16.ACI 207.1R-05大体积混凝土指南(中文版).pdfVIP

ACI 207 1R 05 大体积混凝土指南 大体积混凝土指南 美国混凝土学会委员会美国混凝土学会委员会 207 号报告号报告 美国混凝土学会制美国混凝土学会制 第一次印制 2006 年 2 月 美国混凝土协会 推进混凝土知识 大体积混凝土指南 大体积混凝土指南 美国混凝土协会 ACI 位于密歇根州法明顿希尔斯 它对自己拥有的版权保留一切权利 未经美国混凝土协会 ACI 的书面同意 不得对本材料的全部内容或部分内容进行复制或拷贝 包括利用任何印刷 机械 电子 胶片或其它散 发和存储介质进行的复制或拷贝 ACI 所属的各技术委员会负责编制 ACI 委员会报告和标准 它们努力在这些文件中避免含糊不清 疏忽及错误 尽管如此 ACI 文件的用户还是会偶尔发现其中的一些信息或要求可以有一种以上的解释 或者不完整甚至不正确 用户如有 ACI 文件的改进建议 请与 ACI 联系 ACI 委员会文件的目标用户是那些有能力对文件的内容和建议的重要性及限制性规定做出评价以及愿意承担因使 用文件所含资料而带来的责任的人士 以任何方式使用此出版物的人士应承担一切风险 并承担因使用此出版物的信 息而带来的全部责任 此出版物提供的一切信息都是 客观 的 没有做出任何形式的保证 不管是明示的还是默示的 这包括但不仅 限于对适合特定用途的或非侵权的适销性及适合度的默示保证 ACI 及其会员对因使用此出版物可能造成的任何形式的损失不负任何责任 这些损失包括任何特殊的 间接的 偶然的或相因而生的损失 包括但不仅限于收入损失或利润损失 本文件的用户有责任制订适合特定的文件使用环境的健康和安全规程 对于健康和安全问题以及本文件的使用 ACI 没有做出任何声明 用户在使用本文件之前 必须确定所有法规的限制性规定的适合性 且必须遵守所有的现行 法律和规定 包括但不仅限于美国职业安全与卫生管理局的健康和安全标准 订购信息订购信息 可提供 ACI 文件的印刷品 下载及 CD ROM 光盘 也可订购 ACI 文件的电子版或单行本 还可与 ACI 订约购买 大多数 ACI 标准和委员会报告都汇集在年年修订的 ACI 混凝土实践手册 MCP 美国混凝土协会 ACI 美国密歇根州法明顿希尔斯 乡村俱乐部大道 38800 号 邮政编码 48331 电话 248 848 3700 传真 248 848 3701 美国混凝土协会 ACI 美国密歇根州法明顿希尔斯 乡村俱乐部大道 38800 号 邮政编码 48331 电话 248 848 3700 传真 248 848 3701 www concrete org ISBN 0 087031 201 4 1 大体积混凝土指南 大体积混凝土指南 美国混凝土学会委员会美国混凝土学会委员会 207 号报告号报告 主席 主席 Stephen B Tatro 委员 委员 Jeffery C Allen Robert W Cannon John R Hess Tibor J Pataky Terrence E Arnold Teck L Chua Rodney E Holderbalm Steven A Ragan Randall P Bass Eric J Ditchey Allen J Hulshizer Ernest K Schrader J Floyd Best Timothy P Dolen David E Kiefer Gary P Wilson Anthony A Bombich Barry D Fehl Gary R Mass 大体积混凝土指尺寸足够大的任何形式的混凝 土 其需要采取措施 以应付水泥及伴随物体积变化 时由于水合作用产生的热量 水化热 使混凝土的破 裂可能性降低到最小程度 通常 大体积混凝土结构根据其耐用性 经济性 和热作用进行设计 混凝土强度常常是次要的设计参 数 大体积混凝土指南 包含大体积混凝土应用发展 的历史记录 同时 还探讨了有关材料及混凝土混合 比 混凝土特性 混凝土施工方法及设备 大体积混 凝土指南 涵盖了采用传统方法浇筑和结合的大体积 混凝土 但不包括压路机压实的混凝土 关键词 关键词 混凝土外加剂 混凝土混合粒料 加气剂 批次 水泥 耐压强度 破裂 滑坍 硬化 耐用性 飞灰 混凝土模板 级配 标号 水化热 大体积混 凝土 混合 混合比 弹性模量 浇筑 泊松比 火 山灰 收缩 张力 应力 温升 热膨胀 振动 容 积变化 目录目录 第第 1 章 导言及历史发展章 导言及历史发展 第 207 1R 2 页 1 1 范围 范围 1 2 历史 历史 1 3 温度控制 温度控制 1 4 长期强度设计 长期强度设计 美国混凝土学会委员会报告 指南及评论为混 凝土施工规划 设计 执行和检查的指导性文件 大 体积混凝土指南 的应用者应有能力评价其内容及 建议的重要性和局限性 并对运用其中包含的材料 负责 美国混凝土学会对其规定的所有基本原则不 负任何责任 美国混凝土学会不对因此造成的任何 损失或损害负责 合同文件中不能引用 大体积混凝土指南 的 规定 若建筑师 工程师想要在合同文件中引用 大 体积混凝土指南 的条款 其必须采用法定语言重 申其使用有关条款的情况 第第 2 章 材料及混合料配合比章 材料及混合料配合比 第 207 1R 5 页 2 1 总则 2 2 水泥 2 3 火山灰及炉渣粉 2 4 化学外加剂 2 5 混凝土粒料 2 6 水 2 7 混合比选择 2 8 温度控制 第第 3 章 特性章 特性 第 207 1R 12 页 3 1 总则 3 2 强度 3 3 弹性特性 3 4 滑塌 3 5 容积变化 3 6 渗透性 3 7 热特性 3 8 剪切特性 3 9 耐用性 第第 4 章 施工章 施工 第 207 1R 19 页 4 1 配料 4 2 拌和 4 3 铺料 4 4 硬化 4 5 浇筑模板 4 6 浇筑层高度及层间浇筑时间间隔 4 7 冷却及温度控制 4 8 使用仪器 4 9 浇筑收缩缝 美国混凝土规范 ACI 207 1R 05 取代 ACI 207 1R 96 并于 2005 年 12 月 1 日生效 版权200 归美国混凝土学会所有 版权所有 在事先得到版权所有者书面许可的情况下 使用者可以 采用任何形式或任何方法复制和使用 大体积混凝土指南 含使用任何 照片处理方法或采用电子或机械装置 印刷 书写 口头进行拷贝 或 记录声音或图像复制 或用于任何专业知识或检索系统或装置 美国混凝土协会 2 第第 5 章 参考文件章 参考文件 第 207 1R 27 页 5 1 参考标准及报告 参考标准及报告 5 2 引用参考 引用参考 第第 1 章 导言及历史发展章 导言及历史发展 1 1 范围 范围 美国混凝土规范 ACI 116R 将大体积混凝土定义为 尺寸足够大的任何形式的混凝土 其需要采取措施 以 应付水泥及伴随物体积变化时由于水合作用产生的热量 水化热 使混凝土的破裂可能性降低到最小程度 通 常 大体积混凝土结构根据其耐用性 经济性和热作用进 行设计 混凝土强度常常是次要而不是主要的设计参数 区分大体积混凝土与其它混凝土工程的一个重要特点是 热特性 由于水泥 水反应具有发热特性 散热极慢的大 体积混凝土内部温升可能极高 由于水化热散热时温度降 低 受限制的容积变化会引起较大的抗张强度和张力 因 此 应采取有效措施 以防治由于热特性引起破裂 从而 可能造成结构完整性及混凝土块作用损失 过分滑塌 混 凝土结构使用寿命缩短或外观缺陷 大体积混凝土实践得 出的许多基本原则同样适用于一般混凝土结构 从而达到 经济性和其它效果 大体积混凝土指南 包含大体积混凝土应用发 展的历史记录 同时 还探讨了有关材料及混凝土混合比 混凝土特性 混凝土施工方法及设备 大体积混凝土指 南 涵盖了采用传统方法浇筑和结合的大体积混凝土 但 不包括压路机压实的混凝土 美国混凝土规范 ACI 207 5R 规定了采用压路机压实的混凝土 大体积混凝土施工实践方法主要根据混凝土坝施工 而形成 其首先确定了由于温度变化引起的混凝土破裂 其它横断面较厚的混凝土结构也会由于温度变化而出现 破裂 包括 席形 底板基础 桩帽 桥墩 厚墙及隧道 衬砌 通常 大体积混凝土结构无需较高的抗压强度 但是 横截面较薄的拱坝需要较高的抗压强度 大体积结构 如 重力坝 主要承受结构载荷及惯性负载 其结构强度为次 要因素 更为重要的是耐用性及特性 与温度特性和破裂 的可能性有关 标准 ACI 207 2R 论述了热量产生 限制和容积变化 对于大体积混凝土构件及结构设计与特性的影响 标准 ACI 207 4R 对大体积混凝土的冷却系统及隔热系统进行 了规定 标准标准 ACI 211 1 则规定了电压计混凝土的混 合比 1 2 历史 历史 当混凝土首次用于修建水坝时 水坝尺寸相对较小 混凝土也采用人工拌和 通常 普通水泥不得不进行老化 处理 以便进行沸腾稳定性试验 混凝土混合粒料为河沙 与砾石 混凝土混合配比则采用铁铲完成 Davis 1963 自从 20 世纪初以来 混凝土领域取得了巨大进步 如今 水坝修建工艺已经极为先进 同时 人们已经能够精确预 测或控制混凝土材料选择与配比 以获得强度 耐用性和 不渗透性适当的成品混凝土 本部分包括目前小型水坝混凝土施工的主要步骤 现 今的大型水坝施工能够实现混凝土材料的精确 自动配比 与混合 即使在极端炎热的天气期间 当施工温度低于 50 10 时 容积为 12 立方码 9 立方米 的称料 斗的混凝土可采用传统工艺以 10000 立方码 日 7650 立 方米 日 的速度进行浇筑 美国的大古力坝 Grand Coulee Dam 至今仍然保持着月浇筑混凝土 536250 立方码 410020 立方米 的历史纪录 紧随其后的是最近 在巴西与巴拉圭两国交界处完成的伊泰普坝 Itaipu Dam 其月浇筑混凝土 440550 立方码 336840 立方米 Itaipu Binacional 1981 巴基斯坦的塔贝拉坝 Tarbela Dam 则创造了由压路机压实的混凝土的月浇筑记录 为 328500 立方码 250200 立方米 现在 通过加入加气剂 和其它化学外加剂及使用精细火山灰材料 使贫混合物得 以利用 通过使用混凝土减水剂 增强剂或硬化控制剂 可以有效地将规定的水泥含量及硬化控制时间减到最小 根据项目规模及水泥厂的生产能力 利用大型地面运输设 备及重型振动压路机浇筑无塌落混凝土的速度受到限制 1 2 1 1900年以前 20 世纪以前 在美国使用的大量 普通水泥从欧洲进口 按照目前的标准判断 当时所有水 泥均为粗粒水泥 水泥未烧透和较高的游离石灰含量也是 十分普遍的现象 该阶段的水坝修建采用河沙与砾石作为 原料 其未经冲洗 以去除不合要求的泥土与细沙 根据 不同是水泥含量与沙石 粗粒料比例 混凝土混合料分为 多种形式 通常采用人工拌和混凝土 铁铲 独轮车 箱 盒或手推车则用于混凝土配料 当时 人们并不知道水 水泥混合比 w c 对混凝土的影响 一般不会尝试控制 混合用水的容积 没有浓度测量措施 只是采用目测检查 新拌和的混凝土 当时 许多水坝为巨石工程 毛石料块 巨石 部 分埋入十分湿润的混凝土主体 另外 毛石料块之间的间 隔也采用十分湿润的混凝土进行填补 一些早期修建的水 坝没有收缩缝和适当的扬程 但是 值得注意的例外是 当时的混凝土是在石块内浇筑 扬程已经调节 浓度极干 的混凝土逐层 薄层 浇筑 并采用严格的人工夯捣进行 压实 一般而言 拌和的混凝土采用独轮车运送到混凝土浇 筑模板 巨石工程采用毛石料块 刚性柱架起重机在工作 区域内作业 搬运湿润的混凝土和毛石料块 混凝土的浇 筑速度至多为数百立方码 立方米 日 通常 人们不 会尝试进行潮气固化处理 与当时普遍做法不同的一个例外是 1890 年建成的 Lower Crystal Springs 坝 其位于加利福尼亚州圣马地奥 市附近 距离南旧金山约 20 英里 30 公里 根据现有 资料记载 Lower Crystal Springs 坝是美国第一个详细规 定了最小允许混合水用量的水坝 这座高达 154 英尺 47 大体积混凝土指南 3 米 的巨型混凝土结构在规定形状和尺寸的联锁块料系统 内完成浇筑 一幅旧照片显示 当时采用了手工捣棒捣实 干混凝土 含水量较低 且推测实用性极低的混凝土 新浇筑的混凝土采用厚木板遮盖保护 防止太阳暴晒 混 凝土保持湿润 直到开始硬化 1 2 2 1900年 1930年 进入 20 世纪以后 各种类型 的混凝土水坝建设步伐极大加快 其间 修建了更多 更 高的用于灌溉 电力和供水的各种水坝 采用料塔和料槽 浇筑混凝土也变得普遍 在美国 普通水泥产业亦发展成 熟 很少再从欧洲进口水泥 但是 在 20 世纪前 30 年期 间 除了适当增加筛选分析的细度要求外 ASTM 美国 材料试验学会 对于普通水泥的规定几乎没有变化 除氧 化镁和灼烧损失的限制规定外 没有规定化学要求 在此 期间 人们更加关注混凝土混合粒料的特性与级配 混凝 土配料方法形成取得了巨大进步 根据 1918 年以前的调 查结果 Abrams与其同事们共同确定了水 水泥强度关系 当时 美国 波特兰水泥协会 PCA 公报 第 1 刊发行 Abrams 1918 然而 他们几乎没有注意到混合用水 量的影响 采用料塔和平坡料槽浇筑混凝土的方法仍然盛 行 其结果是 在确定水 水泥配比的重要性后至少 12 年 前 人们普遍使用过于湿润的混凝土混合料 使用普通水泥制作混凝土时 人们通常并未采用混凝 土外加剂 但也有许多例外 诸如美国再生协会 现为美 国内政部垦务局 USBR 在新墨西哥州修建象山坝 Elephant Butte Dam 和爱达荷州的阿罗罗克坝 Arrowrock Dam 时 就采用了沙子 水泥作为混合料 1915 年 当阿罗罗克坝完工时 这座重力拱坝高达 350 英尺 107 米 为当时全世界最高水坝 该水坝内部采 用贫混凝土 外表面则使用强度更大的混凝土构筑 内部 混凝土的混合料含约 376 磅 立方码 223 千克 立方米 混合的粉末花岗岩 水泥结合物 水泥混合料在施工现场 制作 采用同样比例的普通水泥和花岗岩粉末相互研磨 使不少于 90 的混合料通过孔径为 200 75 微米 的网 筛 相互研磨产生的混合物比当时采用其它方法制作的水 泥粒度细得多 另一个例外是 Big Dalton 坝的一座桥墩混凝土 这座 多拱水坝于20世纪20年代末期由洛杉矶郡防洪管理局承 建 采用了一种产于加利福尼亚州弗里恩特市的浮岩 火 山灰 替代 20 质量的普通水泥 在此期间 巨石混凝土被逐渐淘汰使用 断面较厚的 水坝的大体积混凝土粒料最大尺寸增加达到 10 英寸 250 毫米 混凝土塌落试验开始作为检测浓度的一种手段 在美国 6 12 英寸 150 300 毫米 及 8 16 英寸 200 400 毫米 的混凝土管试验已经变得普遍 欧洲国家多 采用 8 8 英寸 200 200 毫米 混凝土管试验检测混凝 土各个使用阶段的强度 在接近该阶段末期 仍然采用容 量为 3 立方码 2 3 立方米 的混凝土搅拌车 同时 也 使用 4 立方码 3 立方米 的混凝土搅拌车 其间 只有 1 水泥 标准普通水泥 供应 在冰冻和融化条件恶劣的 地区 通常的做法是使用含 564 磅 立方码 335 千克 立 方米 水泥的混凝土混合料制作整块混凝土 常用施工方 法是使用含 376 磅 立方码 223 千克 立方米 水泥的内 部混凝土混合料及含 564 磅 立方码 335 千克 立方米 水泥的外部表面混合料 使水坝表面能够抵抗极端气候条 件 同时 水泥的使用总量也达到最少 在气候温和地区 有些水坝采用水泥含量低达 376 磅 立方码 223 千克 立 方米 的等级混凝土建造 一个例外是 1905 1911 年期间修建于亚利桑那州的 西奥多 罗斯福大坝 Theodore Roosevelt Dam 该大坝为 毛石圬工结构构成 面层采用粗糙的大石块铺砌在普通水 泥灰泥上 水泥由大坝附近的一家水泥厂制造 计算的该 大坝结构的平均水泥含量约为 282 磅 立方码 167 千克 立方米 其内面的粗面石块埋入 1 2 5 的灰泥内 灰泥 的水泥含量约为 846 磅 立方码 502 千克 立方米 在每 一层内 间隔最近的石块之间的空隙之间采用混凝土进行 填补 混凝土的水泥含量为 564 磅 立方码 335 千克 立 方米 其中 岩石碎片采用人工铺砌 在这些情况下 平均水泥含量极低 施工也较为缓慢 也许 西奥多 罗 斯福大坝是最后一座在美国采用上述施工方法修建的大 型水坝 1 2 3 1930 年 1970年 这是一个采用大体积混凝土 施工方法修建水坝的飞速发展的年代 其间 运用料塔和 料槽进行施工的方法逐渐淘汰 且只运用于小型工程 通 常 混凝土采用大料桶浇筑 料桶包括升降设备 空中索 道 铁轨系统或三者结合 如果是更大型和控制更严密的 施工工程 则混凝土粒料进行精心加工 各种原料根据重 量进行配料 混合用水依据容积进行计量 采用精心分配 的矿物外加剂 火山灰 加气剂和化学外加剂后 混凝 土是实用性大为提高 采用了低达 3 英寸 76 毫米 的 塌落度而无需振动 但是 本阶段末期的多数工程使用了 插入式振动器进行夯实 经过对历史记录的研究及实地调查众多水坝 人们发 现许多无法解释的条件差异 例如 质量似乎相同的两个 结构处于同样的环境中 其中 一个结构可能产生过大的 裂缝 而另外一个结构在使用多年后仍然几乎完好 现有的一些大坝的零星记录显示 由于水泥的水合作用 导致外部温度变化差异巨大 混凝土产生裂缝的程度与温 度上升相关 美国混凝土学会委员会 207 号报告 大体积混凝土 部分规定于 1930 年组织 最初为委员会第 108 号报告 目的是收集有关大坝的大体积混凝土重要特性及影响这 些特性的各种因素的信息 Bogue 1949 及其同事们在 国家标准局波特兰水泥协会 PCA 的协力下 发现了普 通水泥的主要混合成分 稍后 Hubert Woods 及其同事们 进行了大量调查 确定各种混合物对水化热及灰泥和混凝 土强度的影响 美国混凝土协会 4 1930 年伊始 内华达州的胡佛大坝 Hoover Dam 开始初步规划 由于胡佛大坝规模空前 人们进行了比以 往任何工程更为精心的调查 以确定各种因素 诸如水泥 的成分和细度 水泥系数 硬化温度 粒料最大尺寸 对 于水泥的水化热 抗压强度及灰泥和混凝土其他特性的影 响 上述研究的结果使得人们修建胡佛大坝时采用了低 热量水泥 研究还为埋管冷却系统提供的设计资料 当时 胡佛大坝首次采用了埋管冷却系统 靠近南加州的帕萨迪 那 Pasadena 的莫里斯大坝 Morris Dam 第一次使用 了低热量水泥 该大坝始于胡佛大坝前一年修建 胡佛大 坝的施工设备容量之大史无前例 混凝土配料及混合完全 采用自动化作业 其中 装备 4 立方码 3 立方米 混凝 土搅拌车的两台混凝土设备的最大日产量超过了 10000 立方码 7600 立方米 混凝土通过空中索道采用 8 立方 码 6 立方米 的大料桶运送 初期通过夯捣和捣固进行 压实 1933 年春 开始使用大型的内部振动器 此后 这种振动器用于压实其余的混凝土 在大约两年时间内 共浇筑混凝土 3200000 立方码 2440000 立方米 胡佛大坝标志着进入大型混凝土大坝施工工艺完善 的新时代 在以当时前所未有的施工速度于 1935 年完工 后 胡佛大坝采用的施工工艺加以还进 并从此用于美国 及许多其它国家多数最大型的混凝土大坝工程中 由洛杉矶郡防洪管理局承建的 Big Dalton 大坝首次 尝试采用火山灰材料 浮岩 邦纳维尔水坝 Bonneville Dam 由俄勒冈州工程团于 1938 年建成 采用了普通水 泥与火山灰的结合物作为混凝土原料 普通水泥与火山灰 的结合物采用水泥溶渣与火山灰相互研磨制作 火山灰通 过在大约 1500 820 的高温煅烧改变的火山材料制 作 水泥溶渣与火山灰的重量比为 3 1 根据混凝土的 试验结果 选用这种水泥作为邦纳维尔水坝混凝土材料 试验显示 其具有较高的延伸性且温度上升较低 这是美 国已知最早采用相互研磨的波特兰 火山灰水泥的混凝土 水坝 单独使用火山灰作为粘合材料添加到混凝土搅拌车 以 30 或更大比例的水泥材料 已经成为美国标准局 USBR 田纳西流域管理局 TVA 美国陆军工兵集 团军 USACE 及其它机构的标准做法 20世纪50年代 人们开始重视混凝土混合料减水剂 控制凝结的缓凝剂及提高混凝土强度的化学外加剂作为 提高大体积混凝土质量的材料的重要性 1960 年 Wallace 和 Ore 出版了关于这些材料对于大体积贫混凝土作用的 报告 自此 化学外加剂用于大多数大体积混凝土施工 1945 年前后 有意往多数遭受不利气象条件的结构 混凝土中掺入空气成为一种标准的做法 这种方法通常适 用于混凝土路面 钢筋混凝土以及大坝暴露的混凝土表 面 实际上 1945 年以来修建的所有大坝的内 外部混 凝土的混合料中均使用了加气剂 从此 常规大体积混凝土浇筑工艺在很大程度几乎保 持不变 大体积混凝土领域的重大新发展是使用压路机压 实混凝土 1 2 4 1970年至今 在这个时代 出现了压路机压实 混凝土 并成为大体积混凝土浇筑的主导工艺 由于压路 机压实混凝土目前应用广泛 单独的 ACI 207 5R 报告成 为本部分主要参考标准 许多大 小型工程至今沿用传统 的大体积混凝土浇筑工艺 尤其是不适合或难以采用压路 机压实混凝土的大体积混凝土工程 这种情况常涉及拱 坝 尺寸较大的墙体 以及一些基础工程 尤其是需要加 固的工程 由于化学外加剂的不断发展 使得特大型水下混凝土 浇筑成为可能 混凝土的横向流动距离可达 100 英尺 若 结构构件为预先浇筑或预制件 且后者采用水下混凝土填 补 则可以使用漂浮施工法 大坝断面及发电站就是采用 这种施工方法 1 2 5 水泥含量 20 世纪 20 年代后期至 30 年代初 期 任何大体积混凝土必须含不小于 376 磅 立方码 223 千克 立方米 的水泥实际上成为了一条不成文的规定 该时期的一些管理部门认为 水泥系数决不能小于 564 磅 立方码 335 千克 立方米 由田纳西流域管理局于 1936 年承建的诺里斯大坝 Norris Dam 田纳西流域管理局 1939 的内部混凝土的水泥因数为 376 磅 立方码 223 千克 立方米 结果是 诺里斯大坝混凝土出现过度开裂 使用 1 年后的湿筛 6 12 英寸 150 300 毫米 混凝土 管的抗压强度为 7000psi 48 3MPa 同样 经过测试 在使用 2 年后 取自大古力大坝水泥含量为 376 磅 立方 码 223 千克 立方米 的初期混凝土的核心样本 18 36 英寸 460 910 毫米 的抗压强度超过 8000psi 55MPa 根据混合物判断 使用的水泥为中等放热型 对应的水泥 标号为 水泥 考虑到上述两个混凝土结构内的应力水 平较低 很显然 完全没有必要采用如此高的抗压强度 可以预见 在未来类似的施工中减少水泥含量会大大减少 混凝土破裂的可能性 海沃西大坝 Hiwassee Dam 由田纳西流域管理局 TVA 于 1940 年完工 其混凝土的水泥含量为 376 磅 立方码 223 千克 立方米 其人工堤出现了破裂 该大 坝结构大体积混凝土的水泥含量仅为 282 磅 立方码 167 千克 立方米 这个值对于当时而言低得异乎寻常 令人 惊异的是 海沃西大坝并未出现导致水泥含量减少的热破 裂 这种情况仍在持续 自此 内部大体积混凝土的 水泥含量约为 235 磅 立方码 140 千克 立方米 甚至低 达 212 磅 立方码 126 千克 立方米 大体积混凝土 水泥含量为 235 磅 立方码 140 千克 立方米 的大型重 力坝的一个例子是加利福尼亚的 Pine Flat 大坝 该大坝于 1954 年由美国陆军工兵集团军 USACE 修建 承受中 等应力水平的高拱坝内 大体积混凝土混合物的水泥含量 通常在 300 450 磅 立方码 180 270 千克 立方米 范围 内 若该类大坝断面较窄且承受应力更大 则应采用水泥 大体积混凝土指南 5 含量更高的混凝土 水泥含量 包括火山灰 年代更近的大坝的例子还有 拱坝 格伦峡坝 Glen Canyon Dam 的水泥和火山 灰含量为 282 磅 立方码 167 千克 立方米 该大坝 为亚利桑那州一座断面较薄的拱坝 于 1962 年建成 科罗拉多州的莫罗波因特坝 Morrow Point Dam 的水泥含量为 373 磅 立方码 221 千克 立方米 于 1968 年建成 洪都拉斯 Humuya 河的埃尔 卡洪坝 El Cajon Dam 的波特兰 火山灰水泥 IP 含量为 303 253 磅 立方码 180 150 千克 立方米 于 1984 年建成 连续重力坝 俄勒冈州的底特律大坝 Detroit Dam 水泥的含量为 226 磅 立方码 134 千克 立方米 于 1952 年完工 蒙大拿州的利比大坝 Libby Dam 水泥及飞灰的含量为 194 磅 立方码 115 千克 立 方米 于 1972 年建成 巴西的 Ilha Solteria 大坝 水泥及煅烧粘土的含量为 184 磅 立方码 109 千克 立方米 于 1973 年建成 1 3 温度控制 温度控制 自从 20 世纪 40 年代早期开始 人们采用在混凝土材 料混合前进行预冷的做法 以便在水合作用期间内部大体 积混凝土获得较低的最高温度 同时 这种方法也广泛应 用于大坝施工 首次采用混凝土材料预冷可能在 1941 1945 年期间 当时 由美国陆军工兵集团军 USACE 修建了诺福克 大坝 Norfolk Dam 计划在天气较为暖和的月份将碎冰 加入混合用水 通过这样 新拌和的大体积混凝土的温度 可以降低约 10 5 6 不但将碎冰加入混合用水 而 且 配料前 粗粒料也采用冷气或冷水进行预冷 最近 人们采用各种方法预冷潮湿的粗 细粒料 包括真空饱和 法和液态氮喷射法 在夏季气温高的地区 预冷大坝以保 证浇筑的混凝土温度不超过约 50 10 几乎已经成 为美国标准的做法 在一些大坝上 包括胡佛大坝 顽石坝 同时采用 了埋管进行预冷和冷却后制冷的方法 美国国家标准局 1949 这种方法的一个范例是格伦峡坝 Glen Canyon Dam 在夏季期间 其环境温度可能超过 100 38 预冷的新混凝土的温度不超过 50 10 通过采用冷 却的粒料和碎冰 从而获得如此的低温混凝土 利用埋管 冷却 硬化后的混凝土的最高温度保持在 75 24 以下 有时 带横向接缝的重力坝和拱坝需要进行预冷工 艺 以便通过冷却硬化后的混凝土打开横向接缝灌浆 预 冷控制裂缝同样适用于控制最高温度 1 4 长期强度设计 长期强度设计 20 世纪 50 年代最重要的发展就是摒弃 20 日强度作 为大坝的设计要求 通常 混凝土使用至少 1 年前 载荷 作用下不应产生最大应力 在大体积混凝土硬化条件下 一般采用水泥和火山灰 28 日与 1 年之间的混凝土强度 增加通常较大 ACI 232 2R 报告 混凝土强度增加范围 可能为 30 到超过 100 不等 取决于水泥材料的数量和 配料及粒料特性 详细规定大体积混凝土在使用后期 如 1 年或 2 年后 想要的强度已经成为一些大坝设计者的习 惯做法 在施工现场进行常规的质量控制时 若粒料尺寸 大于 1 1 2 英寸 37 5 毫米 则通常采用 6 12 英寸 150 300 毫米 的混凝土管 大于 1 1 2 英寸 37 5 毫米 的粒料通过湿筛法从混凝土中清除 湿筛混凝土的强度要 求与实验室试验规定的全混凝土强度相关 第第 2 章 材料及混合料配合比章 材料及混合料配合比 2 1 总则 总则 与其它混凝土一样 大体积混凝土也由水泥 粒料 水及通常采用的火山灰和外加剂组成 大体积混凝土混合 料配合比的目的选择材料组合 以制作符合结构要求的混 凝土 包括结构的经济性 实用性 尺寸稳定性 无破裂 较低的温度升高 足够的强度 耐用性 以及 液压结构 的 低渗透性 本章描述了成功使用于大体积混凝土施工 的各种材料 以及影响选择和配料的种种因素 本章的建 议可能需要根据特殊的应用予以调整 诸如大体积预制梁 部分 混凝土导管关注 压路机压实的混凝土 ACI 211 1 部分也包括大体积混凝土配料指南 尤其是附件 5 其详 细规定了大体积混凝土配料的工序 2 2 水泥 水泥 ACI 207 2R 及 ACI 207 4R 另外收录了有关水泥标号 及热量产生影响的信息 以下各种水凝水泥适合于大体积 混凝土施工使用 普通水泥 标准 ASTM C 150 规定的 水泥 混合水泥 标准 ASTM C 595 规定的 P IP S IS I PM I SM 水泥 以及 水凝水泥 标准 ASTM C 1157 规定的 GU MS HS MH LH 水泥 当普通水泥与火山灰或其他水泥混合使用时 各种材 料在混合设备内分开计量 通过将水泥总含量限制在最小 程度 以获得经济性和较低的温度升高 水泥和 GU 水泥适合于一般混凝土结构施工 由 于这两种水泥的水化热极高 不建议在未采取控制温度问 题的措施时单独使用 水泥 中等发热 和 MH 水泥适合于大体积混凝 土结构施工 由于其水化热程度适中 对控制混凝土破裂 极为重要 水泥必须规定适中的热量选择 因为多数 水泥和 MH 水泥设计具有适当的抗硫酸盐特性 且不 具备适当的发热特性 普通水泥的规范要求其包含不 超过 8 的铝酸三钙 C3A 其混合物对混凝土内部早期 热量产生影响极大 水泥选择性规范限制了 58 或以 下的铝酸三钙 C3A 和硅酸三钙 C3S 含量 或 7 日 的水化热限值在 70 卡 克 290 千焦耳 千克 规定了其 中的一条选择性要求后 标准 ASTM C 150 规定的水泥浆 美国混凝土协会 6 的 28 日强度要求降低 这是因为 该标号水泥的强度增 加速度更加缓慢 水泥和 LH 水泥为低热水泥 可以用于需要产生 较低热量的大体积混凝土结构 近年以来 水泥和 LH 水泥使用较少 原因是其制造困难 更为重要的是 经验 显示 在多数情况下 可以通过其他方法有效控制混凝土 发热 水泥规范限制的铝酸三钙 C3A 含量为 7 硅酸三钙 C3S 含量为 35 且硅酸二钙 C2S 最小 值为 40 根据买方选择 可以将 7 日水化热限制在 60 卡 克 250 千焦耳 千克 28 日水化热限制在70 卡 克 290 千焦耳 千克 通常 在美国不能买到 水泥 水泥和 HS 水泥为抗硫酸盐水泥 常见于硫酸盐 含量较高的土壤 且常常具有适中的发热特性 水泥 和 HS 水泥的价格通常高于 水泥 其通常碱性较低 碱 当量小于 0 6 发热量也较低 7 日发热量小于 70 卡 克 IP 波特兰 火山灰水泥是由普通水泥或波特兰矿渣 水泥及细火山灰制作的均匀混合物 P 水泥与之相似 但 早期的强度要求更低 两种水泥可以通过相互研磨普通水 泥溶渣或波特兰矿渣水泥及细火山灰制作 火山灰成分占 波特兰 火山灰水泥重量的 15 40 P 水泥通常含有更 多的火山灰 PM 火山灰改进普通水泥的火山灰含量小于 15 其特性与 水泥相似 通过添加后缀 MH 的可 选择性要求 IP 水泥及 PM 水泥的水化热限制在 7 日 70 卡 克 290 千焦耳 千克 添加后缀 LH 则可以 选择限制 7 日水化热为 60 卡 克 250 千焦耳 千克 IS 波特兰矿渣水泥是一种采用普通水泥与细矿渣产 生的均匀混合物 可以通过相互研磨普通水泥熔渣和矿渣 水泥或混合普通水泥与粒化高炉矿渣粉制作 IS 水泥 炉 渣用量可能为波特兰矿渣水泥重量的 25 70 不等 该标 号水泥有时与火山灰混合使用 S 矿渣水泥为细粒材料 包含均匀混合的粒化高炉矿渣粉和熟石灰 其中 矿渣至 少占矿渣水泥重量的 70 矿渣水泥通常与普通水泥混 用 以制作混凝土 SM 矿渣改进普通水泥的矿渣含量小于 25 其特性与 水泥相似 可选择的水化热要求适用于 IS 水泥和 SM 水泥 与 IP 水泥 PM 水泥和 P 水泥用途相似 标准 ASTM C 150 规定的低碱水泥为碱含量不超过 0 60 的普通水泥 该含量等于氧化钠 Na2O 百分比加 上氧化钾 K2O 百分比乘以 0 658 若水泥用于粒料可 能产生有害反应的混凝土中时 则可以对其进行详细规 定 使用低碱水泥无需始终控制高反应性的非结晶硅质粒 料 使用经过证明的火山灰以确保控制碱 粒料反应的做 法也许更可取 2 3 火山灰及炉渣粉 火山灰及炉渣粉 火山灰通常被定义为硅质或硅 铝材料 其具有少许 粘性或没有粘性 但细粒材料在常温及潮湿条件下能够与 氢化钙发生化学反应 以形成具有粘性的混合物 通常 火山灰采用标准 ASTM C 618 关于天然 N 级 或飞灰 F 级或 C 级 的规定或分类 有些火山灰 诸如 C 级飞灰 包含类似于普通水泥的众多成分 同样 C 级飞灰本身具 有粘性 对混凝土强度影响较大 火山灰与氢化钙或普通水泥水合作用期间释放的熟 石灰发生化学反应 形成一种稳定的产生强度的粘性混合 物 应采用非晶状态的火山灰硅质材料 如玻璃或乳色玻璃 以获得最佳性能 结晶硅质材料 如石英石 在常温条件 下并不容易与石灰结合 除非将其压膜成细粉 标准 ACI 232 2R 论述了在混凝土中使用飞灰的方法 ACI 233R 则 规定了粒化高炉矿渣粉 在整个美国西部 天然火山灰材料以十胜石 浮岩 火山灰 凝灰岩 粘土 页岩 矽藻土等形式存在于大型 地层沉积物中 这些天然的火山灰物质一般需要研磨 其 中 一些天然状态的火山灰材料细度核实 粘土和页岩除 研磨以外 还应进行活化处理 以形成非晶状态 方法是 在温度为 1200 1800 650 980 的范围内煅烧 飞灰为燃烧精磨煤或粉煤时产生的烟道灰 如果飞灰 合适 碳含量较低 且为粒度较细的玻璃状球体 则飞灰 可以作为极好的火山灰使用 由于飞灰的形状和质地原 因 当在混凝土中掺入飞灰时 通常要求降低混合用水的 用量 许多案例显示 可以通过研磨玻璃状球体使其裂化 从而提高飞灰的火山灰活性 但是 这样做可能会降低飞 灰的润滑能力 同时提高混凝土的耗水量 通常 硅石含 量较高的 F 级飞灰为性能极好的火山灰 而有些 C 级飞 灰则可能含有极高的氧化钙 CaO 尽管其拥有良好的 粘结特性 但不适合用于控制碱 粒料反应 或用于改进 混凝土的抗硫酸盐能力 另外 C 级飞灰在降低混凝土放 热方面作用较次 大体积混凝土中的火山灰可以用于减少普通水泥系 数 以便更加经济 降低混凝土内部放热 提高实用性 减小由于碱 粒料反应及硫酸盐侵蚀造成损害的可能性 但是 应当认识到 不同的火山灰的特性可能差异极大 因此 使用火山灰之前 其应与工程的水泥和粒料结合试 验 以确定火山灰是否会对混凝土的质量及经济性产生积 极影响 与普通水泥相比 火山灰反应早期产生强度的速 度较缓 但随后持续较长的时间会以更快的速度产生强 度 可以预见 在使用的后期阶段 普通水泥 火山灰混 凝土的初期强度会小于同样用途设计的普通水泥的强度 若要求大体积混凝土某个部分比标准大体积混凝土混合 料更早获得强度 则建议采用其他方法 采用替代的更早 强度混凝土增加混凝土的内部放热 若使用火山灰 则可 能需要临时放弃使用火山灰 或使用纯普通水泥吸收增加 的放热 但是 若碱 粒料反应具有潜在的危险性 则应 使用火山灰 但增加水泥含量会导致强度提高加快 大体积混凝土指南 7 火山灰 尤其是天然火山灰 被发现能够有效减少含 活性粒料的混凝土的膨胀 混凝土膨胀减少量由于不同的 火山灰化学组成 细度及用量而差异极大 有些火山灰对 于混凝土膨胀减少量可超过 90 在碱性物质与粒料产生 有害反应之前 火山灰会消耗水泥中含有的碱性物质 从 而减少混凝土的膨胀量 若采用容易与碱反应的粒料 则 使用低碱水泥及证明具有校正能力的火山灰被认为的不 错的做法 标准 ACI 221R 论述了碱 粒料反应的规定 根据 Mather 1974 的一些试验结果报告 若内部 大体积混凝土的应力较低 则在使用后期更为经济和理想 强度的前提下 应采用比例高得多的火山灰 水泥 例如 实验室试验结果显示 进行加气处理的大体积混凝土 若 其水泥含量为 94 磅 立方码 53 千克 立方米 加上体积 等于 188 磅 112 千克 水泥重量的飞灰 能够产生极其 实用的混凝土混合料 其中 混合用水的含量小于 100 磅 立方码 60 千克 立方米 湿筛 6 12 英寸 150 300 毫米 混凝土管 1 年的抗压强度约为 3000psi 21MPa 对于上述例子中的混凝土混合料 其质量温度上升极小 一般高度的重力坝 其材料需进行预冷 使混凝土成形后 的温度低于平均年或石块温度约 15 8 有可能不 需要纵向或横向收缩接缝 由于水泥的水合作用产生的大 体积混凝土内部最高温度不能略高于年平均温度 混凝土粒料的颗粒形状及其对混凝土实用性的影响 的重要性降低 这是因为 可以通过使用火山灰 进行加 气处理和掺入其他化学外加剂增加混凝土的实用性 开发 新型火山灰 如稻壳灰和微硅粉 可能在未来大体积混凝 土工程中发挥巨大的作用 粒化高炉矿渣粉通常指矿渣水泥 在大体积混凝土 中 同样可以将其作为单独的水泥材料成分与普通水泥混 用 标准 ASTM C 989 规定了混凝土中使用矿渣水泥的要 求 若矿渣水泥与 普通水泥混用 则要求粒化高炉矿 渣粉的含量至少不小于全部水泥材料重量的 70 且包含 活性矿渣 以产生水泥 矿渣结合物 7 日水化热小于 60 卡 克 250 千焦耳 千克 由于水合作用速度稍微减缓 加入矿渣通常会降低水化热速度 粒化高炉矿渣粉还会在 混凝土中产生许多有益的特性 就像使用适当的火山灰获 得的特性一样 包括诸如可渗透性降低 控制用于粒料反 应造成的混凝土膨胀 抗硫酸盐特性 提高实用性 但是 粒化高炉矿渣粉的使用比例通常比火山灰高得多 以便获 得相似的特性 2 4 化学外加剂 化学外加剂 可塑状态的化学外加剂能够对大体积混凝土产生重 要的作用 包括增加实用性 减少含水量 或同时增加实 用性和减少含水量 另外 化学外加剂可以用于抑制混凝 土初期凝结 修正混凝土水泥泛浆的速度或容量 减小混 凝土离析 降低混凝土塌落损失的速度 化学外加剂能够 为硬化的大体积混凝土产生重要作用 包括在硬化期间减 少放热 增加混凝土强度 减少水泥含量 提高耐用性 降低可渗透性 提高混凝土的抗磨损或抗腐蚀能力 标准 ACI 212 3R 详细规定了所有类型的化学外加剂 对大体 积混凝土作用重要的化学外加剂分为加气剂 减水剂或硬 化控制剂 加气剂包括能够在混凝土拌和期间产生微量气泡的 各种化学材料 从而提高混凝土的实用性 减少混凝土离 析 减少混凝土水泥泛浆 降低可渗透性 增加抗冰冻 融化循环引起的损害 加气处理能够极大提高贫混凝土的 实用性 使得使用更粗糙 等级更次或外形更差的粒料成 为可能 加气剂还有利于大体积混凝土浇筑和搬运 每 1 的加气剂可以减少约 2 4 的混合用水 在一定程度提 高混凝土的实用性 且无塌落损失 若加气剂气泡系统任 何气泡中没有出现尺寸大于 0 008 英寸 0 20 毫米 的水 泥母材 则根据冰冻 融化试验测量的混凝土耐用性大大 提高 加气剂能够极大减少多数混凝土的强度 若混凝土的 水泥含量保持不变 并利用降低的混合用水要求 则强度 较低的贫大体积混凝土中的加气剂对混凝土的强度影响 可以忽略不计 甚至可以稍微增加混凝土的强度 一定数 量的混凝土中加入加气剂剂量的影响因素包括 混凝土混 合粒料的等级和颗粒形状 混合料的浓度 其它化学外加 剂掺入情况 拌和时间 塌落 混凝土温度 一定数量的 加气剂 空气含量随着塌落增加到 6 英寸 150 毫米 而 增加 并伴随细度 混凝土温度和拌和时间增加而降低含 量 若采用含碳的飞灰 则需要增加加气剂的用量 大多 有关大体积混凝土的规范规定 通过 1 1 2 英寸 37 5 毫 米 筛子湿筛的混凝土样品确定的加气剂数量约为 5 尽管有些情况下加气剂的比例高达8 标准ASTM C 260 规定了加气剂的各种要求 减水剂和凝结控制剂通常包含下属一种或数种成分 木质素磺酸 羟基羧酸 聚合碳水化合物 萘或三聚氰胺 型多种减水剂 大体积混凝土中不使用促凝剂 因为 大体积混凝土不需要早期强度 且促凝剂会使混凝土块内 部产生过多热量 减水剂用于减少混合用水 从而增加混凝土强度 减 少混凝土收缩 增加混凝土的实用性 或使用更少的水泥 产生同样的强度 凝结控制剂可以用于使大块混凝土保持 更长的可塑性 以便在底层混凝土凝结前连续浇筑或振动 上面的混凝土层 上述前三类材料的化学外加剂通常会减 少约 10 的混合用水要求 延迟初始凝结时间至少 1 小时 但不减少混凝土塌落损失 并稍微增加混凝土的强度 若采用混凝土缓凝剂 则 12 小时后的混凝土强度通常可 以达到不含外加剂的混凝土的强度 当混凝土浓度 水泥 成分 温度和其他因素不同时 使用化学外加剂一般会使 1 日 7 日 28 日和后期混凝土强度增加 可以通过减水 量或水 水泥混合比变化程度解释这种强度增加 化学外 加剂有利于水泥的水合作用 羧基酸累外加剂能够增加混 凝土泛浆 大范围减水剂没有用于大体积混凝土施工 但 美国混凝土协会 8 是 委内瑞拉的古里水坝 Guri Dam 就采用了这些减水 剂 应用于加固的大体积混凝土基础 不断开发化学外加 剂使得其能够保持一致和长期的稳定性能 并使得各种减 水剂广泛用于当今的多数大体积混凝土混合物 标准 ASTM C 494 规定了各种化学外加剂的要求 2 5 混凝土粒料 混凝土粒料 标准 ASTM C 125 规定了各种粗细不同的混凝土粒 料以及与之相关的术语 ACI 221R 包含了混凝土粒料的 补充信息 精细粒料包括几乎全部通过 4 4 75 毫米 滤筛的 粉末料 细粒料可能包含天然颗粒 粉碎尺寸更大的石子 制作的颗粒 或两者的混合物 细粒料应包括硬的 稠密 的 耐用的 无涂层的颗粒 细粒料不能含数量不利的粘 土 淤泥 灰尘 云母 有机物或其它杂质 当混凝土成 分采用标准配比时 上述物质单独或组合会导致无法获得 要求的混凝土特性 有害物质通常限制重量百分比 见表 2 1 水位变化较大区域的混凝土 如桥墩 水坝或其它 液压结构的混凝土 其有害物质的最大允许百分比应为 50 低于表 2 1 中的规定值 长期浸入水中及大坝内部 混凝土的有害物质的最大允许百分比可以高出 50 图图 2 1 粗粒料再洗 粗粒料再洗 细粒料级配极大影响了混凝土的实用性 混凝土沙子 精细级配应满足表 2 2 中的限制值 但是 实验室试验可 能显示其它的粒料等级适用 使得细粒料级配范围极为广 泛 尽管粒料级配要求本身较为灵活 但是 一旦比例确 定 始终保持合理的沙子等级 以避免混凝土实用性