大体积混凝土施工课件.doc

第三章大体积混凝土基础结构施工课程预习 本章主要讲述 1、混凝土裂缝 2、混凝土温度应力 3、防止混凝土温度裂缝的技术措施 4、大体积混凝土基础结构施工3.1 混凝土裂缝混凝土是多种材料组成的非匀质材料，它具有较高的抗压强度、良好的耐久性及抗拉强度低、抗变形能力差、易开裂等特性。近代混凝土的研究证明，在不同的受力状态下，混凝土的破裂过程，实际上是和“微观裂缝”的发展相关联的。一、裂缝的种类及产生原因（一）裂缝的种类 按裂缝的宽度不同，混凝土裂缝可分为“微观裂缝”和“宏观裂缝”两种。1微观裂缝在尚未承受荷载的混凝土结构中存在着肉眼看不见的微观裂缝，其宽度为0.05mm以下。微观裂缝主要有三种，如图3-1所示。(1)粘着裂缝，即沿着骨料周围出现的骨料与水泥石粘面上的裂缝。(2)水泥石裂缝，即分布在骨料间水泥浆中的裂缝。(3)骨料裂缝，即存在于骨料本身的裂缝。上述三种微观裂缝中，粘着裂缝和水泥石裂缝较多，而骨料裂缝较少。微观裂缝在混凝土结构中的分布是不规则的，沿截面是不贯穿的。有微观裂缝的混凝土可以承受拉力，但结构物的某些受拉较大的薄弱环节，微观裂缝在拉力作用下，很容 易串连贯穿全截面，最终导致较早的断裂。 2宏观裂缝宽度不小于0.05mm的裂缝是肉眼可见裂缝，亦称为宏观裂缝，宏观裂缝是微观裂缝扩展的结果。在建筑工程中，微观裂缝对防水、防腐、承重等不会引起危害，具有微观裂缝结构则假定为无裂缝结构。设计中所谓不允许出现裂缝，是指宽度无大于0.05mm的初始裂缝。有裂缝的混凝土是绝对的，无裂缝的混凝土是相对的。产生宏观裂缝一般有外荷载、次应力和变形变化三种起因，前两者引起裂缝的可能性较小，后者是导致混凝土产生宏观裂缝的主要原因，这种裂缝又可分为表面裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝，如图3-2所示。(1)表面裂缝大体积混凝土浇筑初期，水泥水化热大量产生，使混凝土的温度迅速上升。但由于混凝土表面散热条件较好，热量可向大气中散发，其温度上升较少；而混凝土内部由于散热条件较差，热量不易散发，其温度上升较多。混凝土内部温度高、表面温度低，则形成温度梯度，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，混凝土表面就产生裂缝。表面裂缝虽不属于结构性裂缝，但在混凝土收缩时，由于表面裂缝处的断面已削弱，易产生应力集中现象，能促使裂缝进一步开展。国内外对裂缝宽度都有相应的规定，如我国的混凝土结构设计规范(GB50-89)，对钢筋混凝土结构的最大允许裂缝宽度就有明确的规定：室内正常环境下的一般构件为0.3mm；露天或室内高湿度环境下为0.2mm。(2)贯穿裂缝大体积混凝土浇筑初期，混凝土处于升温阶段及塑性状态，弹性模量很小，变形变化所引起的应力很小，温度应力一般可忽略不计。混凝土浇筑一定时问后，水泥水化热基本已释放，混凝土从最高温逐渐降温，降温的结果引起混凝土收缩，再加上混凝土多余水分蒸发等引起的体积收缩变形，受到地基和结构边界条件的约束，不能自由变形，导致产生拉应力，当该拉应力超过混凝土极限抗拉强度时，混凝土整个截面就会产生贯穿裂缝。贯穿裂缝切断了结构断面，破坏了结构整体性、稳定性、耐久性、防水性等，影响正常使用。应当采取一切措施控制贯穿裂缝的开展。(3)深层裂缝基础约束范围内的混凝土，处在大面积拉应力状态，在这种区域若产生了表面裂缝，则极有可能发展为深层裂缝，甚至发展成贯穿性裂缝。深层裂缝部分切断了结构断面，具有很大的危害性，施工中是不允许出现的。如果设法避免基础约束区的表面裂缝，且混凝土内外温差控制适当，基本上可避免出现深层裂缝和贯穿裂缝。（二）裂缝产生的原因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产生应力和应变，另一方面是结构物的外约束和混凝土各质点的约束阻止了这种应变，一旦温度应力超过混凝土能承受的极限抗拉强度，就会产生不同程度的裂缝。总结大体积混凝土产生裂缝的工程实例，产生裂缝的主要原因如下： 1水泥水化热的影响水泥在水化过程中产生大量的热量，这是大体积混凝土内部温升的主要热量来源，试验证明每克普通水泥放出的热量可达500J。由于大体积混凝土截面的厚度大，水化热聚集在结构内部不易散发，会引起混凝土内部急骤升温。水泥水化热引起的绝热温升，与混凝土厚度、单位体积水泥用量和水泥品种有关，混凝土厚度愈大，水泥用量愈多，水泥早期强度愈高，混凝土内部的温升愈快。大体积混凝土测温试验研究表明：水泥水化热在13d放出的热量最多，大约占总热量的50左右；混凝土浇筑后的35d内，混凝土内部的温度最高。混凝土的导热性能较差，浇筑初期混凝土的弹性模量和强度都很低，对水化热急剧温升引起的变形约束不大，温度应力自然也比较小。随着混凝土龄期的增长，其弹性模量和强度相应提高，对混凝土降温收缩变形的约束愈来愈强，即产生很大的温度应力，当混凝土的抗拉强度不足以抵抗该温度应力时，便产生温度裂缝。2内外约束条件的影响各种结构的变形变化中，必然受到一定的约束阻碍其自由变形，阻碍变形因素称为约束条件，约束又分为内约束与外约束。结构产生变形变化时，不同结构之间产生的约束称为外约束，结构内部各质点之间产生的约束称为内约束，外约束分为自由体、全约束和弹性约束三种。建筑工程中的大体积混凝土，相对水利工程来说体积并不算很大，它承受的温差和收缩主要是均匀温差和均匀收缩，故外约束应力占主要地位。 大体积混凝土与地基浇筑在一起，当温度变化时受到下部地基的限制，因而产生外部的约束应力。混凝土在早期温度上升时，产生的膨胀变形受到约束面的约束而产生压应力，此时混凝土的弹性模量很小，徐变和应力松弛大，混凝土与基层连接不太牢固，因而压应力较小。但当温度下降时，则产生较大的拉应力，若超过混凝土的抗拉强度，混凝土将会出现垂直裂缝。在全约束条件下，混凝土结构的变形应是温差和混凝土线膨胀系数的乘积，即:T，当超过混凝土的极限拉伸值p时，结构便出现裂缝。由于结构不可能受到全约束，况且混凝土还有徐变变形，所以温差在2530情况下也可能不产生。由此可见，降低混凝土的内外温差和改善约束条件，是防止大体积混凝土产生裂缝的重要措施。3外界气温变化的影响大体积混凝土结构在施工期间，外界气温的变化对防止大体积混凝土开裂有重大影响。混凝土的内部温度是由浇筑温度、水泥水化热的绝热温升和结构的散热温度等各种温度的叠加之和。浇筑温度与外界气温有着直接关系，外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也愈高；如外界温度下降，会增加混凝土的温度梯度，特别是气温骤降，会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度，因而会造成过大温差和温度应力，使大体积混凝土出现裂缝。大体积混凝土不易散热，其内部温度有的工程竟高达90以上，而且持续时间较长。温度应力是由温差引起的变形所造成的，温差愈大，温度应力也愈大。因此，研究合理的温度控制措施，控制混凝土表面温度与外界气温的温差，是防止裂缝产生的重要措施。 4混凝土收缩变形影响(1)混凝土塑性收缩变形在混凝土硬化之前，混凝土处于塑性状态，如果上部混凝土的均匀沉降受到限制，如遇到钢筋或大的混凝土上骨料，或者平面面积较大的混凝土、其水平方向的减缩比垂直方向更难时，就容易形成一些不规则的混凝土塑性收缩性裂缝。这种裂缝通常是互相平行的，间距为0.21.0m，并且有一定的深度，它不仅可以发生在大体积混凝土中，而且可以发生在平面尺寸较大、厚度较薄的结构构件中。(2)混凝土的体积变形混凝土在水泥水化过程中要产生一定的体积变形，但多数是收缩变形，少数为膨胀变形。掺入混凝土中的拌合水，约有20的水分是水泥水化所必需的，其余80都要被蒸发，最初失去的自由水几乎不引起混凝土的收缩变形，随着混凝土的继续干燥而使吸附水逸出，就会出现干燥收缩。 混凝土干燥收缩的机理比较复杂，其主要原因是混凝土内部孔隙水蒸发引起的毛细管引力所致，这种干燥收缩在很大程度上是可逆的，即混凝土产生干燥收缩后，如再处于水饱和状态，温凝土还可以膨胀恢复到原有的体积。 除上述干缩收缩外，混凝土还会产生碳化收缩，即空气中的二氧化碳(C02)与混凝土中的氢氧化钙Ca(OH)2反应生成碳酸钙和水，这些结合水会因蒸发而使混凝土产生收缩。二、控制裂缝开展的基本方法从控制裂缝的观点来讲，表面裂缝危害较小，而贯穿性裂缝危害很大，因此，在大体积混凝土施工中，重点是控制混凝土贯穿裂缝的开展，常采用的控制裂缝开展的基本方法有如下三种：1“放”的方法所谓“放”的方法，即减小约束体与被约束体之间的相互制约，以设置永久性伸缩缝的方法。也就是将超长的现浇混凝土结构分成若干段，以期释放大部分热量和变形,减小约束应力。我国混凝土结构设计规范中规定：现浇混凝土框架结构；现浇混凝土剪力墙、装配式挂板结构；全现浇剪力墙结构，处于室内或土中条件下的伸缩缝间距，分别为45m、55m和65m。目前，国外许多国家也将设置永久性的伸缩缝作为控制裂缝开展的一种主要方法，其伸缩缝间距一般为30m40m，个别规定为10m20m。 2“抗”的方法所谓“抗”的方法，即采取一定的技术措施，减小约束体与被约束体之间的相对温差，改善钢筋的配置，减少混凝土的收缩，提高混凝土的抗拉强度等，以抵抗温度收缩变形和约束应力。3“放”、“抗”结合的方法“放”、“抗”结合的方法，又可分为“后浇带”、“跳仓打”和“水平分层间歇”等方法。(1)“后浇带”法“后浇带”是指现浇整体混凝土结构中，在施工期间保留临时性温度、收缩的变形缝方法。该缝根据工程的具体条件，保留一定的时间，再用混凝土填筑密实后成为连续、整体、无伸缩缝的结构。 在施工期间设置作为临时伸缩缝的“后浇带”，将结构分成若干段，可有效地削减温度收缩应力；在施工的后期，再将若干段浇筑成整体，以承受约束应力。在正常的施工条件下，“后浇带”的间距一般为2030m，后浇带宽为1.0m左右，混凝土浇筑3040d后用混凝土封闭。(2)“跳仓打”法“跳仓打”法，即将整个结构按垂直施工缝分段，间隔一段，浇筑一段，经过不少于5d的间歇后再浇筑成整体，如果条件许可时，间歇时间可适当延长。采用此法时，每段的长度尽可能与施工缝结合起来，使之能有效地减小温度应力和收缩应力。 在施工后期将跳仓部分浇筑上混凝土，将这若干段浇筑成整体，再承受第二次浇筑的混凝土的温差和收缩。先浇与后浇混凝土两部分的温差和收缩应力叠加后应小于混凝土的设计抗拉强度，这就是利用“跳仓打”法控制裂缝、但不成为永久伸缩缝的目的。(3)“水平分层间歇”法 “水平分层间歇”法，即以减少混凝土浇筑厚度的方法来增加散热机会，减小混凝土温度的上升，并使混凝土浇筑后的温度分布均匀。此法的实质是：当水化热大部分是从上层表面散热时，可以分为几个薄层进行浇筑。根据工程实践经验，水平分层厚度一般可控制在0.6m2.0m范围内，相邻两浇筑层之间的间隔时间，应以既能散发大量热量，又不引起较大的约束应力为准，一般以57d为宜。3.2 混凝土温度应力一、结构中的温度场大体积混凝土中心部位的最高温度，在绝热条件下是混凝土浇筑温度与水泥水化热之和。但实际的施工条件表明，混凝土内部的温度与外界环境必然存在着温差，加上结构物的四周又具备一定的散热条件，因此，在新浇筑的混凝土与其周围环境之间也必然会发生热能的交换。故大体积混凝土内部的最高温度，是由浇筑温度、水泥水化热引起的温升和混凝土的散热温度三部分组成。（一）混凝土的绝热最高温升计算假定在混凝土周围没有任何散热条件、没有任何热损耗的情况下，水泥和水化后产生的水化热量，全部转化为温升后的最后温度，称为绝热最高温升，一般用Tmax表示，可按下式计算： TmaxWQ/Cr (3-1)式中 Tmax混凝土的绝热最高温升()； W每千克水泥的水化热(J/kg)； Q每立方米混凝土中水泥用量(kg/m3)； C混凝土的比热，一般可取096103(J/kg)； r混凝土的容重(kg/m3)，一般取2400(kgm3)。 不同龄期几种常用水泥在常温下释放的水化热见表3-1，供计算时参考。从表中可以看出，水泥水化热量与水泥品种、水泥标号、施工气温和龄期等因素有关。（二）混凝土最高温升值计算由于大体积混凝土结构都处于一定的散热条件下，故实际的最高温升一般都小于绝热温升。根据已施工的许多大体积混凝土结构的现场实测升温、降温数据资料，经过统计整理分析后得出：凡混凝土结构厚度在1.8m以下，在计算最高温升值时，可以忽略水灰比、单位用水量、浇筑工艺及浇筑速度等次要因素的影响，而只考虑单位体积水泥用量及混凝土浇筑温度这两个主要影响因素，以简便的经验公式进行计算。工程实践证明，其精确程度完全可以满足指导施工的要求，其计算值与实测值的相对误差较小。 土建工程大体积混凝土最高温升值，可按下式计算： Tmax=t0+Q/10 (3-2) Tmax= t0+Q/10+F/50 (3-3) 式中Tmax混凝土内部的最高温升值()； t0混凝土浇筑温度()，在计算时，在无气温与浇筑温度的关系值时，可采用计划浇筑日期的当地旬平均气温()； Q每立方米混凝土中水泥的用量(kg/m3)，上述两公式适用于425矿渣硅酸盐水泥，如使用525水泥时，建议用Q101.11.2；使用325水泥时，建议采用Q100.900.95；F每立方米混凝土中粉煤灰的用量(kg/m3)。（三）水化热实测升降温曲线 为快速掌握大体积钢筋混凝土在硬化过程中的温度变化情况，有利于施工中控制裂缝的开展，工程技术人员对有关工程在不同季节、不同厚度的混凝土的水化热进行了施工全过程的跟踪和实测，统计整理后得出混凝土中心部位的水化热升降温曲线如图33所示。 设Tmax为混凝土内部最高温升，tmax为达到混凝土内部最高温度的时间。从图33中可以查得： A曲线：2.6m厚，夏季施工时，测温曲线的Tmax60.8，tmax3d； B曲线：1.3m厚, 夏季施工时，测温曲线的Tmax39.1, tmax 3d，掺粉煤灰； C曲线：2.6m厚，冬季施工时，测温曲线的Tmax31.4, tmax5.5d D曲线：1.3m厚，冬季施工时，测温曲线的Tmax22.3, tmax3d； E曲线：2.5m厚，夏季施工时，测温曲线的Tmax52.0，tmax3d； F曲线：4.95m厚，秋季施工时，测温曲线的Tmax64.4，tmax 7d； G曲线：0.5m厚，冬季施工时；测温曲线的Tmax17.0, tmax2d； H曲线：0.5m厚，夏季施工时，测温曲线的Tmax38.0, tmax 15d。从图33也可以得出：相同的厚度；在不同的施工季节混凝土内部的最高温度是不同的，冬季仅为夏季的4555。根据以上所示的水化热升降温曲线，可直接用于相似工程的控制裂缝开展的计算工作中，求得近似解答。二、温度应力的计算（一）计算温度应力的基本假定 高层建筑基础工程中的大体积混凝土，其几何尺寸、一次浇筑混凝土量等，都有远比混凝土大坝小，与混凝土大坝相比，其具有以下特点： (1)混凝土的强度级别较高，水泥用量较多，因此在凝结硬化中收缩变形也较大； (2)高层建筑基础工程一般为配筋结构，并且配筋率较高，抗不均匀沉降的受力钢筋的配筋率在0.5以上，如此配筋对控制裂缝十分有利； (3)由于高层建筑基础工程的几何尺寸并不是太大，水化热温升较快，降温散热亦较快，因此，降温与收缩的共同作用是引起混凝土开裂的主要因素。 (4)工业与民用建筑的地基一般比坝基弱，因此，地基对混凝土底部的约束也比坝基弱，地基是属于非刚性的； (5)控制裂缝的方法不必像坝体混凝土那样，即不必采用特制的低热水泥和复杂的冷却系统，而主要是依靠合理配筋、改进设计、采取合理的浇筑方案和浇筑后加强养护等措施，以提高结构的抗裂性，避免引起过大的内外温差而出现裂缝。根据高层建筑基础工程大体积混凝土的五大特点，这类结构所承受的温差和收缩，可以认为是均匀温差和均匀收缩，因此外约束应力是引起其裂缝的主要原因。（二）温度应力计算 浇筑在非刚性基底上的大体积混凝土，其温度应力计算公式根据理论推导得出： xmax = - ET (3-4) 如考虑混凝土徐变引起的应力松弛，将拉应力取为正值，则混凝土由收缩引起的最大温度应力为： xmax(t) = ET S(t) (3-5) 式中 E混凝土一定龄期时的弹性模量； 混凝土的线膨胀系数； T结构计算温差； L结构长度； = 式中，Cx为阻力系数，软粘土为001003N/mm2。 砂质粘生为0.O30.06Nmm2；坚硬粘土为0.060.10Nmm2；风化岩石及低强度等级的素混凝土为060100Nmm2；C10以上的配筋混凝土为100150Nmm2。 采用桩基时，桩对结构变形亦有约束，所以除去地基的阻力系数外，尚需增加单位面积地基上桩的阻力系数Cx：式中F每根桩分担的地基面积(mm2)； Q桩产生单位位移所需的水平力(Nmm)。当桩与结构铰接时： Q = 2EI当桩与结构固接时： Q = 4EI式中 Kn地基水平侧移刚度 (110-2Nmm3)； E桩的弹性模量(Mpa)； I桩的惯性矩(mm4)； D被的宜径或边长(mm)； H结构厚度； S(t)应力松弛系数。 混凝土结构在荷载(应力)作用下，不仅产生弹性变形；随着时间的延续还会产生非弹性变形，即徐变。徐变引起应力松弛，对防止混凝土开裂有利，因此在计算混凝土温度应力时应考虑应力松弛的影响。松弛与加荷时混凝土的龄期有关，还与应力作用时间长短有关。 计算应力松弛系数的方法有下列两种： (1)只考虑荷载持续时间、忽略混凝土龄期影响的松弛系数(简化计算时应用)。其值见表3-2。(2)考虑荷载持续时间和混凝土龄期影响的松弛系数。见表3-3。 上式适用于H/L020、一维约束的大体积混凝土结构(即长条形、另一方面宽度较小忽略其约束作用)。对二维约束的结构，其最大温度应力计算公式为 xmax(t) = ET S(t) （3-6）式中，v为泊桑比，一般取0.15。 式(3-5)、(3-6)中的E，T，S（t），都是随龄期t变化的变量，计算温度应力时，应分别算出不同龄期时的Ei(t)，T i(t)，S(t)i，进而算出相应温差区段(一般取23d)内产生的温度应力i，而后累加即将最大温度应力xmax(t) 。为此，在计算混凝土最大温度应力时，首先要确定E，T的数值。一定龄期时的混凝土弹性模量E（t），可按下式计算： E（t） = E0（1-e-0.09t） (37)式中 E（t）一定龄期时的混凝土弹性模量(MPa); E0龄期为28d时的混凝土弹性模量(MPa)； t混凝土的龄期(d)。结构计算温差T，按下式计算： T = Tm + Ty(t) (38) 式中 Tm各龄期混凝土的水泥水化热降温温差()； Ty(t)各龄期的混凝土的收缩当量温差()。在上式中，为了便于将混凝土降温产生的温度应力与水泥水化过程中因拌合水蒸发、碳化等原因引起混凝土收缩而产生的温度应力用同一计算公式进行计算，因而将混凝土各龄期的收缩量转换为收缩当量温差。当降温时间不太长时，混凝土的水泥水化热降温温差与混凝土的水泥水化热升温相似，可以近似地以计算混凝土浇筑后因水泥水化热的升温值来确定水泥水化热降温温差Tm。混凝土因水泥水化热引起的在截面上的温升分布如一抛物线，混凝土结构表面因水泥水化热升高的温度值为T2，混凝土内部因水泥水化热而平均升高的温度但为T1，而Tm为 Tm = T2 + (T1 - T2)/2 (39) 工程实测证明，大体积混凝土结构因水泥水化热所引起的温升，并非“绝热温升”，而属“非绝热温升”，在混凝土的水化热温升过程中，结构与外界环境接触，还存在着一定的散热条件，因此，人值要按“非绝热温升”进行计算。由于混凝土结构的散热边界条件比较复杂，要准确计算“非绝热温升”较困难，从工程应用角度出发，也没有必要精确计算。一般可用以下两种方法求混凝土内部因水化热而升高的平均温度值T1值。1计算法当大体积混凝土的浇筑温度与外界气温相等时，混凝土内部各点因水泥水化热升高的温度T和平均升高温度值T1，可按下式计算：T= (3-10)T1 = (3-11)式中 h混凝土的厚度(m)； 混凝土的导热系数(热扩散系数)(m3d)，与骨料种类和用量有关，参见表35； n水泥水化热散完的天数(d)； t混凝土龄期(d)； Qc每立方米混凝土中的水泥用量(kym3)； W每kg水泥的水化热(KJ/kg)，参见表31； C混凝土的比热(097kJ/kgk)； 混凝土的密度(取2400kg/m3)； e常数，e271828； m随混凝土浇筑温度、水泥品种等而异的系数，见表3-4。式中，n=1，3，5，为一级数，由于其收敛很快，计算时只取前两项即可。如果混凝土的浇筑温度巧与当时的气温Tq不相等时，则存在初始温差，在计算T1时还要叠加上由于初始温差而引起的平均温差T3，T3可用下式计算： T3 = （3-12）式中 T3混凝土的浇筑温度()； Tq侥筑时的大气温度()。其他符号同式(3-11)。2图表法工程实践证明，在“非绝热温升”情况下，散热的快慢与混凝土结构的厚度有关，一般符合“厚者散热慢，薄者散热快”的规律。试验表明：当结构的厚度h5m时，大体积混凝土结构的实际温升T1，基本接近其绝热温升Th。 根据中国水利水电研究所的试验资料，不同的结构厚度，在“非绝热温升”状态下，混凝土水泥水化热的温升(T1)与其绝热温升的数值Th之比，如表3-6中所示。各龄期不同厚度结构的水化热温升与绝热温升的关系，如图3-4所示。从图3-4中可以看出，结构的厚度愈薄，水化热温升阶段则愈短，温度峰值出现较早，也很快即产生降温。结构的厚度愈厚，水化热 温升时间愈长，温度峰值出现较晚，并且持续时间较长。 另外混凝土的水化热温升还与外界气温有密切关系。外界气温愈高，水化热温升阶段愈短，温度峰值出现的时间愈早，而且持续的时间愈长。这是由于气温影响水泥水化反应速度，气温高不易向外散热的原因。 只要求得T1Th的比值后，即可由和Th求得混凝土内部平均升高的温度值T1。混凝土结构表面的水化热温升T2，主要与温度场的变化有关，即受到外界气温、养护方法、结构厚度等的影响。混凝土内部的温度场分布，可用下式表示：Tx（t）= Tq + 4x(h-x)T（t） （3-13）式中 Tx（t）龄期c时计算厚度s处的混凝土温度()； Tq龄期t时大气的温度()； H混凝土结构的计算厚度(m) H = h+2h h混凝土结构的虚厚度(m)； h温凝土结构的实际厚度(m)； T（t）干龄期G时混凝土结构中心温度与外界气温之差()。 式(3-13)中的混凝土结构的虚厚度h，是传热学上的一个概念，即从混凝土结构真实边界向外延伸一个虚拟厚度h从而得到一个虚边界，在此虚边界上，结构表面温度等于外界介质温度。结构的虚厚度h，与混凝土的导热、表面保温情况等有关： h=K （3-14）式中 混凝土导热系数(可取2.33W/mk)； 混凝土表面模板及保温层等的传热系数（W/m2k）； K拆减速系数(可取0666)。 = （3-15）式中 各种保温材料(包括模板)的厚度(m)； 各种保温材料的导热系数(WmK)，参见表3-7； 空气层的传热系数(23Wm2K)。在式(3-13)中，当x= h时、即可求得记凝土结构的表面温度T2： T2 = Tq + 4 h (H- h)T（t） /H （3-16） 由式(3-11)或查表3-6求得T1，由式(3-16)可求得T2，然后代入式Tm = T2 + (T1 - T2)/2 ，即可求得各龄期混凝土的水化热降温温差Tm值。 为求得混凝土的水泥水化热的温升值，需要进行比较繁琐的计算，也易出现计算错误。在这方面，王铁梦同志经过现场实际测温及统计整理，在其所著的建筑物的裂缝控制一书中，提供了表3-8所示的水化热温升值Tm，供同类工程参考。如果实际工程的条件不符合上述(表3-8)适用条件时，求得的温升值Tm，再乘以表39中的修正系数。混凝土各龄期收缩当量温差Ty(t)，可按下式计算： Ty(t) = (3-17)式中 混凝土各龄期的收缩值； 混凝土的线膨胀系数。 (318)式中 标准状态下混凝土的极限收缩值。所谓标准状态，系指用325普通水泥；标准磨细度；骨料为花岗岩碎石；水灰比为040；水泥浆含量为20；混凝土用振动捣实；自然养护硬化；试件截面为凹20cm20cm(截面水力半径的倒数)； 测定收缩前湿养护7d；空气相对湿度为50； b经验系数，一般取0.1； t混演土的龄期(d)； M1水泥品种修左系数； M2水泥细库修正系数； M3骨科品种修正系数； M4水灰比修正系数； M5水泥浆量修正系数； M6养护条件修正系数； M7环境相对湿度修正系数； M8构件尺寸修正系数； M9混凝土捣实方法修正系数； M10配筋率的修正系数。 M1-M10各修正系数的具体数，如表310所示。 将Tm和Ty(t)计算的结果代入式TTm + Ty(t)，即可求得结构计算温差T值。（三）最大整浇长度的计算最大整浇长度的计算即伸缩缝间距计算。根据上述的一系列计算，存在外约束的大体积混凝土结构，其变形与温度应力直接有关。当温度应力max， 接近混凝土的极限抗拉强度fl时，混凝土的拉伸变形也将接近其极限拉伸变形。即max f1时， ，所以 f1=E由式（3-4）可知 max = E 故 E 即 故最大整浇长度 Lmax = 式中 arch反双曲余弦函数； 其他符号的意义均同前。 由于T为正值(升温)时，为负值(压应变)；T为负值(降温)时，为正值(拉应变)，所以与T恒为异号。用绝对值表示上式，则： Lmax = arch (3-19) 由式(3-19)可以看出，计算温差T与混凝土极限拉伸值之间的关系非常重要，一般情况下大于，分数则为正值，两者的差值越大，整个分数则越小，即最大整浇长度越短；反之，两者的差值越小，整个分数则越大，即最大整浇长度越长。如果值越趋近于无限大，则arch(趋向无限大)，这就表示最大整浇长度可趋向无限大，也表明在任何情况下都可以整浇。由此可见，降低结构计算温差和提高混凝土的极限拉伸变形，对延长最大整浇长度是十分重要的。 式(3-19)是按混凝土的极限拉伸推导出来的，即按水平拉应力max f1=E导出的最大整浇长度。这种状态可以看作是当最大温度应力接近混凝土抗拉强度、而混凝土结构尚未开裂的最大整浇长度。一旦混凝土结构在最大应力处(即结构中间)开裂，使结构成为两块，此时最大温度应力则远小于混凝土的抗拉强度。这种情况下的整浇长度就比式(319)求出的值小了一半，这时的整浇长度称为最小整浇长度，Lmax可按下式计算： Lmin = Lmax /=arch (320) 计算中应当采用两者的平均值，即以平均的整浇长度Lcp为控制整浇长度的依据，如结构的实际长度超过Lcp,则表示浇筑混凝土时必须设置伸缩缝或后浇带。由此可见，伸缩缝的间距可以Lcp为控制，若小于或等于Lcp就可整体浇筑。平均整浇长度Lcp，可按下式计算： Lcp = (Lmax + Lmin)/2 = 1.5arch (3-21)式中 混凝土的线膨胀系数； T结构计算温差； 混凝土的极限拉伸值； E混凝土的弹性模量； H混凝土结构的厚度； CX阻力系数。 式中的E和T值，可按式E（t）=E0(1-e-0.09t), TTm + Ty(t)计算。混凝土的极限拉伸值，由瞬时极限拉伸值和徐变变形两部分组成：= (322)式中 混凝土的极限拉伸值； 混凝土的瞬时极限拉伸值； 混凝土的徐变变形。值的离散性很大，影响因素很多，特别是与施工质量的关系很大；值与温差、收缩变形速度有关，一般情况下，的值基本与值相等，所以在计算时可取为两倍的，为保证安全，一般可取1.5。 混凝土的瞬时极限拉伸值，不仅与施工质量有关；而且还与混凝土的龄期、配筋情况有关，适当配置钢筋能提高混凝土的瞬时极限拉伸值。工程实践证明，合理地配置一定量的钢筋，无论是对于温度应力作用下的结构还是对于收缩应力作用下的结构，都能有效地提高其抗裂能力。 在考虑龄期和配筋的影响后，混凝土的瞬时极限拉伸值可按下式计算 （t）=5fl(1+ )10-5 (323)式中 fl混凝土的抗拉强度设计值(Mpa)； 配筋率（%）； d钢筋直径(cm)； t混凝土的龄期(d)。 （四） 其他各种情况下温度应力和整浇长度的计算混凝土结构不满足HL02的条件、或其他断面的结构，用以上的公式来计算其温度应力和整浇长度，显然是不符合实际的，必须根据结构的特点寻求科学合理方法。 1HL0.2的结构 由收缩引起的最大温度拉应力max(t) = -ET S(t) 、平均浇筑长度Lcp = 1.5arch计算公式，仅适用于HL02条件下混凝土结构的温度应力和整绕长度的计算。在HL02的情况下，采用了均匀温差和均匀收缩的基本假定，工程计算中的误差是可以忽略不计的。但是，对于一些厚板、墙体等混凝土结构，其高长比(HL)远大于0.2，其内部的应力也会变得很不均匀，不符合均匀受力的基本假定；上述计算公式将不适用。 混凝土结构的最大约束应力在约束边，离开约束边向上一点距离即迅速衰减，因此，约束作用的影响范围只限于约束边的附近，类似于弹性理论中的“边缘干扰问题”，如图3-5所示。根据试验研究表明，半无限长墙体的边缘干扰范围约为(038046)L。为简化计算，可将边缘干扰范围(即温度应力衰减至零处的高度)定为0.40L。温度应力沿墙高(H)的衰减，符合以下指数函数： （3-24） 式中 L结构底边的长度； max最大温度应力； m与高长比有关的系数，参见表3-11。 为能将上述两计算公式用于HL02的堵体，可以进行简化处理，即把不同高长比并承受不均匀的弹性约束墙体，按照等效的原理，用一承受均匀应力的“计算墙体”来代替。“计算墙体”的均匀应力值取不均匀应力的最大值(约束边外的应力值)。如此计算，“计算墙体”的设计必然低于不均匀受力的实际墙体高度。按内力相等的原理，可以计算出“计算墙体”的计算高度如图3-6所示。 这样简化后，上述的有关计算公式，只要用代替H，都可用于HL02的混凝土板和墙体，“计算墙体”的计算高度及，可用式(3-25)计算： = （3-25）按式(325)计算得出的不同高长比墙体的计算高度，大致在(0.150.20)L之间。为简化计算，对于一切HL02的混凝土厚板和墙体，可以一律采用计算高度=0.20L。2其他断面的结构对于其他断面的混凝土结构，通过理论计算可以证明，只要将值变化后则上述各计算公式都可用来计算其温度应力和最大整浇长度。(1)箱形断面结构混凝土箱形基础，分为单孔和双孔两种(如图3-7所示)。这种结构与长条板相似，前面的计算公式可采用，但需要计算出其新的值。此种情况的值可由下列公式计算：单孔 = （3-26）双孔 = （3-27） 如果箱形断面结构的基础底板先期浇筑，而侧墙和顶板后期浇筑(如图38所示)，此时侧墙和顶板同时收缩，但要受到基础底板的约束。这种情况应将温凝土基础底板当作加强地基，阻力系数Cx值应予以提高，计算时只改变值即可。此种情况的值，可用下列公式计算： 单孔 = （3-28）双孔 = （3-29）(2)箱形断面结构的基础和侧墙已浇筑，后期浇顶板，如图3-9所示。此种情况，侧墙壁成为顶板的“地基”，在应用长条板计算公式时，只要改变值即可。值可用下式计算：= （3-30）式中，b为顶板的有效高度，有两个侧墙时b=b/2；有三个侧墙时b=b/4；其他符号同前。3.3 防止混凝土温度裂缝的技术措施工程上常用的防止混凝土裂缝的措施主要有： 采用中低热的水泥品种； 降低水泥用置； 合理分缝分块； 掺加外加料； 选择适宜的骨料； 控制混凝土的出机温度和浇筑温度； 预埋水管、通水冷却，降低混凝土的最高温升； 表面保护、保温隔热；采取防止混凝土裂缝的结构措施等。在结构工程的设计与施工中，对于大体积混凝土结构，为防止其产生温度裂缝，除需要在施工前进行认真计算外；还要做到在施工过程中采取有效的技术措施，根据我国的施工经验应着重从控制混凝土温升、延缓混凝土降温速率、减少混凝土收缩、提高混凝土极限拉伸值、改善混凝土约束程度、完善构造设计和加强施工中的温度监测等方面采取技术措施。以上这些措施不是孤立的，而是相互联系、相互制约的，施工中必须结合实际、全面考虑、合理采用，才能收到良好的效果。一、水泥品种选择和用量控制 大体积混凝土结构引起裂缝的主要原因是：混凝土的导热性能较差，水泥水化热的大量积聚，使混凝土出现早期温升和后期降温现象。因此，控制水泥水化热引起的温升，即减小降温温差，对降低温度应力、防止产生温度裂缝能起到釜底抽薪的作用。 1选用中热或低热的水泥品种 混凝土升温的热源是水泥水化热，选用中低热的水泥品种，是控制混凝土温升的最基本方法。如425的矿渣硅酸盐水泥，其3d的水化热为l80kJkg，而425的普通硅酸盐水泥，其3d的水化热却为250kJkg；425的火山灰硅酸盐水泥，一般3d内的水化热仅为同标号普通硅酸盐水泥的60。 2充分利用混凝土的后期强度 根据大量的试验资料表明，每立方米混凝土中的水泥用量，每增减吨，其水化热将使混凝土的温度相应升降1。一方面在满足混凝土温度和耐久性的前提下，尽量减少水泥用量严格控制每立方米混凝土水泥用量不超过400kg；另一方面可根据结构实际承受荷载的情况，对结构的强度和刚度进行复算，并取得设计单位、监理单位和质量检查部门的认可后，采用f45，f60或f90替代f28作为混凝土的设计强度，这样可使每立方米混凝土的水泥用量减少4070kg左右，混凝土的水化热温升相应降低47。结构工程中的大体积混凝土，大多采用矿渣硅酸盐水泥，其熟料矿物含量比硅酸盐水泥的少得多，而且混合材料中活性氧化硅、活性氧化铝与氢氧化钙、石膏的作用，在常温下进行缓慢，早期强度(3d，7d)较低，但在硬化后期(28d以后)，由于水化硅酸钙凝胶数量增多，使水泥石强度不断增长，最后甚至超过同标号的普通硅酸盐水泥，对利用其后期强度非常有利。二、掺加外加料在混凝土中掺入一些适宜的外加料，可以便混凝土获得所需要的特性，尤其在泵送混凝土中更为突出。泵送性能良好的混凝土拌和物应具备三种特性：在输送管壁形成水泥浆或水泥砂浆的润滑层，便混凝土拌和物具有在管道中顺利滑动的流动性；为了能在各种形状和尺寸的输送管内顺利输送，混凝土拌合物要具备适应输送管形状和尺寸的变化的变形性；为在泵送混凝土施工过程中不产生离析而造成堵塞，拌和物应具备压力变化和位置变动的抗分离性。由于影响泵送混凝土性能的因素很多，如砂石的种类、品质和级配、用量、砂率、坍落度、外掺料等。因此，为了满足混凝土具有良好的泵送性，在进行混凝土配合比的设计中，不能用单纯增加单位用水量方法，这样不仅会增加水泥用量，增大混凝土的收缩而且还会使水化热升高，更容易引起裂缝。工程实践证明，在施工中优化混凝土级配；掺加适宜的外加料，以改善混凝土的特性，是大体积混凝土施工中的一项重要技术措施。混凝土中常用的外加料主要是外掺剂和外掺料。 1掺加外掺剂 大体积混凝土中掺加外掺剂主要是木质素磺酸钙(简称木钙)。木质素磺酸钙，属阴离子表面活性剂，它对水泥颗粒有明显的分散效应，并能使水的表面张力降低。因此，在泵送混凝土中掺入水泥重量的0.20.3木钙，它不仅能使混凝土的和易性有明显的改善，而且可减少10左右的拌和水，混凝土28d的强度提高10以上：若不减少拌和水，坍落度可提高10cm左右；若保持强度木变，可节约水泥10，从而可降低水化热。2掺加外掺料 大量试验资料表明，在混凝土中掺入一定量的粉煤灰后，除了粉煤灰本身的火山灰活性作用，在生成硅酸盐凝胶，作为胶凝材料的一部分起增强作用外；在混凝土用水量不变的条件下，由于粉煤灰颗粒呈球状并具有“滚珠效应”，可以起到显著改善混凝土和易性的效能；若保持混凝上拌和物原有的流动性不变，则可减少用水量，起到减水的效果，从而可提高混凝土的密实性和强度；掺入适量的粉煤灰，还可大大改善混凝土的可泵性，降低混凝土的水化热。 大体积混凝土掺和粉煤灰分为“等量取代法”和“超量取代法”两种。前者是用等体积的粉煤灰取代水泥的方法；但其早期强度(28d以内)也会随掺入量增加而下降，所以对早期抗裂要求较高的工程，取代量应非常慎重。后者是一部分粉煤灰取代等体积水泥，超量部分粉煤灰则取代等体积砂子，它不仅可获得强度增加效应，而且可以补偿粉煤灰取代水泥所降低的早期强度，从而保持粉煤灰掺入前后的混凝土强度等效。 粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程中规定：对用作掺合料的粉煤灰，按其品质可分为，III级。级粉煤灰一