大体积混凝土技术方案

1、大体积混凝土主讲人：XXXX主要内容一、基本概念二、裂缝成因分析三、施工中裂缝控制技术四、有限元分析（Midas）一、基本概念（一）定义（一）定义（二）特点（二）特点（三）混凝土水化热（三）混凝土水化热一、基本概念（一）定义（一）定义（1）美国混凝土协会（）美国混凝土协会（ACI）：）：任何就地浇筑的大体积混凝土，其尺寸之大，必须要求解决水任何就地浇筑的大体积混凝土，其尺寸之大，必须要求解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂。化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂。（2）日本建筑学会标准（）日本建筑学会标准（JASS5）：）：结构断面最小厚度在结构断面最小厚度在80c

2、m以上，同时水化热引起混凝土内部以上，同时水化热引起混凝土内部的最高温度与外界气温之差预计超过的最高温度与外界气温之差预计超过25的混凝土。的混凝土。（3）我国大体积混凝土施工规范（）我国大体积混凝土施工规范（GB 50496-2009）：）：混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土。害裂缝产生的混凝土。一、基本概念（一）定义（一）定义（4）普通混凝土配合比设计规程（）普通混凝土配合比设计规程（JG

3、J55-2011）：）：体积较大的、可能由胶凝材料水化热引起的温度应力导致有害体积较大的、可能由胶凝材料水化热引起的温度应力导致有害裂缝的结构混凝土。裂缝的结构混凝土。（5）公路桥涵施工技术规范（）公路桥涵施工技术规范（JTG T F50-2011）：）：现场浇筑的最小边尺寸为现场浇筑的最小边尺寸为13m，且必须采取措施以避免水化且必须采取措施以避免水化热引起的温差超过热引起的温差超过25的混凝土称为大体积混凝土。的混凝土称为大体积混凝土。目前，较新的观点指出：所谓大体积混凝土是指其结构尺寸已目前，较新的观点指出：所谓大体积混凝土是指其结构尺寸已经大到必须采用相应技术措施、妥善处理内外温度差值

4、、合理解决经大到必须采用相应技术措施、妥善处理内外温度差值、合理解决温度应力、并按裂缝开展控制的混凝土。温度应力、并按裂缝开展控制的混凝土。一、基本概念（一）定义（一）定义建筑工程中大体积混凝土常出现的部位：建筑工程中大体积混凝土常出现的部位：厚大的地下室底板（特别是电梯井筒部位）、桩顶承台梁、厚大的地下室底板（特别是电梯井筒部位）、桩顶承台梁、转换梁或板、内筒外框架超高层的大截柱等；转换梁或板、内筒外框架超高层的大截柱等；桥梁工程大体积混凝土常出现的部位：桥梁工程大体积混凝土常出现的部位：桥梁大直径桩基础、悬索桥的锚碇和桥塔的一些部位、斜拉桥梁大直径桩基础、悬索桥的锚碇和桥塔的一些部位、斜拉

5、桥桥塔的一些部位、连续梁桥的墩台梁等。桥桥塔的一些部位、连续梁桥的墩台梁等。一、基本概念一、基本概念一、基本概念一、基本概念（二）特点（二）特点（1）混凝土属于脆性材料，抗拉强度约占抗压强度的）混凝土属于脆性材料，抗拉强度约占抗压强度的1/10左左右，其拉伸变形能力极小；右，其拉伸变形能力极小；（2）大体积混凝土结构具有较大的断面尺寸，混凝土浇筑后，）大体积混凝土结构具有较大的断面尺寸，混凝土浇筑后，水泥水化反应会产生大量水化热；水泥水化反应会产生大量水化热；（3）大体积混凝土结构中所配置的钢筋较小，一旦出现拉应）大体积混凝土结构中所配置的钢筋较小，一旦出现拉应力，只能依靠混凝土自身的抗拉能力

6、承受；力，只能依靠混凝土自身的抗拉能力承受；（4）对裂缝控制有较高的要求，除了满足强度、刚度、稳定）对裂缝控制有较高的要求，除了满足强度、刚度、稳定性等要求，还要有一定的整体性、防水性和抗渗性。性等要求，还要有一定的整体性、防水性和抗渗性。一、基本概念（三）混凝土水化热（三）混凝土水化热水化热温升规律：水化热温升规律：混凝土的温度随龄期增长变化，升温较快，约在混凝土的温度随龄期增长变化，升温较快，约在4872h左右达左右达到温度峰值，需要通过蓄热养护控制内外温差及降温速率。到温度峰值，需要通过蓄热养护控制内外温差及降温速率。水化热的积极作用：水化热的积极作用：提高水泥水化速度，提高砼早强，保证

7、低温和负温下砼的施工，提高水泥水化速度，提高砼早强，保证低温和负温下砼的施工，例如青藏铁路；例如青藏铁路；带来的问题：带来的问题：早期温度升高，混凝土芯部产生温度梯度，造成砼芯部产生较早期温度升高，混凝土芯部产生温度梯度，造成砼芯部产生较大热应力，进而产生开裂。大热应力，进而产生开裂。二、裂缝成因分析（一）裂缝分类（一）裂缝分类（二）成因分析（二）成因分析二、裂缝成因分析（一）裂缝分类（一）裂缝分类由于结构截面大，水泥用量多，水泥水化所释放的由于结构截面大，水泥用量多，水泥水化所释放的水化热会产生较大的温度变化和收缩作用，由此形成的水化热会产生较大的温度变化和收缩作用，由此形成的温度收缩应力是

8、导致钢筋混凝土产生裂缝的主要原因。温度收缩应力是导致钢筋混凝土产生裂缝的主要原因。混凝土结构中常见的裂缝主要是混凝土结构中常见的裂缝主要是温度裂缝温度裂缝和和干缩裂干缩裂缝缝。二、裂缝成因分析（一）裂缝分类（一）裂缝分类大体积混凝土内出现的裂缝，依其危害程度及缝的大小深浅，大体积混凝土内出现的裂缝，依其危害程度及缝的大小深浅，可分为可分为贯穿裂缝、深层裂缝和表面裂缝贯穿裂缝、深层裂缝和表面裂缝。二、裂缝成因分析（一）裂缝分类（一）裂缝分类（1）贯穿裂缝：）贯穿裂缝：当大体积混凝土降温产生的收缩和混凝土自身收缩受到地基或当大体积混凝土降温产生的收缩和混凝土自身收缩受到地基或基础约束时，在截面中产

9、生拉应力，当此拉应力超过混凝土的抗拉基础约束时，在截面中产生拉应力，当此拉应力超过混凝土的抗拉强度时，便会产生贯穿裂缝。强度时，便会产生贯穿裂缝。贯穿裂缝切断了结构断面，破坏了结构的整体性和稳定性，具贯穿裂缝切断了结构断面，破坏了结构的整体性和稳定性，具有严重的危害性。有严重的危害性。二、裂缝成因分析（一）裂缝分类（一）裂缝分类（2）深层裂缝：）深层裂缝：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

10、切断了结构断面，具有很大的危害性，施工中裂缝。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。如果设法避免约束区的表面裂缝，且混凝土内外是不允许出现的。如果设法避免约束区的表面裂缝，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。温差控制适当，基本上可避免出现深层裂缝和贯穿裂缝。深层裂缝部分切断了结构断面，对结构耐久性有一定的危害。深层裂缝部分切断了结构断面，对结构耐久性有一定的危害。二、裂缝成因分析（一）裂缝分类（一）裂缝分类（3）表面裂缝：）表面裂缝：大体积混凝土在硬化过程释放大量水化热，使基础中部产生较大体积混凝土在硬化过程释放大量水化热，使基础中部产生

11、较高温度，而混凝土表面和边界受气温影响，温度较低，这样形成较高温度，而混凝土表面和边界受气温影响，温度较低，这样形成较大内外温差，在混凝土内部产生压应力，在混凝土表面产生拉应力，大内外温差，在混凝土内部产生压应力，在混凝土表面产生拉应力，当此拉应力超过混凝土抗拉强度时，便会产生表面裂缝。当此拉应力超过混凝土抗拉强度时，便会产生表面裂缝。表面裂缝危害性较小，但处于基础或者老混凝土约束范围以内表面裂缝危害性较小，但处于基础或者老混凝土约束范围以内的表面裂缝，在内部混凝土降温过程中，可能发展为深层甚至贯穿的表面裂缝，在内部混凝土降温过程中，可能发展为深层甚至贯穿裂缝。裂缝。二、裂缝成因分析（一）裂缝

12、分类（一）裂缝分类二、裂缝成因分析（一）裂缝分类（一）裂缝分类二、裂缝成因分析（一）裂缝分类（一）裂缝分类二、裂缝成因分析（二）成因分析（二）成因分析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内外温差而产生的应力和应变；另一方面是结构的内外约束和部因内外温差而产生的应力和应变；另一方面是结构的内外约束和混凝土各质点间的约束阻止这种应变。一旦温度应力超过混凝土的混凝土各质点间的约束阻止这种应变。一旦温度应力超过混凝土的抗拉强度时，即会产生裂缝。抗拉强度时，即会产生裂缝。产生裂缝的主要原因有：产生裂缝的主要原因有：（1 1）水泥

13、水化热）水泥水化热（2 2）外界温度变化）外界温度变化（3 3）约束条件的影响）约束条件的影响（4 4）混凝土的收缩变形）混凝土的收缩变形二、裂缝成因分析（二）成因分析（二）成因分析（1）水泥水化热：）水泥水化热：大体积混凝土结构断面较厚，水泥在硬化过程中会产生大量水大体积混凝土结构断面较厚，水泥在硬化过程中会产生大量水化热。水泥发出的热量聚集在结构内部不易散失，导致温度不断上化热。水泥发出的热量聚集在结构内部不易散失，导致温度不断上升，其程度与混凝土单位体积中水泥用量和水泥品种有关。升，其程度与混凝土单位体积中水泥用量和水泥品种有关。混凝土导热性能较差，浇筑初期，混凝土对水化热引起的急剧混凝

14、土导热性能较差，浇筑初期，混凝土对水化热引起的急剧温升约束不大，温度应力较低。随着混凝土龄期的增加，弹性模量温升约束不大，温度应力较低。随着混凝土龄期的增加，弹性模量逐渐增大，对混凝土内部降温收缩的约束也越大，产生较大的拉应逐渐增大，对混凝土内部降温收缩的约束也越大，产生较大的拉应力。当混凝土的抗拉强度不足以抵抗拉应力时，便开始出现裂缝。力。当混凝土的抗拉强度不足以抵抗拉应力时，便开始出现裂缝。二、裂缝成因分析（二）成因分析（二）成因分析（1）水泥水化热：）水泥水化热：不同品种、强度等级水泥的水化热二、裂缝成因分析（二）成因分析（二）成因分析（2）外界温度变化（温度应力）：）外界温度变化（温度

15、应力）：气温的降低会在混凝土表面引起很大的拉应力。混凝土传热性气温的降低会在混凝土表面引起很大的拉应力。混凝土传热性能不佳，气温骤降使混凝土表层急剧降温，其内部仍处于高温，因能不佳，气温骤降使混凝土表层急剧降温，其内部仍处于高温，因而在表层附近形成较大的温度梯度，限制表层混凝土的急剧收缩，而在表层附近形成较大的温度梯度，限制表层混凝土的急剧收缩，使混凝土的不能发挥徐变性能，导致混凝土表层产生裂缝。使混凝土的不能发挥徐变性能，导致混凝土表层产生裂缝。需要指出的是，在龄期需要指出的是，在龄期35d拆模的混凝土，使表层混凝土突然拆模的混凝土，使表层混凝土突然暴露在较冷的空气中，也相当于一次气温骤降，

16、因此拆模后必须立暴露在较冷的空气中，也相当于一次气温骤降，因此拆模后必须立即进行保温。即进行保温。二、裂缝成因分析（二）成因分析（二）成因分析（2）外界温度变化（温度应力）：）外界温度变化（温度应力）：由于混凝土的材料性质随龄期变化，故大体积混凝土温度应力由于混凝土的材料性质随龄期变化，故大体积混凝土温度应力的发展可分为三个阶段：的发展可分为三个阶段：1 1）早期应力：自浇筑混凝土开始至水泥放热作用基本结束为）早期应力：自浇筑混凝土开始至水泥放热作用基本结束为止，约一个月时间；止，约一个月时间；2 2）中期应力：自水泥放热作用基本结束至混凝土冷却至稳定）中期应力：自水泥放热作用基本结束至混凝土

17、冷却至稳定温度时止；温度时止；3 3）晚期应力：混凝土完全冷却以后的运行期。）晚期应力：混凝土完全冷却以后的运行期。二、裂缝成因分析（二）成因分析（二）成因分析（2）外界温度变化（温度应力）：）外界温度变化（温度应力）：根据引起应力的原因，温度应力可分为自生应力、约束应力。根据引起应力的原因，温度应力可分为自生应力、约束应力。二、裂缝成因分析（二）成因分析（二）成因分析（3）约束条件的影响：）约束条件的影响：结构在变形时会受到一定的抑制而阻碍其自由变形，该抑制即结构在变形时会受到一定的抑制而阻碍其自由变形，该抑制即称称“约束约束”，大体积混凝土由于温度变化产生变形，这种变形受到，大体积混凝土由

18、于温度变化产生变形，这种变形受到约束才产生应力。约束才产生应力。外约束：一个结构的变形受到其他结构的阻碍；外约束：一个结构的变形受到其他结构的阻碍；内约束：当结构截面较厚时，其内部温度分布不均匀，引起各内约束：当结构截面较厚时，其内部温度分布不均匀，引起各质点变形的相互约束。质点变形的相互约束。二、裂缝成因分析（二）成因分析（二）成因分析（4）混凝土的收缩变形：）混凝土的收缩变形：大体积混凝土收缩是由自生收缩、碳化收缩、塑性收缩、干缩大体积混凝土收缩是由自生收缩、碳化收缩、塑性收缩、干缩和温度收缩组成。和温度收缩组成。干缩：混凝土内多余水分蒸发引起的体积收缩。干缩：混凝土内多余水分蒸发引起的体

19、积收缩。干缩也是引起混凝土裂缝的一个原因。大体积混凝土内部湿度干缩也是引起混凝土裂缝的一个原因。大体积混凝土内部湿度变化很小，表面湿度可能发生剧烈变化，如养护不周或时干时湿，变化很小，表面湿度可能发生剧烈变化，如养护不周或时干时湿，表面干缩变形受到内部混凝土约束，也会导致裂缝。表面干缩变形受到内部混凝土约束，也会导致裂缝。温度收缩：由于混凝土温度下降引起的收缩。温度收缩：由于混凝土温度下降引起的收缩。三、施工中裂缝控制大体积混凝土结构内一旦出现大的裂缝，难大体积混凝土结构内一旦出现大的裂缝，难以通过修补恢复结构的整体性。因此，对于大以通过修补恢复结构的整体性。因此，对于大体积混凝土结构的裂缝应

20、以体积混凝土结构的裂缝应以预防预防为主。为防止为主。为防止大体积混凝土结构出现裂缝，应从大体积混凝土结构出现裂缝，应从温度控制温度控制和和约束条件约束条件方面入手。方面入手。三、施工中裂缝控制（一）温度控制（一）温度控制（1）降低混凝土浇筑温度）降低混凝土浇筑温度通过冷却拌合水、加冰、预冷骨料等办法降低混凝土出机口温通过冷却拌合水、加冰、预冷骨料等办法降低混凝土出机口温度，采用加大混凝土浇筑强度、仓面保冷等方法减少浇筑过程中的度，采用加大混凝土浇筑强度、仓面保冷等方法减少浇筑过程中的温度回升；温度回升；（2 2）水管冷却）水管冷却在混凝土内埋设水管，通低温水以降低混凝土表面温度；在混凝土内埋设

21、水管，通低温水以降低混凝土表面温度；（3 3）表面保温）表面保温在混凝土表面覆盖保温材料，减少内外温差、降低混凝土表面在混凝土表面覆盖保温材料，减少内外温差、降低混凝土表面温度梯度；规定合理的拆模时间。温度梯度；规定合理的拆模时间。三、施工中裂缝控制（一）温度控制（一）温度控制（4）优化配合比）优化配合比1 1）选择水泥：低热矿渣水泥、中热硅酸盐水泥或硅酸盐水泥）选择水泥：低热矿渣水泥、中热硅酸盐水泥或硅酸盐水泥掺入一定量的粉煤灰；掺入一定量的粉煤灰；2 2）掺用混合材料：矿渣、粉煤灰、烧黏土等；）掺用混合材料：矿渣、粉煤灰、烧黏土等；3 3）掺用外加剂：减水剂、引气剂、缓凝剂、早强剂等；）掺

22、用外加剂：减水剂、引气剂、缓凝剂、早强剂等；4 4）优化混凝土配合比：在保证混凝土强度及流动性条件下，）优化混凝土配合比：在保证混凝土强度及流动性条件下，尽量节省水泥，降低混凝土绝热温升。尽量节省水泥，降低混凝土绝热温升。三、施工中裂缝控制（一）温度控制（一）温度控制某承台冷却管平面布置图1三、施工中裂缝控制（一）温度控制（一）温度控制某承台冷却管平面布置图2三、施工中裂缝控制（一）温度控制（一）温度控制木屑撮毛混凝土表面三、施工中裂缝控制（一）温度控制（一）温度控制保温养护三、施工中裂缝控制（一）温度控制（一）温度控制预埋温度探头三、施工中裂缝控制（一）温度控制（一）温度控制测试混凝土温度三

23、、施工中裂缝控制（一）温度控制（一）温度控制测试混凝土温度三、施工中裂缝控制（二）改善约束条件（二）改善约束条件（1）合理选择混凝土浇筑方案）合理选择混凝土浇筑方案大体积混凝土浇筑可采用分层连续浇筑、分段分层踏步式推进大体积混凝土浇筑可采用分层连续浇筑、分段分层踏步式推进的浇筑方法。一般情况下尽量采用分层连续浇筑；对于工程量较大、的浇筑方法。一般情况下尽量采用分层连续浇筑；对于工程量较大、浇筑面积大、一次连续浇筑层厚度不大且浇筑能力不足时，宜采用浇筑面积大、一次连续浇筑层厚度不大且浇筑能力不足时，宜采用分段分层踏步式推进的浇筑方法。分段分层踏步式推进的浇筑方法。分块后的结构补偿措施：抗剪能力降

24、低分块后的结构补偿措施：抗剪能力降低上层混凝土覆盖时间要适宜：应在下层混凝土温度已降到定值上层混凝土覆盖时间要适宜：应在下层混凝土温度已降到定值时，即上层混凝土温升传递到下层后，下层混凝土温度回升值不大时，即上层混凝土温升传递到下层后，下层混凝土温度回升值不大于原混凝土最高温升。于原混凝土最高温升。三、施工中裂缝控制（二）改善约束条件（二）改善约束条件（1）合理选择混凝土浇筑方案）合理选择混凝土浇筑方案对于超长大体积混凝土，施工时应控制结构不出现有害裂缝，对于超长大体积混凝土，施工时应控制结构不出现有害裂缝，方法有：方法有：1 1）留置变形缝；）留置变形缝；2 2）后浇带施工；）后浇带施工；3

25、 3）跳仓法施工：跳仓的最大分块尺寸不宜大于）跳仓法施工：跳仓的最大分块尺寸不宜大于4040m，调仓间，调仓间隔施工的时间不宜小于隔施工的时间不宜小于7 7d，跳仓接缝处按施工缝的要求设置和处理。，跳仓接缝处按施工缝的要求设置和处理。三、施工中裂缝控制（二）改善约束条件（二）改善约束条件（1）合理选择混凝土浇筑方案）合理选择混凝土浇筑方案分层分块浇筑三、施工中裂缝控制（二）改善约束条件（二）改善约束条件（1）合理选择混凝土浇筑方案）合理选择混凝土浇筑方案整体分层连续浇筑施工推移式连续浇筑施工三、施工中裂缝控制（二）改善约束条件（二）改善约束条件（1）合理选择混凝土浇筑方案）合理选择混凝土浇筑方

26、案三、施工中裂缝控制（二）改善约束条件（二）改善约束条件（2）适当的地基处理）适当的地基处理地基处理是为了减小地基对混凝土基础的阻力，以减小温度应地基处理是为了减小地基对混凝土基础的阻力，以减小温度应力，避免发生温度裂缝。力，避免发生温度裂缝。（3）合理配筋）合理配筋当混凝土的底板或墙体厚度较小时，增配构造钢筋，抵抗混凝当混凝土的底板或墙体厚度较小时，增配构造钢筋，抵抗混凝土温度裂缝的作用；但对于大块式基础，构造筋对控制贯穿性裂缝土温度裂缝的作用；但对于大块式基础，构造筋对控制贯穿性裂缝的作用较小。的作用较小。构造钢筋应尽可能采用构造钢筋应尽可能采用II级钢筋、小直径和小间距。级钢筋、小直径和

27、小间距。四、有限元分析（Midas）（一）施工仿真分析（一）施工仿真分析大体积混凝土通常采用分层或分块浇筑，浇筑过程历时长，施大体积混凝土通常采用分层或分块浇筑，浇筑过程历时长，施工过程对混凝土结构温度场和应力场有重要影响。因此，需要进行工过程对混凝土结构温度场和应力场有重要影响。因此，需要进行仿真计算，模拟大体积混凝土施工过程，掌握大体积混凝土的温度仿真计算，模拟大体积混凝土施工过程，掌握大体积混凝土的温度场和温度应力的变化规律。进行仿真模拟时，需要考虑施工过程、场和温度应力的变化规律。进行仿真模拟时，需要考虑施工过程、外界环境及其材料性质等因素。其过程可大致为：外界环境及其材料性质等因素。其过程可大致为：（1）建立计算模型）建立计算模型（2）边界条件）边界条件（3）仿真计算）仿真计算（4）结果分析）结果分析四、有限元分析（Mida