大体积混凝土

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1、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一一膨胀及收缩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

2、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

3、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

4、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！16m以下1720m2130m3140m通仓长块00.2 l262524222219191616140.4 l282726252522221919171.1.2 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

5、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。，基层对混凝土的限制 外部限制，桩对混凝土的限制 f1相邻结构对混凝土的限制限 1 |f混内部与表面相互限制I内部限制：先浇混凝土对后洗混凝土的限制Y钢筋对混凝土的限制图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

6、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li增加到不受限制时能达到的长度12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12减小到限制后实际达到的长度13,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

7、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11减小到不受限制时能达到的长度 以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12加大到限制后实际达到的长度13,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

8、起体积收缩，胶孔比毛细孔小1000倍，即约为1040A （埃）（1A=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

9、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

10、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X10-4o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:S(t) 0.3S 0.281071.48 1.47t1.10152.79 3.27t(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20c的雾室的标准条件下养护3天或28天，然后移入20c相对湿度为60%的恒温恒湿室内

11、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。s(t) s(t) 123451, 3 2, 3 3, 3 4, 3 5表 2 至表式中：s（t）非标准条件下混凝土的自由收缩量率36所示各种影响因素。环境相对湿度影响系数31建议值 表2环境湿度 条件相对湿度（）3 i干燥40正常601潮湿80截面尺寸影响系数3 2建议值 表3养护方法影响系数33建议值 表4养护方法3 3标准养护 蒸汽养护粉煤灰取代水泥量影响系数34建议值 表5粉煤灰取代水泥量34010%-20%混凝土强度等级影响系数35建议值 表6混凝土品种强度等级3 5普通混凝土C40普通

12、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s（t） s（t） R（4）式中：s（t）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

13、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） X10-6/C。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X10-6,X10-6, X 10-60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

14、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10c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来表示，二日（5）式中f 混凝土的徐变变形；