大体积混凝土研究.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除一、 大体积混凝土简述： 现代建筑中时常涉及到大体积混凝土施工,如高层楼房基础、大型设备基础、水利大坝等。它主要的特点就是体积大，一般实体最小尺寸大于或等于1m。它的表面系数比较小，水泥水化热释放比较集中，内部温升比较快。混凝土内外温差较大时，会使混凝土产生温度裂缝，影响结构安全和正常使用。所以必须从根本上分析它，来保证施工的质量。 二、大体积混凝土的裂缝 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；而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。 但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。 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。 大体积混凝土施工阶段所产生的温度裂缝，一方面是混凝土内部因素：由于内外温差而产生的；另一方面是混凝土的外部因素：结构的外部约束和混凝土各质点间的约束，阻止混凝土收缩变形，混凝土抗压强度较大，但受拉力却很小，所以温度应力一旦超过混凝土能承受的抗拉强度时，即会出现裂缝。这种裂缝的宽度在允许限值内，一般不会影响结构的强度，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。 产生裂缝的主要原因有以下几方面： 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，并随混凝土的龄期而增长。由于混凝土结构表面可以自然散热，实际上内部的最高温度，多数发生在浇筑后的最初35天。 2、 外界气温变化 大体积混凝土在施工阶段，它的浇筑温度随着外界气温变化而变化。特别是气温骤降，会大大增加内外层混凝土温差，这对大体积混凝土是极为不利的。 温度应力是由于温差引起温度变形造成的；温差愈大，温度应力也愈大。同时，在高温条件下，大体积混凝土不易散热，混凝土内部的最高温度一般可达6065，并且有较长的延续时间。因此，应采取温度控制措施，防止混凝土内外温差引起的温度应力。 3、 混凝土的收缩 混凝土中约20的水分是水泥硬化所必须的，而约80的水分要蒸发。多余水分的蒸发会引起混凝土体积的收缩。混凝土收缩的主要原因是内部水蒸发引起混凝土收缩。如果混凝土收缩后，再处于水饱和状态，还可以恢复膨胀并几乎达到原有的体积。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。 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。 三、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。混凝土泌水性的大小与用水量有关，用水量多，泌水性大；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。 四、大体积混凝土的浇筑： 浇筑方案，除应满足每一处混凝土在初凝以前就被上一层新混凝土覆盖并捣实完毕外，还应考虑结构大小、钢筋疏密、预埋管道和地脚螺栓的留设、混凝土供应情况以及水化热等因素的影响，常采用的方法有以下几种： 1、 全面分层： 即在第一层全面浇筑全部浇筑完毕后，再回头浇筑第二层，此时应使第一层混凝土还未初凝，如此逐层连续浇筑，直至完工为止。采用这种方案，适用于结构的平面尺寸一般不宜太大，施工时从短边开始，沿长边推进比较合适。必要时可分成两段，从中间向两端或从两端向中间同时进行浇筑。 2、 分段分层： 混凝土浇筑时，先从底层开始，浇筑至一定距离后浇筑第二层，如此依次向前浇筑其他各层。由于总的层数较多，所以浇筑到顶后，第一层末端的混凝土还未初凝，又可以从第二段依次分层浇筑。这种方案适用于单位时间内要求供应的混凝土较少，不象第一种方案那样集中。这种方案适用于结构物厚度不太大而面积或长度较大的工程。 3、 斜面分层： 要求斜面的坡度不大于1/3，适用于结构的长度大大超过厚度3倍的情况。混凝土从浇筑层下端开始，逐渐上移。 五、 大体积混凝土养护时的温度控制 大体积混凝土的养护，不仅要满足强度增长的需要，还应通过人工的温度控制，防止因温度变形引起混凝土的开裂。 温度控制就是对混凝土的浇筑温度和混凝土内部的最高温度进行人为的控制。 在混凝土养护阶段的温度控制应遵循以下几点： 1 混凝土的中心温度与表面温度之间、混凝土表面温度与室外最低气温之间的差值均应小于20；当结构混凝土具有足够的抗裂能力时，不大于2530。 2 混凝土拆模时，混凝土的温差不超过20。其温差应包括表面温度、中心温度和外界气温之间的温差。 3 采用内部降温法来降低混凝土内外温差。内部降温法是在混凝土内部预埋水管，通入冷却水，降低混凝土内部最高温度。冷却在混凝土刚浇筑完时就开始进行，还有常见的投毛石法，均可以有效地控制因混凝土内外温差而引起的混凝土开裂。 4 保温法是在结构物外露的混凝土表面以及模板外侧覆盖保温材料（如草袋、锯木、湿砂等），在缓慢的散热过程中，使混凝土获得必要的强度，以控制混凝土的内外温差小于20。 5 混凝土表层布设抗裂钢筋网片，防止混凝土收缩时产生干裂。 在大体积混凝土施工时掌握住它的基本知识，并根据实际采取有较措施，会使施工质量得到很好的保证。高强度大体积混凝土材料特性研究来源：中国论文下载中心 06-03-19 10:00:00 作者：黎华编辑：studa9ngns 摘要：针对目前高拱坝建设中普遍存在并反映在大体积混凝土材料特性研究的技术薄弱环节，结合二滩水电站建设，对高强度大体积混凝土配合比、大体积混凝土动态强度特性、全级配混凝土试件强度变形特性和损伤断裂特性进行了研究，在我国首次建立了高拱坝混凝土抗裂优化配合比设计系统，首次对地震作用下坝体混凝土特性参数进行了试验研究，完成了全级配混凝土破坏全过程的仿真性研究，丰富了混凝土损伤断裂理论，发展和提高了混凝土材料的试验技术。研究成果经国家鉴定，总体达到国际先进水平。部分中间研究成果已经在二滩工程施工中得到应用。 关键词：高强度混凝土大体积混凝土材料特性 混凝土是一种由多相介质组成的复合材料，具有不连续性、非均质性的特点，在荷载作用下，其力学性质、变形和破坏机理有很大离散性，并存在试件的尺寸效应，这也正是大体积混凝土材料特性研究的困难所在。就高拱坝而言，对混凝土材料特性的准确评价和合理利用，将极大地关系到工程的安全性和经济性。全面深入地开展大体积混凝土的力学、变形、抗裂性能等特性研究，对高拱坝坝踵的开裂机制和损伤断裂机理进行探讨，可为高拱坝的设计和施工提供可靠的科学依据，并将对拱坝设计方法的完善和改进、保证工程质量、提高大坝安全度、节约混凝土原材料，节约工程投资都具有重大意义。 1高强度大体积混凝土研究课题 拱坝强度安全的正确评价，必须从材料（混凝土、坝基岩体）的抗力特性与荷载作用效应的仿真性研究着手。从目前大坝建设发展趋势分析，下述一些问题，还需进一步研究。 1.1裂缝防治 近代高拱坝建设发展趋势表明：坝越来越高，拱圈弧度越来越平，坝体断面越来越薄，混凝土浇筑强度日益加大，浇筑仓面面积也不断增加。所有这些变化都使坝体和混凝土浇筑块的应力增高，混凝土产生裂缝的可能性及裂缝扩展的危险性亦加大。为了减少和防止大体积混凝土裂缝产生的可能性，通常从两方面着手，一是提高混凝土材料本身的抗力特性，二是减小外力、温度、约束等作用在结构内部产生的效应。改善混凝土材料本身抗力特性首先应研究混凝土各组分对抗力特性的影响，通过混凝土各组分的品种与质量选择、最佳掺量、最佳组合、最佳配合比等项目的确定，达到提高混凝土材料自身抗裂能力和变形性能的目的。即改变目前混凝土配合比主要以强度、抗渗及耐久性为目标的设计方法，提出以抗裂为核心，全面改善混凝土各种物理力学性能的配合比优化设计方法，以适应高拱坝建设的各种特殊要求。 1.2在地震作用下的力学与变形特性参数的确定 现代计算技术的发展，已完全有可能对地震作用下的坝地基库水共同作用的地震响应作出精确求解，但精度与仿真性却受到两方面的制约：一是当远场地基深部产生地震后，震波通过介质的传播，受到反射、折射及不均匀介质与不规则地形的影响，坝址河谷地区地震地面运动呈非均匀分布，因此应选用正确的计算模型来合理地反映地震地面运动的非均匀变化；另一个制约因素是对大体积混凝土在地震作用下的强度和应力应变关系还不十分了解，以往设计只能沿用国外依据少量试验所确定的 资料（如动强度可提高30，动弹性模量可提高50等），并基于经验安全系数设计法来评价大坝抗震安全度。国内对混凝土材料强度与变形的动参数研究不多，且处于起始阶段，动载作用下混凝土材料的本构关系与断裂特性研究尚属空白，通常用于高拱坝的一些材料动参数的合理性也难以通过工程实践来验证。 我国高拱坝大多拟建于西南、西北地区，而这两个地区均属我国强震多发区，因此开展对混凝土材料在地震作用下的应力应变特性研究，制定切合实际的高拱坝抗震安全度评价准则，是高拱坝建设所急待解决的一项关键技术。 1.3力学与变形的仿真 目前，拱坝结构设计采用的经验安全系数设计法，要求坝体最大应力小于某一容许应力值，容许应力等于某一标准混凝土试件在预定龄期的极限强度（拉、压）除以一个经验安全系数。经验安全系数K是随标准试件的尺寸和形状不同而异，亦随科技水平及施工水平的变化而变化。因此，采用容许应力法进行拱坝设计，用经验安全系数评价大坝的强度安全，并不需要开展对全级配混凝土大试件的强度特性研究，因为安全系数中已包含了试件尺寸效应和粒径效应的影响。这种单一的、粗略的经验安全系数，并不能反映大坝混凝土真实的抗力安全度，只能是一种数值上的安全感，它束缚了拱坝设计水平的提高。 当前，对大坝安全度的评价的趋势是向半经验、半理论的设计方法过渡，用正常使用极限状态的平稳条件来评价大坝的安全。大坝强度破坏准则是控制在使大坝产生大变形或坝体裂缝开始扩展时，即大坝失效定义于材料（混凝土、岩基）产生塑性开裂、裂缝扩展，或是材料处于累积损伤状态。材料的极限容许使用强度，只能是其极限强度（峰值强度）的某一分数限值。因此，仿真的破坏全过程研究，材料的本构关系以及定义于大体积混凝土正常工作状态失效的极限容许使用强度的确定，就成为大坝安全评价必不可少的基本参数。 高拱坝设计的另一个趋势是，既然高拱坝开裂较难避免，关键是要严格控制坝体裂缝的扩展。拱坝局部拉应力超过控制标准并不会导致大坝立即失效，只要裂缝是稳定的，大坝仍能安全运行。三维非线性有限单元法提供了开裂分析的手段，但分析成果的可靠性又依赖于对材料所假定的本构模型，以往用通过湿筛处理后的混凝土小试件试验资料推出的混凝土材料的本构关系，难以仿真大体积混凝土受载的性态。因此，开展对全级配混凝土试件强度和变形特性的宏观研究，建立大小试件之间在破坏过程中各种特征点，如线弹性点、屈服点、峰值点的函数对比关系也就显得特别重要。 1.4开裂机制与裂缝扩张稳定性判别准则 从细观分析，混凝土是一种多相复合介质，由于各种内外原因，内部总是存在一些细微裂隙和缺陷。这些细微裂隙本质上是不连续的，是随机偶然发生的，在外界环境改变（如温度、湿度、荷载、动力等）及基础沉降等作用下，就会发展、扩大、贯通，直到产生宏观断裂失稳。混凝土的破坏过程，实际上就是这些内部裂隙的萌生、发展、扩张、贯通直至失稳的过程，是一种局部应力现象。对设计而言，重要的是需要判断裂缝扩展的可能性、扩展条件、扩展后果以及如何防止扩展等。而损伤断裂力学正是研究混凝土裂缝扩展行为及其发展过程的有力分析手段。 如何在实际工程设计中引入损伤断裂因素进行应用分析，这在国内外都只是处于起步阶段。大坝开裂可以代表一种局部破坏，它预示将来可能导致大坝工作的失效，因此，开展大体积混凝土损伤断裂特性的研究，是正确评价大坝的安全和耐久性所必须的。 2高强度大体积混凝土研究内容与方法 2.1配合比优化研究 (1)结合二滩工程，开展大体积混凝土原材料（水泥、骨料、掺合料及外加剂）的品质因素、掺量及组合对大体积混凝土的抗压、抗裂性能的分析，确定大体积混凝土抗裂性指标评估的数学模型，建立混凝土配合比设计与抗裂指标的关系。 (2)总结以往的资料，在试验研究的基础上，以混凝土的强度、变形和抗裂等性能为综合指标，建立配合比设计资料数据库，并编制混凝土抗裂优化配合比设计程序。 (3)结合二滩工程施工，选择最优配合比，用编制的程序验证其抗裂性能，并通过浇筑块温度应力的核算，验证所推荐配合成分的合理性，使其符合大体积混凝土应具有高强、中弹、低热的要求。 2.2动态强度特性研究 (1)进行混凝土在动力(地震)荷载作用下的破坏机制研究。通过改变应变速率、低周反复加载、在振动台上模拟加载过程等试验方法的研究，确定混凝土材料动参数的仿真试验方法。 (2)在试验基础上，提出大体积混凝土在地震荷载作用下，材料的极限强度（拉、压）、动弹性模量与泊松比、比例极限与屈服极限及动态断裂参数。 (3)初步提出拱坝抗震设计有关参数及抗震强度设计准则。 2.3全级配混凝土试件特性的试验研究 (1)进行全级配混凝土试件的标准试验方法研究，包括试件形状、尺寸、成型工艺、养护条件、加载方式等。通过试验研究，提出全级配混凝土试验标准的建议。 (2)开展全级配混凝土试件的系列性试验。确定混凝土应力应变曲线上升段范围内的各种特征点，以及它们与湿筛小试件之间对应的函数关系。 (3)开展对全级配试件试验资料的小子样统计技术研究，以便从小子样或极小子样资料推断大体积混凝土的本构关系。 (4)采用细观力学的分析方法，对混凝土宏观力学特性进行计算机模拟。此研究可作为扩大样本的另一手段，也可作为推断大小试件之间函数关系的一种辅助方法，以及作为多轴全级配试验的替代手段。 (5)根据试验成果，提出大体积混凝土容许使用强度和强度设计准则。 2.4损伤断裂特性研究 (1)系统开展混凝土损伤断裂特性的试验研究。根据实验成果，探求混凝土的损伤、断裂机理，确定复合型裂缝扩展的宏观判据和开裂评估标准，建立能反映大体积混凝土损伤断裂特性的本构关系。 (2)用细观力学理论模型分析损伤的扩展，建立裂缝扩展模型。用分数维理论建立裂缝尖端过程区的损伤特性、过程区与断裂能、断裂韧度的关系，以及用分数维方法建立非线性断裂能的尺寸效应。 (3)通过对概率模型和分布模型的分析，推断大体积混凝土的断裂参数，以解决单一型和复合型断裂韧度的尺寸效应。 (4)用损伤断裂理论探讨大坝浇筑块温控标准。 (5)研究三维非线性损伤断裂有限元分析程序；核算二滩大坝坝踵开裂可能性及开裂后的稳定性，并进一步探讨高拱坝坝踵开裂机理。 3主要成果 3.1在我国首次建立了高拱坝混凝土抗裂优化配合比设计系统 该配合比的设计系统主要有两大特点：一是以提高坝体混凝土抗裂性能为主要目标，通过配合比的调整，提高混凝土的综合性能，改变了过去以强度指标和耐久性为目标的传统配合比设计方法；二是通过计算机的分析计算来代替大量的试验室拌和工作，初步寻求较合理的混凝土各组分的配合比例，以满足高拱坝的特殊需要。该优化设计系统主要包括三个部分： (1)在研究了坝体混凝土合理的抗裂性能评估指标的基础上，建立起混凝土各组分的品质、含量与抗裂评估指标之间影响关系的数学模型。该模型反映了混凝土抗裂有利的和不利的各种因素，综合体现了在不计入环境条件（气温、基础约束等）下，混凝土自身抵抗水化热温度应力的能力。 (2)通过对以往工程资料的分析与总结，建立了混凝土配合比设计的资料数据库，供配合比设计时调用。 (3)以数学模型为基础，在丰富的数据资料库支持下，研制了我国第一个大体积混凝土抗裂配合比设计程序。该程序采用菜单结构和功能选择方式，模块化拼装，通过人机对话干预分析计算，具有混凝土配合比优化设计专家系统的雏形。该设计系统可在有资料或缺资料（借用资料库资料）情况下，用计算机选择符合高拱坝设计要求的混凝土最优配合比，可对已知配合比成分进行优劣评价。这在国内外均属开创性的研究。该程序还针对二滩工程施工与监理的需要，推荐了优化的混凝土配合比，通过对坝块温度应力的核算，验证了推荐配合比的合理性。 3.2在国内首次对地震作用下坝体混凝土特性参数进行了试验研究 (1)在总结国内外资料和大量摸索试验的基础上，提出了改变应变速率、低周循环加载和在振动台上模拟结构地震反应等探求材料动力参数的试验方法。本次试验研究的关键是为了获得动态应力应变全过程曲线，以及真实模拟动应力。此应力是由于结构物因地震反应激发的自身惯性力效应，这种效应有别于冲击荷载，也不同于疲劳荷载。 (2)通过试验研究，探讨了在地震作用下，混凝土动态强度、弹性模量、泊松比、阻尼等特性参数的变化规律，以及动力破坏机理和试件尺寸效应等。 (3)在试验研究基础上，提出混凝土动参数取值建议。研究表明，大体积混凝土动强度提高幅度与加载速率、建筑物结构形状、结构地震响应特性有关。当大坝自振频率在1Hz左右时，目前规范建议的混凝土动强度可比静强度提高30的指标是偏于不安全的。 3.3完成了全级配混凝土破坏全过程的仿真性研究 (1)首次制定了全级配混凝土试件的标准试验方法，为统一我国大坝全级配混凝土试验、建立我国全级配混凝土试验规程奠定了基础。 (2)首次全面、系统地进行了全级配混凝土试件的应力应变全过程（主要是硬化上升段过程）的试验研究，提出了大体积混凝土容许使用强度的建议，为深入开展按正常使用极限平衡条件评价大坝强度设计法提供了可靠的依据。 (3)全级配混凝土试验资料的小子样统计分析方法研究，从理论上解决了大试件的最小样本容量问题，同时也解决了借助小试件资料推断大试件特性的置信限问题，为今后继续开展全级配混凝土研究提供了科学的统计分析手段。 (4)探索了混凝土力学特性的计算机模拟技术，研制了模拟混凝土宏观力学特性的计算模型和计算程序，开辟了混凝土试验与计算机模拟相结合的研究途径，在较少试验基础上，即可获得可信的试验成果，有助于对混凝土材料特性的研究和认识。 (5)建立了考虑试件尺寸影响的主应力空间与八面体应力空间的双轴拉压状态破坏准则，对高拱坝按双轴强度设计和制定拱坝宏观容许拉应力有重要的参考价值。 3.4丰富了混凝土损伤断裂理论 坝踵开裂可能性及开裂后裂缝演化和稳定性的追踪判断分析，是本项研究的关键技术。研究成果主要反映在： (1)从理论上（包括细观力学理论模型）分析探讨了混凝土损伤复合断裂的裂缝尖端过程区的损伤特性、演化模型、本构方程、失效模型和强度理论，为大坝坝踵开裂分析计算提供了理论依据。 (2)通过系列试验、概率模型与分布模型的统计推断、复合型断裂能分离、分形几何理论运用等不同的途径与方法，解决了断裂能与断裂韧度的尺寸效应问题，得出了能反映大体积混凝土各种损伤复合断裂的参数与本构关系，解决了将断裂力学实际运用于水工建筑物