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大体积混凝土
第五章大体积混凝土
【教学基本要求】
通过本章的学习，使学生：
1了解混凝土裂缝产生的原因。
2熟悉大体积混凝土产生的机理。
3掌握大体积混凝土温度应力的计算。
4掌握控制混凝土温度裂缝的技术措施。
【学习重点】
大体积混凝土温度的计算和大体积混凝土裂缝的综合控制措施。
【内容提要和学习指导】
大体积混凝土的温度及湿度变形——膨胀及收缩
1.1.1大体积混凝土的定义
在工程实践中常遇到大体积混凝土结构，如大型设备基础、高层建筑基础底板、构筑物基础、桥梁墩台、深梁、水电站坝等。
由于这些结构体积大、整体行要求高，往往不宜留置施工缝。
此外，水泥水化时放出大量热量，当结构体积大时，混凝土内部聚集的热量长期不易散失，混凝土内部和周围大气环境间形成较高温度差，由于温度应力常造成混凝土开裂。
因此，美国混凝土学会曾强调指出：
“任何就地浇筑的大体积混凝土，必须要求采取措施，解决水化热及随之引起的体积变形问题。
以最大的限度减少开裂。
”综述所述，应十分慎重组织大体积混凝土的施工，以防止出现质量事故。
对于大体积混凝土的定义有不同的解释，日本建筑学会标准（JASS5）的定义：
“结构断面最小尺寸在800mm以上，水化热引起混凝土内的最高温度与外界气温之差超过25?
C的混凝土，称为大体积混凝土。
”我国某施工单位制定的“大体积混凝土工法”中认为：
凡结构断面最小尺寸大于3000mm的混凝土块体；或者单面散热的结构断面的最小尺寸在750mm以上，双面散热在1000mm以上，水化热引起的最高温度与外界气温之差预计超过25?
C的混凝土，均可称为大体积混凝土。
总之大体积混凝土还没有一个统一的定义。
但是用结构尺寸大小来定义大体积混凝土结构过于机械，有些结构的尺寸并不很大（如某些地铁隧道底板厚度仅0.5m）但受到外界约束很大，也避免不了出现裂缝。
采用以上定义方法有可能对某些本应属于大体积的混凝土结构忽略了对施工的预控。
至于用混凝土结构可能出现的最高温度于外界气温之差的某一规定值来定义大体积混凝土也不够严密。
因为“温度差”只有在约束条件下才起作用。
当内外约束（限制）较小时，就可允许混凝土和外界温度差较大，反之较小。
我国有关设计规范中曾规定，当基础混凝土28d龄期的极限拉伸值不低于?
10?
4时，施工质量均匀、良好，短间歇均匀上升的浇筑块、基础的容许温度差一般按表1采用
该规定中考虑了约束条件及混凝土的抗拉能力，从而规定容许温差，是较科学的。
基础容许温差?
T（?
C）表1
浇筑块长边l
离基础面高度h
16m以下
17~20m
21~30m
31~40m
通仓长块
0~0.2l
26~25
24~22
22~19
19~16
16~14
~0.4l
28~27
26~25
25~22
22~19
19~17
1.1.2混凝土的温度及湿度变形－膨胀及收缩
温度变形产生的原因很多，在这里仅讨论由于温度和湿度变化而产生的混凝土的变形。
当升温时或混凝土吸湿时体积膨胀，当降温时或混凝土失水时，体积收缩。
随着有无限制条件，混凝土的膨胀及收缩变形产生不同的结果。
一、限制条件的影响
（一）限制条件
根据有无限制条件混凝土的收缩可分为自有收缩及限制收缩，膨胀可分为自由膨胀和限制膨胀。
但是，可以认为任何混凝土变形都受到程度不同的限制，几乎没有不受限制的自由变形。
大体积混凝土所受到的内外限制见图1。
图1限制图分析
（二）限制条件的影响
自由收缩不会影响混凝土开裂，但限制收缩达到某种程度时可能引起开裂。
反之自由膨胀引起开裂而限制膨胀不发生开裂。
（三）相向变形和背向变形
相向变形使混凝土质点的间距缩小，组织致密，自由收缩是相向变形。
背向变形使混凝土质点间距较大，组织变松，自由膨胀是背向变形，膨胀超过一定限度就会开裂。
而限制下的收缩和膨胀同时包含相向及背向两种变形（图2）。
图2相向变形与背向变形
可将限制膨胀分解为两部分变形：
一是假定未受到限制，质点间距从原长l1增加到不受限制时能达到的长度l2也就是自由膨胀的全部变形，这部分是背向变形；另一是因限制作用使质点间距从上面达到的长度l2减小到限制后实际达到的长度l3，这部分是相向变形。
当限制程度足够大时，非但使混凝土避免开裂，并能起增强和密实的好作用。
限制收缩也可分两个部分的变形：
一是假定未受到限制，质点间距从原长l1减小到不受限制时能达到的长度l2，即自由收缩的全部变形，这部分是相向变形；另一是因限制作用使质点间距从上面达到的长度l2加大到限制后实际达到的长度l3，这部分是背向变形。
当限制程度很大时，这部分背向变形会引起开裂。
二、混凝土的湿度变形（干缩及湿胀）
混凝土中水分存在于孔隙中，这些孔隙分布在水泥石、骨料及骨料与水泥石之间和钢筋与水泥石之间的交界处。
孔隙分胶孔、毛细孔、气孔。
气孔（直径在1mm到0.01mm之间）中存在自由水，其增减不引起混凝土体积变化。
毛细孔尺寸比气孔小100倍，其中存在着受毛细管力作用的可蒸发水，此种水分蒸发将引起体积收缩，胶孔比毛细孔小1000倍，即约为10～40
（埃）（1
＝10）约为水分子直径的5倍。
胶孔中经常充满着水、不易蒸发。
但胶孔水仍对混凝土大体积变化有重要影响。
（一）干缩机理
对干缩机理提出如下假设：
当水分进入干燥的凝胶孔时，吸附水被均匀分布到固体颗粒全部表面。
当相对湿度达到100％时或在水中时，固体颗粒表面吸附水层厚度可达5个水分子直径，即两个粒子间需有10个水分子直径的间距，但胶孔平均尺寸只约5个水分子直径，容纳不下10个水分子直径厚度的吸附水，因此产生吸附水对粒子的推力。
此推力大小随环境湿度而变。
当相对湿度达到100％时推力最大，体积膨胀，即湿胀现象。
当湿度降低，推力减小，毛细孔水也开始蒸发，在毛细孔中产生拉应力，相应的在固体结构中产生压应力。
随着推力减小与压应力增加，体积就收缩。
毛细孔含量愈，周围的压应力就愈大，收缩率也愈大。
当环境相对湿度降低到40％以下时，固体颗粒表面吸附水膜的厚度不足两个水分子直径，胶孔中就不饱含水分，就不产生推力，体积收缩就更加剧烈。
在砂浆和混凝土中骨料起着阻止水泥石收缩的作用，混凝土的收缩率只是水泥石的1/10。
（二）影响干缩率的因素
1．骨料：
骨料在混凝土中含量以及骨料的弹性模量对干缩率有重要影响。
骨料尺寸及级配影响不大。
2．存放条件（环境湿度）对干缩率有重要影响。
延长湿养时间可推迟干缩的发生与发展，但对最终的干缩率并无显着影响。
3．水灰比与加水量：
水灰比及加水量大时干缩率大。
4．尺寸形状：
试件（构件）尺寸增加，则干缩率减小。
用体积与表面积的比值来表示试件的形状特征，比值小时则干缩率大。
但有一定限度。
（三）混凝土的干缩率的数字表达式
一般认为新鲜混凝土的干缩率的近似为×10-4。
中国建材院混凝土所提出了在标准条件下混凝土的自由收缩函数方程：
（1）
（2）
公式（5-1）及（5-2）分别表示标准条件下初始测试龄期为3天和28天的收缩计算公式。
即将试件在20℃的雾室的标准条件下养护3天或28天，然后移入20℃相对湿度为60％的恒温恒湿室内继续养护t天。
在环境温度、湿度和养护方法有变化的非标准条件下，自由收缩率需通过各种系数予以纠正。
（3）
式中：
s（t）－非标准条件下混凝土的自由收缩量率β1，β2，β3，β4，β5－表2至表6所示各种影响因素。
环境相对湿度影响系数β1建议值表2
环境湿度条件
相对湿度（％）
β1
干燥
正常
潮湿
40
60
80
1
截面尺寸影响系数β2建议值表3
V/s
β2
大体积混凝土
养护方法影响系数β3建议值表4
养护方法
β3
标准养护
蒸汽养护
粉煤灰取代水泥量影响系数β4建议值表5
粉煤灰取代水泥量
β4
0
10％-20％
混凝土强度等级影响系数β5建议值表6
混凝土品种
强度等级
β5
普通混凝土
C40
普通混凝土
C30
普通混凝土
C20
轻骨料混凝土
LC20-30
公式（5-3）的计算值是混凝土的自由收缩率。
为了得到限制收缩率应进行修正
（4）
式中：
－混凝土限制收缩率；
R－系数，一般在之间。
三、混凝土的温度变形
（一）混凝土的温度组成
在绝热条件下，混凝土的最高温度是浇注温度与水泥水化热产生的绝热温升的总和。
但实际上由于混凝土与外界环境之间存在温差，而结构物四周又不可能做到完全绝热，故新浇注的混凝土必然向外散热。
结构物的模板、外界气候条件（温度、湿度、风速）和养护条件等因素都会促使混凝土的温度发生变化。
因此混凝土内部温度实际上由以上两种温度组成部分再加上混凝土浇注后的散热温度所组成。
另外，混凝土从浇筑成型后，经历着初始温度发展为最高温度，最后达到稳定温度（或称最终温度）这样一个变化过程。
（二）混凝土的温度膨胀系数
混凝土温度变形的大小决定于温度变化值与混凝土的温度膨胀系数。
常用的线温度膨胀系数为（10-11）×10-6/℃。
但实际值随混凝土的材料与组成而异，尤其受骨料品种的影响最大。
.哈普对各种骨料混凝土（波特兰水泥：
骨料＝1：
6）的线膨胀系数进行试验，表明：
骨料分别为卵石、花岗岩、石灰岩时，混凝土在空气中的线膨胀系数分别为×10-6，×10-6，×10-6。
龄期及水泥品种对膨胀系数的影响很小。
（三）冷缩
水泥水化热一般均在3到7天内大量产生，因此混凝土在早期升温最快，随着散热速度不同，一般在3到5天内就接近或达到最高温度值，此后不过几天或十几天开始下降。
降温对混凝土收缩变形有很大影响。
例如降温10℃所引起的冷缩值竟相当于混凝土在相对湿度70％的正常环境下10到14天龄期的干缩值。
混凝土的温度应力
1.2.1混凝土的徐变及应力松弛
一、混凝土的徐变
在一定荷载长期作用下，混凝土将产生随着时间而增加的塑性变形，称为混凝土的徐变。
徐变对混凝土的结构的应力及变形状态有较大影响。
对于大体积混凝土来说，徐变变形与收缩（膨胀）变形同时存在、关系密切。
（一）徐变机理
一般认为混凝土产生徐变的机理是由于水泥石的粘弹性和水泥石与骨料之间塑性性质的综合结果。
具体来说主要由于持续荷载作用使凝胶体中水分缓慢压出，水泥石的粘性流动，微细空隙的闭合，结晶内部的滑动，微细裂缝的发生等因素的累加。
影响徐变的主要因素是：
1．加荷期间大气湿度越低，气温越高，徐变越大；
2．混凝土中水泥用量越多或水灰比越大，徐变越大；混凝土强度越高，弹性模量越大，徐变越小；
3．骨料的级配不良，空隙较多，徐变较大；
4．水泥活性低，结晶体形成慢而少，徐变较大；
5．加荷应力越大，徐变越大；
6．加荷时混凝土龄期越短，徐变越大；持续加荷时间越长，徐变越大；
7．结构尺寸越小，徐变越大；
（二）徐变的表示方式
一般以徐变系数Φ来表示，Φ=f/ε（5）
式中f——混凝土的徐变变形；
ε——混凝土的弹性变形；
对于普通混凝土如取徐变变形最终值f=76×10-5,弹性变形值ε=33×10-5；Φ=。
（三）大体积混凝土的徐变
在大体积混凝土生温阶段，混凝土内部因膨胀而引起相向变形（属于限制条件下的膨胀），但此时结构发育得还不够，塑性还较大。
这种相向变形大部分为塑性变形荷徐变所消耗。
因此限制膨胀所引起的混凝土密实作用，由于徐变而大大削弱。
降温阶段由于限制收缩而在混凝土中出现一定的拉应力，拉力徐变随之产生，它能增加混凝土的拉伸变形能力，有时能使混凝土的极限延伸率提高1-2倍或更多，推迟或避免开裂。
所以徐变对于防止大体积混凝土开裂有利。
但是此时混凝土内部结构随断裂而发展，强度及弹性模量上升，而塑性减少，徐变也随之减少。
因此，收缩所产生的拉应力发展到一定程度仍能引起混凝土开裂。
二、应力松弛
混凝土结构载荷载作用下，如保持约束变形为常量，则结构约束应力将随时间逐渐减少，此现象称为应力松弛。
它是由于混凝土的徐变特性引起的。
在变形为常量的条件下，任意时刻应力与初始应力之比称为应力松弛系数。
由于松弛实验较费事，一般根据在常荷载作用下的徐变资料得到应力松弛系数。
混凝土松弛程度与外加荷载时混凝土的龄期有关。
时间越早，混凝土徐变引起的松弛可越大，其次同应力作用的长短时间有关，时间越长，则松弛也越大。
混凝土结构浇注20天后已够成熟，产生约束变形。
此时龄期的影响很小，可忽略不计，应力松弛系数S（t）只与发生的约束变形后荷载持续时间t有关。
。
1.2.2大体积混凝土在温度应力作用下的两种不利情况
一、大体积混凝土浇注后一段时间，内部水化热不易散失，外部混凝土散热较快，水化热温升随壁（板）厚度增加而加大，混凝土内外形成一定的温度梯度。
无论温升阶段或温降阶段，混凝土中心温度总是高于混凝土表面温度。
根据热胀冷缩原理，中心部分混凝土膨胀速率要比表面混凝土大。
因此，混凝土中心与表面各质点间的内约束以及来自地基及其他外部边界约束的共同作用，使混凝土内部产生压应力，混凝土表面产生拉应力。
当温度梯度大到一定程度时，表面拉应力?
（t）超过混凝土的极限抗拉强度Rf（t）时，混凝土表面产生裂缝。
在升温阶段，混凝土未充分硬化，弹性模量小，徐变影响较大。
因此拉应力较小，只引起混凝土表面裂缝。
二、随着水泥水化反应的结束及混凝土的不断散热，大体积混凝土由升温阶段过渡到降温阶段。
温度降低，混凝土体积收缩。
由于混凝土内部热量是通过表面向外散发，降温阶段混凝土中心部分与表面部分的冷缩程度不同，在混凝土内部产生较大的内约束，同时地基与边界条件也对收缩的混凝土产生较大外约束。
内外约束的作用，使收缩的混凝土产生拉应力，随混凝土的龄期增长，抗拉强度Rf（t）增大。
弹性模量E（t）增高，徐变影响减小。
因此降温收缩产生的拉应力?
（t）较大，易在混凝土中心部位形成较高拉应力区，若此时的混凝土拉应力?
（t）大于混凝土此龄期的抗拉强度Rf（t），则大体积混凝土产生贯穿裂缝。
1.2.3大体积混凝土的裂缝
一、按裂缝的部位可分为：
（1）粘着裂缝：
是指骨料与水泥面的的粘结面上的裂缝，主要沿骨料周围出现。
（2）水泥面裂缝：
是指水泥浆中的裂缝，出现在骨料与骨料之间。
（3）骨料裂缝：
是指骨料本身的裂缝。
二、按混凝土裂缝起因可分为
（1）由外荷载（静、动荷载）的直接应力（即按常规计算的筑要应力）引起的裂缝；
（2）由结构次应力引起的裂缝；
（3）由变形引起的裂缝，即结构由温度、湿度引起的收缩或膨胀、不均匀沉降等变形产生的应力而引起的裂缝。
三、按混凝土裂缝深度划分为：
（1）贯穿裂缝：
切断了结构断面，可能破坏结构的整体性和稳定性，其危害性是较严重的；
（2）深层裂缝：
部分地切断结构断面，也有一定地危害性；
（3）表面裂缝：
一般危害性较小。
当处于基础或老混凝土约束范围以内地表面裂缝，在内部混凝土降温过程中，可能发展为贯穿裂缝。
四、裂缝宽度划分:
分为微观裂缝和宏观裂缝。
微观裂缝也称为“肉眼看不见的裂缝”。
裂缝宽度在~0.05mm以内，所以取0.05mm为宏观裂缝的起始宽度，
裂缝宽度指一条裂缝中较宽区段地平均值。
宏观裂缝可以避免，但不是所有的宏观裂缝都是有害的。
从国内外试验资料分析，结构物裂缝宽度一般控制在如下范围：
（1）无侵蚀介质，无抗渗要求0.3mm
（2）轻微侵蚀介质，无抗渗要求0.2mm
（3）严重侵蚀介质，有抗渗要求0.1mm
大体积混凝土结构裂缝控制的综合措施
1.3.1降低浇注温度及硬化过程中的混凝土温度
一、混凝土原材料的预冷却
混凝土原材料的预冷却，不仅可以降低混凝土的浇注温度，而且还可削减混凝土内部的最高温度，并减少最高温度与稳定温度之间的差值，从而把混凝土内的温度变化控制在允许范围之内，以防止裂缝的产生。
（一）冷却搅和水或掺冰屑
在暑期施工中，一般采用冷却拌和水或掺冰屑的办法，达到降低混凝土拌和温度的目的。
在拌和水中加冰，必须使冰在拌和过程中完全融化，否则，待混凝土浇筑后冰屑融化，在混凝土中形成空洞，影响混凝土的质量。
（二）预冷骨料
当混凝土体积特大或气温很高时，单靠冷却拌和水法往往满足不了要求,故还需与预冷骨料配合使用,预冷骨料通常有湿法、干法与真空气法三种。
二、降低水泥水化热
（一）水泥的选用
应优先采用水化热低的矿渣水泥配制大体积混凝土，当混凝土的强度等级为C15时，可采用325号矿渣硅酸盐水泥，当混凝土强度等级为C20或C20以上时，宜采用425号的矿渣硅酸盐水泥；也可用525号水泥，但注意用量。
对大体积混凝土所用的水泥，应进行水化热测定，水泥水化热的测定按现行国家标准《水泥水化热试验方法（直接法）》进行，配制混凝土所用水泥7天的水化热宜不大于250kj/kg。
（二）避免用高强混凝，尽可能选用中低强度混凝土，基础混凝土的强度等级宜在C25~C35的范围选用，利用后期强度R60。
（三）大体积混凝土配合比的选择：
在满足设计要求及施工工艺要求的前提下，应尽量减少水泥用量，以降低混凝土的绝热温升。
1.3.2提高混凝土极限抗拉强度
一、选择良好级配的粗骨料，严格控制其含泥量不大于％。
二、加强混凝土的振捣，采用二次投料法及二次振捣法，加强早期养护，并在浇注后及时排除表面积水以提高混凝土湿度和早期龄期抗拉强度，减少收缩变形。
三、在大体积混凝土内设置必要的温度配筋（采用小直径、密间距）。
在应力集中处如界面突变或转折处，底板（顶板）与墙转折处，孔洞转角及周边，增加斜向构造配筋，以防止出现裂缝。
1.3.3改善约束条件，削减温度应力
一、采取分层或分块浇筑大体积混凝土，合理设置水平或垂直施工缝，或在适当的位置设置施工后浇带，以放松约束程度，并减少每次浇筑长度的蓄热量，以防止水化热的积聚，减少温度应力。
二、对大体积混凝土基础与岩石地基，或基础与厚大的混凝土垫层之间设置滑动层，如采用平面浇沥青胶铺砂或刷热沥青或铺卷材。
在垂直面、键槽部位设置缓冲层，可用铺设30~50mm厚沥青木丝板或聚苯乙烯泡沫塑料，以消除嵌固作用，释放约束应力。
三、采用合理的平面和里面设计。
避免截面突变，从而减小约束应力。
1.3.4加强施工中的温度控制
一、在大体积混凝土工程施工前，应对施工阶段大体积混凝土浇注的温度、温度应力及收缩应力进行验算，确定施工阶段大体积浇注块体的升温峰值、里外温差及降温速度的控制指标及制定温控施工技术措施。
温度控制应围绕如何防止因温度变形而引起的结构物开裂为核心。
温度控制的目的，就是要对混凝土的初始温度（浇筑温度），和混凝土内部的最高温度进行人为的控制。
温度控制措施必须建立在严密的科学基础上。
不但要有温度控制的要求，而且还应计算出各龄期混凝土内的温度应力。
只有采取温度及应力“双控制”的方法，才能最大限度地避免结构物出现开裂的情况。
二、合理安排施工程序，控制混凝土浇注面在浇筑过程中均匀上升，避免混凝土拌合物堆积高差过大。
在结构完成后及时间回填土，避免其侧面长期暴露。
三、加强测温和温度监测与管理，实行信息化控制，随时控制混凝土内的温度变化，
混凝土的中心温度与表面温度之间的差值（Tmax–Tb），基底面温差以及混凝土表面温度与室外空气中最低温度之间的差值（Tb–Tq），均应小于20?
C；经过计算确认结构物混凝土具有足够的抗裂能力时，允许不大于25~30?
C。
及时调整保温及养护措施，使混凝土的温度梯度和温度不至过大，以有效控制有害裂缝的出现。
四、`规定合理的拆模时间,拆模时间应考虑气温环境等情况,必须有利于温度控制,即拆模后混凝土的温差不能太大,拆模后及时回填土。
五、混凝土浇筑后，做好表面的长时间保温保湿养护，延缓降温时间和速度，以充分发挥混凝土的“应力松弛效应”，以减低温度应力。
夏季及常温应在浇筑后及时洒水养护，以保持混凝土表面经常湿润为原则，模板上亦应经常洒水。
夏季应避免曝晒，注意保温。
冬季应采取措施保温覆盖，以免发生急剧的温度梯度。
当气温骤降，为防止表面散热过快，内外温差过大，可用碘钨灯或其他加热装置加热表面。
1.3.5混凝土混合物中掺入膨胀剂
混凝土混合物中掺入膨胀剂，为大体积混凝土的施工开辟了一个崭新的领域。
膨胀剂在混凝土内部产生的膨胀受到内部限制（包括混凝土本身及钢筋的限制）。
因此是限制膨胀。
在正确使用膨胀剂及掺量正确的前提下，膨胀剂的微膨胀作用可部分地抵消大体积混凝土的限制收缩，从而防止或减少收缩裂缝。
因此掺膨胀剂的混凝土称为补偿收缩混凝土。
大体积混凝土施工
常用的浇筑方案是采用分段分层的方法，有以下几种（见图3）
图3大体积混凝土浇筑方案
（a）全面分层；（b）分段分层；（c）斜面分层
（a）全面分层在整个模板内全面分层，浇筑区面积即为基础平面面积，第一层全部浇筑完毕后，再回头浇筑第二层，第二层要在第一层混凝土初凝之前，全部浇筑振捣完毕。
采用这种方案，结构的平面尺寸一般不宜太大。
（b）分段分层混凝土从底层开始浇筑，进行一定距离后就回头浇第二层，如此向前呈阶梯形推进。
当结构的厚度不大，分层较少时，混凝土浇筑到顶后，第一层末端的混凝土还未初凝，又可从第二层依次分层浇筑。
适于在结构平面面积较大时采用。
（c）斜面分层当结构的长度大大超过厚度三倍时，可采用本方案。
振捣工作从浇筑层斜面的下端开始，逐渐上移，以保证混凝土的浇筑质量。
【思考题】
1、大体积混凝土裂缝产生的机理是什么？
2、混凝土温度组成及影响因素有哪些？
3、什么叫混凝土绝热温升？
5、大体积混凝土结构裂缝控制的综合措施有哪些？
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