瀵凝 内部降温收缩的约束也就愈来愈犬，以致产生很大静拉臌力。当漏凝土的抗拉强度不足雠抵抗这 种拉应力时，便开始出现温度裂缝。 ( 2 ) 羚秀懑变健豹影嚷 外界气溢的变化对大体积混凝土施工阶段的影响是驻而易见的。外界气温愈高，混凝的入 模温度也愈商；外界温度下降，焱增加混凝土的降温幅度，特别是气温骤降，会大大增加混凝土 躯内多 器废差踅，这瓣大俸积嚣凝投鸯琴番l 。 混凝土内部的温魔是水化热的绝热温度、浇注温度和结构物的散热溢降等备种温度的盎加， 而温度应力则是由温麓所引起的濑度变形造成的；温差愈太，温度臆力也愈大。同时，在高温条 串下，夫体襁滢凝士不荔散熬，瀵凝主内黧靛簸离溢度一般胃这6 0 秘，势燕寄较丈的延续时 间。在这种情况下，研究合理的漱度控制措施。防止混凝土内外温麓引起的过犬温度应力，就显 得更为重要。 ( 3 ) 约束条 串鸯滋度裂缝的关系 约束祭件一般可概括为两类；即外约束和内约束( 亦称自约束) 。外约束指结构物的边界条件， 一般指支魔藏其它外界因素对结构镌变形的约束。内约寐撸较大断颟的结构，幽于内部 # 均匀的 漩廑及收瓣分布，各鹱点变形不均匀丽产生的相互约寨。其有大断谣之结构，其变形还可缝受到 其他物体的宏观约束。犬体积混凝土由于温庹变化会产擞变形丽这种变形又蹙到约束，便产生 了应力，这就是浸度交纯引起豹戏力状态。i l 露当应力超过菜一数德，便弓l 起裂缝。 ( 4 ) 混凝土的收缩变形 水泥水化水是必备的一前提条件，但混凝土为了满恩施工和易性的要求。通常所加水耀是水 溅东姥所嚣农薰鹣4 5 培，多余瓣承为游裹窳，游离呔容易蒸发，g 起体积收缩。由于墩势数 必引起体积收缩现象称为干缩。干缩与混凝士降温产生盼冷缩又8 爨加，增大了混凝土巾的拉应 力，加剧了混凝土中裂缝的产生。 妥兹， 接牧缭滢凝土懿疆究秘发震逐灏认识到，懿莱骞意识撼控隶l 羁剩翊灌凝熬爨生嚣 积膨胀变形有可能大大改善某贱混凝土的抗裂性。 l ，2 3 彩瀚天体积漫凝裂缝生弱主鬟嚣素努辑 从上面大体积混凝土裂缝产呶的原因分析中得知，溉凝土裂缝产生的原因悬由于水泥水泥水 他藏热造戏走乡 涅差产生渥瘦癌力，强对牧缨变形受到约束，在混凝中产生缱建力，当控疫力 超过混凝土的极限抗挝强度，混凝土就开裂。因此，冷缩、干湿、自生应力、约束条件、沉陷是 裂缝产生的几个主要因綮。 ( 1 ) 冷壤变形影璃分辑 冷缩变形是混凝土中温度变化引起的变形，混凝土中的温度由三部分组成：浇筑温度、绝热 温升和散热温度。 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 引起收缩变形的内外温差： a t ( o = t j + t r ( t 1 一t s ( t ) 一t o ( t ) ( 1 一1 ) 引起收缩变形的最大降温差 l 。= 巧+ t r ( t ) 一t s ( t ) 一功 ( 1 2 ) 式中：r ( f ) t 龄期内外温差 毛。从最高温度降至环境稳定温度的温差 玎浇筑温度 n ( ，) 水化热引起的绝热温升 t s q ) 混凝土表面散失温度 乃( f ) 混凝土表面温度 乃环境温度 当浇筑温度巧高时，内外温差r ( f ) 和总降温差z o 增大，容易引起表面裂缝和贯通裂缝。 浇注温度与原材料温度高低关系很大，施工时要注意对原材料温度的控制。 当水泥水化热引起的绝热温升n ( 1 ) 增高时，内外温差a t ( t ) 和总降温差z 纛增大，容易引 起表面裂缝和贯通裂缝。而且水泥水化热是混凝土的主要内热源，是影响温差的关键因素水泥 的水化热与混凝士单位体积中水泥用量，水泥品种有关，并随龄期按指数增长。所以要合理选择 水泥的品种，尽量降低水泥的用量。 当环境温度低，混凝土散热快，混凝土表面温度乃( f ) 也低，内外温差a t ( t ) 大，总降温差 z 赢也大，容易引起混凝土的裂缝。为了减小温差，需要对混凝土加强保温养护，进行温控。 ( 2 ) 干湿变形影响分析 混凝土中自由水蒸发会引起体积收缩变形，而吸收水分时又产生湿胀。这种由湿度变化的宜 接影响而产生的体积变形就是千湿变形。 混凝土千湿变形主要起因于空隙水变化时引起的毛细管引力。当混凝土千缩或湿胀时，变形 和湿度之间存在线性关系。近来试验又表明混凝土的千缩系数较湿胀系数大很多，并且混凝土在 干湿交替的条件下，还显示出干缩变形的滞后现象”1 。应该说，对混凝上这些干湿特性的研究 虽然积累了一些成果，但还不够充分，需要进一步由试验来证实。混凝土的湿度状况取决于其导 湿性能( 如水分扩散系数) 和环境湿度。 混凝土内水分扩散的规律和温度传播的规律一样，一般都服从于同一数学形式的扩放方程， 但是混凝土的蒸发干燥过程比其降温冷却过程慢得多，大约要慢1 2 0 0 1 6 0 0 倍。大约新拌混凝 土中只有2 0 的水参与水化，8 0 的水在硬化过程中要蒸发，一般混凝土极限干缩值为3 2 4 1 0 一， 最高可达6 0 x 1 0 一。在大体积混凝土施工中常将干缩值换算为当量温差，与降温差叠加计算， 换算公式为： a t d = 巩a( 1 3 ) 式中：t d 换算当量温差 以混凝土十缩值 口混凝士的温度线膨胀系数 如将极限干缩值32 4 1 0 1 换算成当量温差等于3 2 4 。因此，干缩这是一个不可忽视的变 4 中幽农业大学碘士学位论文第一苹绪论 形值，它的增加也就相应增加了总降温差，总降温差的增加也就增加了混凝土裂缝的可能性。影 响混凝士收缩的因素很多，诸如水泥的强度等级、水的用量、标准磨细度、骨料种类、水灰比水 泥含量、混凝土振捣密实状况、试件截面暴露条件、结构养护方法、配筋数量、经历时间等”1 。 ( 3 ) 自生体积变形 水泥水化时所产生的一种与外载或温湿度变化的直接影响无关的变形称自生体积变形。 自生体积变形是由某些化学或物理因素所促成的。例如：水化过程中水泥颗粒吸水而引起的水泥 胶体的脱水和紧缩混凝土骨料的碱性反应，混凝土吸水时可能使水泥胶体产生新结晶，周期温度 变化时水泥胶体结晶构造或骨料内部构造微小变化所引起的残留变形等。 过去，测量混凝土自生体积变形的试验大都是在试验室恒温恒湿条件下进行的，测得的大多 数结果是收缩。因此，一般都认为在混凝土自生体积变形中由于水泥胶体凝缩而造成的收缩是主 要的，并称这一现象为“自缩”。 混凝土的自生体积变形，主要是水泥水化过程中，水泥晶体成分的体积变化和水化胶状生成 物与晶体生成物的体积变化有关；它不包含混凝土的碱活性反应引起的体积变化( 碱活性膨胀问 题，另有专著论述) ，也不包含湿度、温度所引起的变化，以及由于外部荷载或约束应力引起的 变形它是在水泥水化结晶过程中产生的，主要与水泥品种有关，一般硅酸盐水泥的自生体积变 形，多数是收缩的，只有水泥成分中含有钙矾石( c 以g 。h 。) 、氧化钙( g a o ) ，氧化镁( m g o ) 等的水 泥，能产生膨胀性体积变形，膨胀量大小，膨胀速度以及膨胀过程的形态，对于大体积混凝土温 度收缩补偿作用影响很大。钙矾石型膨胀水泥，膨胀发生在较早龄期，混凝土浇筑7 d 以内膨 胀基本结束。氧化镁型膨胀水泥为晚龄期膨胀水泥，由于水泥中m g o ( 方镁石) 晶体结构致密，延 迟了反应时间，因此膨胀较迟缓。自生体积变形和温度、湿度变形不同，只受化学反应和历时的 影响，没有传导或扩散作用，在常温的情况下，水泥的化学反应是不可逆的。因而，水工混凝士 的自生体积变形过程是单调变化的。混凝土的自生体积变形对坝体应力分布和温度应力，都有一 定的影响，如果自生体积变形是膨胀，则在约束条件下，将产生压应力( 或混凝土降温收缩时， 可壹接抵消收缩变形) ，反之则产生拉应力或收缩变形迭加。膨胀收缩过程也都是先膨胀后收缩， 主要区别是膨胀和收缩的速度，一般认为混凝土自生体积变形，主要决定于水泥的性质，从膨胀 量和膨胀、收缩全过程来看，这种说法是正确的，但从以上的实验成果看，骨料不同特别是热 学性能不同，比如线膨胀系数、容量导温系数等，对膨胀、收缩发生的过程，也有一定影响。 然而，近年来根据国内外实测的大量结果，说明白生体积变形既有收缩也有膨胀。水泥品种 对混凝土的自生体积变形也有不同的影响。对于矿渣水泥为膨胀( 正值) ，对于硅酸盐水泥为收缩 ( 负值) 。国外某些的实阅资料还表明，混凝士所处部位不同，自生体积变形受到不同温湿度条件 的间接影响，其自生体积变形数值甚至相差较大。 ( 4 ) 约束条件的影响分析 从前面分析可知，收缩分为自由收缩和约束收缩，自由收缩不会引起开裂。任何混凝土都受 到程度不同的约束，不受约束的自由混凝土几乎没有。 内约束裂缝的产生；浇筑初期的混凝土处于塑性状态，弹性模量低，变形变化产生的应力较 小对混凝土不会引起裂缝破坏。此后由于水化作用减缓，放出的热量少于散失的热量；或受 寒冷袭击气温陡降，无适应的保温措施，混凝土表面散热快，造成温度陡降，混凝上内外部温差 增大，中部混凝上温度高，发生体积膨胀，外部温度低产生体积收缩约束了内部膨胀，此时混 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 凝土的抗拉强度很低。当超过该龄期的混凝土的极限抗拉强度与变形极限，便会在混凝士表面产 生裂缝。这种因表面与内部温差引起的裂缝，称内约束裂缝。这种裂缝一般产生很早，多呈不规 则状态，深度较浅，属表面性质。 外约束裂缝的产生：在混凝土降温阶段，热量逐渐散发，混凝土温度逐渐下降，因降温使混 凝十体积逐渐产生收缩；与此同时，混凝上在硬化过程中产生收缩变形；当结构受到地基，垫 层或结构边界的外部约束，将产生很大的温度应力一拉应力。当两种应力叠加超过混凝上的抗拉 极限强度时，则在混凝土的底面交界处附近以至混凝上中产生收缩裂缝，称为外约束裂缝“。通 常浇筑体的降温差较大，其形成的收缩变形也就很大。这种裂缝特征是由交界面向上延伸，靠近 基底最大而在上部较小严重的会产生贯穿整个基础全面的裂缝( 称贯穿性裂缝卜 f基层对混凝土的约束 外部约束桩对混凝土的约束 l已硬化混凝土对后浇混凝土的约束 f 混凝土内部与表面互相约束 内部约束1 l 先浇混凝土对后浇混凝士的约束 控制大体积混凝土裂缝的方法分析 由上节分析得知，当收缩变形产生的拉应力盯( f ) 小于混凝土的极限抗拉强度弦，混凝土就 不会开裂，而仃( f ) 的组成如下式： 盯( f ) 夕， 不会开裂( m ) ( 1 _ 4 ) 盯o ) = 仃( f ) 十盯z o ) + 盯s o ) 十盯o ( f ) 一仃并( f ) ( 1 5 ) 式中： 口( f ) 混凝土中心温度与表面温度之差t ( t ) 产生收缩内部约束产生的拉应力 口z 0 ) 总降温差z k 约束产生的应力 盯。( f ) 干缩受约束产生的应力 t r o ( t ) 其他次要因素产生的应力 d ，( f ) 徐变释放的应力 从上式可以看出，控制大体积混凝土开裂从两方面入手。一方面，提高混凝土的抗拉强度， 使其足够大，大到各种因素引起的开裂应力小于它。另一方面，控制各种温度应力，使其尽可能 小，使之小于混凝土的抗拉强度。 ( 5 ) 沉陷 在混凝土浇入模板以后，终凝之前，可以观察到浇筑块水平层面较刚浇筑时降低的现象，这 便是沉陷。沉陷是混凝土内固体颗粒沉降自由水析出的结果。沉陷变形的大部分发生在温凝土浇 筑后- - + 时内，甚至在浇筑后立即发生。混凝土沉陷总量一般不超过1 。发生沉陷变形时混凝上 还处于塑性状态在混凝土中不致引起应力。因此，沉陷变形对应力的影响可不予考虑。“。 综上所说影响混凝土体积变形的因素很复杂。其中温度变形影响最大，沉陷变形基本上可以 忽略，干缩变形在计算薄壁结构或大体积结构表面的应力时需要考虑而对于自生体积变形的性 质则还需要做进一步的研究。 6 ，l 件 条柬约 中国农业大学硕士学位论文 第一荤绪论 1 2 4 提高混凝土抗裂性能 提高混凝土抗裂性能一般常用以下方法： ( 1 ) 掺膨胀剂 在混凝土中掺入膨胀剂，混凝土在硬化过程中产生体积膨胀，这部分膨胀可以部分或全部补 偿硬化过程中冷缩和干缩，减少或避免混凝土的开裂。经部级技术鉴定的产品有安徽省建科所的 明矾石膨胀剂( e 一l ) 、中国建材研究院的复合膨胀剂( e a ) ，u 型膨胀剂( u e a ) 、铝酸钙膨胀剂( a e a ) 和冶金部建筑研究总院的脂膜石灰膨胀剂( c e a ) ，山东省建科所研制成功p n c 膨胀剂，山东建材 科研设计院研制了i i i 型膨胀剂，武汉一冶特种建材厂研制了c a s 微膨胀荆清华大学研制成功一 种微膨胀剂，南京化 学院研制成功氧化镁膨胀剂等。上述膨胀剂分别以钙矾石、氧化钙和氧化 镁作为膨胀源，或者以氧化钙和钙矾石作复合膨胀源。此外，还有将膨胀剂与减水剂等外加剂复 合的品种，如中国建筑科学研究院的j p 型补偿收缩防水剂和利力公司的f s 型抗裂防水剂。现在 商品膨胀剂有u e a 膨胀剂，f l l 复合膨胀剂，f n _ m 明矾石膨胀剂；p g 硫铝酸盐型膨胀剂等等“。 其中u e a 膨胀剂应用较多，在混凝土中掺入1 0 1 2 ，其限制膨胀率为0 0 2 0 0 4 ，可在钢 筋中建立0 2 0 7 m p a 预压力，从而抵消混凝土在硬化过程中产生的全部或大部分拉应力。 ( 2 ) 掺增强材料 在混凝土中掺入增强材料，可以提高混凝土的抗拉强度，如在混凝土中掺入有机纤维、无机 纤维、金属纤维，可明显提高混凝土的抗拉强度。 ( 3 ) 配温度钢筋 钢筋的线膨胀系数a 。约为1 2 1 0 4 “与混凝土的膨胀系数相差很小。因此在温差变 化时，在钢筋与混凝土之间只发生很小的应力。混凝土材料结构是非匀质的，承受拉力作用时， 截面中各质点受力是不均匀的，有大量不规则的应力集中点，这些点由于应力首先达到抗拉强度 极限，引起局部塑性变形，如无钢筋继续受力，使在应力集中处出现裂缝。如进行适当配筋，钢 筋将约束混凝土的塑性变形，从而分担混凝土的应力推迟混凝土裂缝的出现，亦即提高了混凝 土的极限拉伸。当混凝土结构发生收缩时，从直观看，混凝土收缩，钢筋不收缩，因而必然产生 收缩应力，但在含钢率较低的条件下，其数值是微小的，一般可以忽略不计。总之，虽然合理配 筋增加了一定程度的收缩应力是个缺点，但是它提高极限拉伸和约束裂缝扩展的优点大于缺点， 在工程实践中增加构造钢筋能起到控制裂缝扩展，减小裂缝宽度的作用，从而且有抗裂作用。对 于一定的配筋率，裂缝的开展随着钢筋根数的增加而减小，因为钢筋表面积的增加提高了它与混 凝土的粘结力。假若放置过于少量的钢筋当裂缝发生时，沿钢筋表面的滑动力的值可能超过粘 结力，而导致粘结破坏，使放置的钢筋作用不大。工程实践中，要求适当配筋以提高混凝土的极 限拉伸。所谓“适当”是指配筋应该做到细密。一般的大体积混凝土结构的任何方向，其受力 钢筋满足构造配筋率，且钢筋为对称分布时可不必再增加温度筋。在构筑物可能遇到各种方、圆、 矩形孔洞，还有一些结构在长度方向遇有断面突变的情况。在孔洞和变断面的转角部位，出于温 度、收缩作用，同样会产生应力集中而导致裂缝。对此可采取：在孔洞四边增配斜向钢筋、钢筋 网片或护边角铁；尽量避免结构的断面突变，而产生应力集中。当不能避免断面突变时可做局部 处理，将断面做成逐步过渡的形式，同时，增配抗裂钢筋，可提高抗裂性。 ( 4 ) 提高混凝士的强度 中国农业大学顿：e 学位论文第一章绪论 水泥的选用：混凝土强度首先取决于水泥强度及其性能高强混凝土必需以高标号水泥与高 活性材料作为胶结材料。硅酸盐水泥的胶凝性主要来自水化硅酸钙。不同品种的水泥或同一品种 不同类型的水泥在性质上可能会有较大的区别有时同一品种不同类型水泥之间的差别甚至会超 过不同品种水泥之间的差别水泥的选择对于高强混凝土的制造是十分重要的。水泥的需水性影 响混凝土的强度混凝土的需水性既与配合比有关，也与粗细骨料的性质以及是否使用外加剂有 关。在其它条件不变情况下，混凝土的需水性与水泥净浆需水性密切相关水泥净浆标准稠度用 水量较小的水泥，在配制相同稠度的混凝土时，可以采用更小的水灰比因而可以获得更高的强 度。在配制混凝土时加入以减水剂为主要成份的活性物质，会使需水性大大下降从而使采用普 通材料与常规工艺配制高强混凝土成为可能。水泥中熟料经粉磨后颗粒的细度对于水泥强度的发 展特别重要，水泥的强度随水泥颗粒直径的降低而提高，其中早期强度的提高更为显著水泥的 水化是由颗粒表面开始向其内部逐渐进行的根据查阅现有资料只有颗粒直径小于5 0 u m 的水泥， 在普通条件下才有可能全部水化但在水泥的颗粒级配中，直径大于5 0 u m 的颗颗约2 0 左右，因 此有相当一部份水泥并未完全水化较细的水泥颗粒，有利于水化产物的形成并充分发挥熟料的 胶凝性能。为了获得更高标号的水泥可以将水泥进行二次磨细，以增加水泥中小颗粒的相对含 量，提高水泥参与水化反应的能力，加快混凝士各个龄期的强度发展。硅酸三钙与硅酸二钙是水 泥的主要矿物组成，占水泥总重量的7 5 8 0 ，硅酸三钙水化速度很快，决定水泥的早期强度 硅酸二钙主要影响水泥后期强度的发展潜力。水泥在水化过程中，水化产物不断生成并逐步形成 凝胶体，此后，凝胶体中的氢氧化钙和水化铝酸钙逐渐转变成结晶并紧密结合起来，形成具有一 定强度的水泥石。值得注意的是，如果将已结块硬化的水泥加以粉碎并磨细至与水泥相接近的细 度再加到水泥中去，可以起到促进水泥水化增进晶体生成速度的作用把掺有外加剂的水泥晶胚 加入水泥中配制混凝土，可以将混凝土强度提高4 0 以上”。 骨料的选择：粗骨料是混凝土的骨架，优质的骨料不仅可以配制出强度很高的混凝土，而且 也有利于提高混凝土的耐久性。采用高强度岩石作为粗细骨料制造的具有相同配合比与相同养护 条件的混凝土的抗压强度明显地高于采用低强度岩石制造的同样混凝土的抗压强度。混凝土的强 度除了取决于岩石的强度以外，还取决于水泥浆与骨料的粘结强度。粘结界面是结合最弱、孔隙 最多的区域，也是受力时应力集中及外来介质渗透的通道粘结形成的部份原因是骨位粗糙的表 面使水泥浆与骨料表面互相啮合。从这一意义上说采用碎石配制高强混凝土比采用卵石可以获 得更高的粘结强度但粘结强度也受骨料的其它物理化学特性的影响如骨料的矿物组成、化学 活性和顺拉表面的静电条件等。例如，碳酸盐骨料的界面上容易生成碳铝酸钙结晶从而加强界 面作用：石英岩骨料的界石上可以形成纤维状的硅酸钙凝胶。亲水性较好的骨料，界面粘结强度 也较高。接触界面的形成开始于混凝土加水拌和阶段为了使水泥浆能紧密包裹骨料表面，要求 骨料表面是亲水性的。在标准条件下硬化的混凝土，其抗压强度因粗骨料表面的憎水作用耍降 低2 0 3 0 劈裂抗拉强度要降低6 2 8 。经过破碎获得的粗骨料一般具有不规则的棱角与 不平整的表面。使粘结强度得到提高如果采用粒径已符合要求的卵石配制高强混凝，为了提 高粘结能力，则可预先采用机械加工的方法，或者进行化学腐蚀。以增加骨料表面粗糙程度与表 面活性。 水灰比：配制高强混凝土应该尽可能选择最低的水灰比。满足水泥水化所需的水仅占水泥用 量的2 0 2 5 ，但在通常情况下，满足一定的施工和易性所使用的水约占水泥用量的4 0 7 5 。 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 置黑曩量曼量皇葛鼍彦皇量皇晕量曼笪皇皇墨墨皇皇晕皇胃蔓皇墨置罾鼍薯鼎_ ii i 鼍_ 混凝十浇筑后，超过水泥水化所需的水就成了混凝土中的有害成份。据测定，水灰比每增加o 0 2 ， 混凝十的强度约降低7 8 。另外，骨料对混凝士抗压强度的影响也与混凝土水灰比有关。当水 灰比较低时，骨料强度对混凝上强度的影响要比水灰比较高时对混凝土强度影响显著的多。混凝 土减水剂的发展使高强混提土的应用进入了一个新阶段。加入减水剂可以使混凝土拌合物在维持 最低水灰比的情况下获得足够的施工和易性，同时也获得最高的强度。 1 2 5 控制温度应力 ( 1 ) 降低混凝士的绝热升温： 水泥水化产生的水化热是大体积混凝土发生温度变化而导致体积变化的主要根源。千湿和化 学变化也会造成体积变化。但通常都远小于水泥水化热产生的体积变化。因此，除采用水化热低 的水泥外，耍减少温度变形，还应千方百计地降低水泥用量“。一般方法有；减小坍落度，掺大 块石，减小砂率，使用减水剂，缓凝剂，掺混合材( 如粉煤灰) ，采用先进的搅拌工艺。 使用低热水泥；由于矿物成分及掺加混合材数量不同，水泥的水化热差异较大。铝酸三钙( 岛a ) 和硅酸三钙( g s ) 含量高的，水化热较高：混合材掺量多的水泥水化热较低。为降低水化温升、减 小体积变形，大体积混凝土一般不宜使用水化热高的硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，应使用中热 硅酸盐水泥和低热矿渣水泥；更不宜使用早强型水泥“”。因此，在满足混凝土设计要求的前提下， 采用低水化热水泥。 + 降低浇筑温度：降低浇筑温度可以降低温差从而减小温度应力。这方面的措施主要有预冷骨 料( 水冷法、气冷法等) 和加冰搅拌等。浇筑时间最好安排在低温季节或夜间，若在高温季节施工， 则应采取减小混凝土温度回升的措旌，譬如尽量缩短混凝土的运输时间、加快棍凝土的入仓覆盖 速度、缩短混凝士的暴晒时间、混凝土运输工具采取隔热遮阳措旌等。对于泵送混凝土的输送管 道，应全程覆盖并洒以冷水，以减少混凝土在泵送过程中吸收太阳的辐射热，最大限度地降低混 凝土的入模温度。 降低当量温差：当量温差是由于干缩引起的，应减小干缩率。影响干缩率的主要因素有骨料， 养护条件水灰比，掺合料等。 减小水化热温升；这方面的措施主要有预埋水管冷却法和分块浇筑法。对于分块浇筑法来说， 其浇筑层的厚度和浇筑段的长度能对混凝土工程的温度应力、施工速度、施工质量和施工费用形 成较大的影响，对此，应在综合研究时予以考虑和确定。此外，亦可采取“骨料防晒，加冰屑或 冰水搅拌混凝土”等措施以最大限度地降低原材料的温度，从而减少混凝土入模温度，并尽可 能使之低于环境温度，形成负温差。这样，既有利于防止早期的表而裂缝，又能遁过这种负温差 后期在混凝上内引起压应力以抵消内部温差引起的拉应力，防止内部裂缝“。在混凝土内部预 坶水管，通入冷却水，降低混凝士内部的最高温度。 ( 2 ) 减小约柬 减小外部约束：大体积混凝土一般是厚实体重的整浇结构物，地基对其约束十分明显，这是 引起约束收缩，产生裂缝的一个主要因素“。减小地基约束的方法是设置滑动层，即在块体与地 基之间设置砂垫层或沥青油毡层允许块体自由变形。避免开裂。合理分块，缩小约束范围减 轻约柬作用，使收缩自由。分块的方法有设伸缩缝，施工缝，后浇带。 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 减小内部约束：内部约束主要是内外温差过大造成的，解决的方法是加强保温养护，控制内 外温差、降温速率，保证湿度。保温法有覆盖法，暖棚法，蓄水法。覆盖法就是在混凝土浇筑完 毕，用保温材料( 如油布，锯末，草袋，塑料布等) 覆盖在混凝土上面；暖棚法是在块体上面搭设 大棚，通过人 加热使棚内空气满足温控条件。蓄水法是在混凝土终凝后，在块体表面蓄一定高 度的水，利用水的导热系数低，达到隔热保温效果。1 。 综上所述，控制大体积混凝土裂缝的方法很多，而且各种方法