大体积混凝土施工技术讲义

大体积混凝土施工技术大学水利水电学院Cellphone：E-mail：QQ：大体积混凝土的定义z

美国混凝土协会（ACI）规定：“任何就地浇筑的大体积混凝土，其尺寸之大，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。”z

日本建筑协会标准（JASS5）中规定

：“结构断面最小尺寸在80cm以上，同时水化热引起混凝土内的最高温度与外界气温之差，预计超过25℃的混凝土，称之为大体积混凝土。”大体积混凝土的定义目前，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、合理解决温度应力、并按裂缝开展控制的混凝土。大体积混凝土的定义z

建筑工程大体积砼常出现的部位：厚大的地下室底板（特别是电梯井筒部位）、桩顶承台梁、转换梁或板、内筒外框架超高层的大截柱等。z

桥梁工程大体积砼常出现的部位：桥大直径桩基础、悬索桥的锚碇和桥塔的一些部位、斜拉桥桥塔的一些部位、连续梁桥的墩台梁等。大体积混凝土的温度裂缝z建筑工程中的大体积混凝土结构中，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，由此形成的温度收缩应力是导致钢筋混凝土产生裂缝的主要原因。裂缝分为表面裂缝和贯通裂缝两种。z表面裂缝是由于混凝土表面和内部的散热条件不同，温度外低内高，形成了温度梯度，是混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，表面的拉应力超过混凝土抗拉强度而引起的。z贯通裂缝是由于大体积混凝土在强度发展到一定程度，混凝土逐渐降温，这个降温差引起的变形加上混凝土失水引起的体积收缩变形，受到地基和其他结构边界条件的约束时引起的拉应力，超过混凝土抗拉强度时所可能产生的贯通整个截面的裂缝。大体积混凝土的温度裂缝故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，一方面是混凝土内外温差产生应力和应变，另一方面是结构的外约束和混凝土各质点间的内约束阻止这种应变，一旦温度应力超过混凝土所能承受的抗拉强度，就会产生裂缝。引起温度裂缝的原因可分为以下几类：‡

水泥水化热水泥的水化热是大体积混凝土内部热量的主要来源，由于大体积混凝土截面厚度大，水化热聚集在混凝土内部不易散失。‡

外界气温变化大体积混凝土的温度裂缝‡

约束条件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“约束”，大体积混凝土由于温度变化产生变形，这种变形受到约束才产生应力。在全约束条件下，混凝土结构的变形：ε

=

ΔT

⋅αε——混凝土收缩时的相对变形；ΔT

——混凝土的温度变化量；α——混凝土的温度膨胀系数。‡混凝土收缩变形大体积混凝土的温度应力‡

大体积混凝土温度应力特点混凝土的温度取决于它本身环境有温差存在，而结构物四周又不可能做到完全绝热，因此，在新浇筑的混凝土与其四周环境之间，就会发生热能的交换。模板、外界气候(包括温度、湿度和风速)和养护条件等因素，都会不断改变混凝土所贮备的热能，并促使混凝土的温度逐渐发生变动。因此，混凝土内部的最高温度，实际上是由浇筑温度、水泥水化热引起的绝对温升和混凝土浇筑后的散热温度三部分组成。大体积混凝土温度计算‡

最大绝热温升（二式取其一）(1)T

=

(m

+

K

⋅

F)Q

/

c⋅

ρ

(

2)T

m

Q

/

c

(1

e

mt

)=

⋅

⋅

ρ

−

−hchcTh——混凝土最大绝热温升(℃)mc——混凝土中水泥(包括膨胀剂)用量（kg/m3）F——混凝土活性掺合料用量（kg/m3）K——掺合料折减系数。粉煤灰

取0.25~0.30c——混凝土比热，取0.97[kJ/(kg·K)]Q——水泥28d水化热(kJ/kg)

ρ——混凝土密度(2400kg/m3)t——混凝土的龄期（d）m——系数、随浇筑温度改变大体积混凝土温度计算表1

不同品种、强度等级水泥的水化热水化热Q(kJ/kg

)水泥强度等级水泥品种3d7d28d37533433442.532.532.5314250180354271256硅酸盐水泥矿渣水泥表2

系数m浇筑温度(℃)

5m(1/d)10152025300.295

0.318

0.340

0.362

0.384

0.406大体积混凝土温度计算‡

混凝土中心计算温度T

=

T

+Tξ(t)1(t)jhT1(t)——t龄期混凝土中心计算温度（℃）Tj

——混凝土浇筑温度（℃）ξ(t)——t龄期降温系数大体积混凝土温度计算龄期降温系数

ξ(t)龄期t(d)15

180.36

0.29

0.17

0.09

0.05

0.03

0.01浇筑层厚度(m)36912212427301.01.25

0.42

0.31

0.19

0.11

0.07

0.04

0.031.50

0.49

0.46

0.38

0.29

0.21

0.15

0.12

0.08

0.05

0.042.50

0.65

0.62

0.57

0.48

0.38

0.29

0.23

0.19

0.16

0.153.00

0.68

0.67

0.63

0.57

0.45

0.36

0.30

0.25

0.21

0.194.00

0.74

0.73

0.72

0.65

0.55

0.46

0.37

0.30

0.25

0.24大体积混凝土温度计算‡

混凝土表层（表面下50~100mm处）温度¾保温材料厚度δ

=

0.5h⋅λ

(T

−T

)K

/

λ(T

−T

)x2qbmax2δ

——保温材料厚度（m）T2

——混凝土表面温度（℃）Tq

——施工期大气平均温度（℃）λ——混凝土导热系数，取2.33W/(m·K)Tmax——计算得混凝土最高温度（℃）计算时可取T

−T

=15

~

20℃2qT

−T

=

20

~

25℃max2大体积混凝土温度计算λx

——所选保温材料导热系数[W/(m·K)]导热系数λ[W/(m·K)密度(kg/m3)导热系数λ[W/(m·K)材料名称密度(kg/m3)材料名称建筑钢材钢筋混凝土水7800240058矿棉，岩棉沥青矿棉毡泡沫塑料110～200100～16020～500.031～0.0650.033～0.0520.035～0.0470.019～0.0652.330.580.23木模板500～700膨胀珍珠岩40～300木屑草袋0.170.14油毡0.050.0420.03150膨胀聚苯板空气15～25沥青蛭石板膨胀蛭石350～40080～2000.081～0.1050.047～0.07泡沫混凝土0.10大体积混凝土温度计算Kb

——

传热系数修正值，取1.3~2.0。保温层种类K12.62.01.61.3K23.02.31.91.51234仅由容易透风的材料组成(如草袋、稻草板、锯末、砂子)由易透风材料组成，但在混凝土面层上再铺一层不透风材料在易透风保温材料上铺一层不透风材料在易透风保温材料上下各铺一层不易透风材料5仅由不易透风材料组成(如油布、帆布、棉麻毡、胶合板)1.31.5K1值为一般刮风情况（风速<4m/s，结构位置>25m）；K2值为刮大风情况；大体积混凝土温度计算Kb

——

传热系数修正值，取1.3~2.0。保温层种类K12.62.01.61.3K23.02.31.91.51234仅由容易透风的材料组成(如草袋、稻草板、锯末、砂子)由易透风材料组成，但在混凝土面层上再铺一层不透风材料在易透风保温材料上铺一层不透风材料在易透风保温材料上下各铺一层不易透风材料5仅由不易透风材料组成(如油布、帆布、棉麻毡、胶合板)1.31.5K1值为一般刮风情况（风速<4m/s，结构位置>25m）；K2值为刮大风情况；大体积混凝土温度计算¾如采用蓄水养护，蓄水养护深度h

=

x⋅M

(T

−T

)K

⋅λ

/(700T

+

0.28m

⋅Q)wmax2bwjchw

——养护水深度（m）x

——混凝土维持到指定温度的延续时间，即蓄水养护时间（h）M——混凝土结构表面系数（1/m）,M=F/VF——与大气接触的表面（m2）V——混凝土体积（m3）T

−T

=

20

~2

5℃max2700——折算系数[kJ/(m3·K)]λw——水的导热系数，取0.58大体积混凝土温度计算¾混凝土表面模板及保温层的传热系数1β

=∑[

δ

/

λ

+1/

β

]iiqβ——混凝土表面模板及保温层等的传热系数[W/(m3·K)]δi

——各保温材料厚度（m）λi——各保温材料导热系数[W/(m3·K)]βq——空气层的传热系数，取23[W/(m3·K)]大体积混凝土温度计算¾混凝土虚厚度′h

=

k

⋅λ

/

βh’——混凝土虚厚度（m）k——折减系数，取2/3λ——混凝土导热系数，取2.33[W/(m3·K)]大体积混凝土温度计算¾混凝土计算厚度′H

=

h

+

2hH——混凝土计算厚度（m）h——混凝土实际厚度（m）大体积混凝土温度计算¾混凝土表层温度′′=

+

⋅

−T

T

4

h

(H

h

)[T

T

]/

H−22(t)q1(t)qT2(t)——混凝土表面温度（℃）Tq

——施工期大气平均温度（

℃

）h’

——混凝土虚厚度（m）H

——混凝土计算厚度（m）T1(t)——混凝土中心温度（℃）大体积混凝土温度计算‡混凝土平均温度T

=

[T

+T

]/

2m(t)1(t)2(t)大体积混凝土应力计算‡地基约束系数¾单纯地基阻力系数Cx1（N/mm3）土质名称软黏土承载力(kN/m2)80～150Cx1推荐值0.01～0.030.03～0.060.06～0.10砂质黏土坚硬黏土250～400500～800风化岩石和低强度素混凝土5000～100005000～100000.60～1.001.00～1.50C10以上配筋混凝土大体积混凝土应力计算¾桩的阻力系数Cx2（N/mm3）Cx2

=

Q

/

FQ——桩产生单位位移所需水平力(N/mm)当桩与结构铰接时Q

=

2E

⋅

I[K

⋅

D

/(4E

⋅

I)]3/4当桩与结构固接时=

⋅⋅⋅3/4Q

4E

I[K

D

/(4E

I)]nE——桩混凝土的弹性模量（N/mm2）I——桩的惯性矩（mm4）Kn——地基水平侧移刚度，取1×10-2D——桩的直径或边长（mm）F——每根桩分担的地基面积（mm2）大体积混凝土应力计算¾大体积混凝土瞬时弹性模量E

E

(1

e

)=

−

−0.09t(t)0E(t)——t龄期混凝土弹性模量（N/mm2）E0——28d混凝土弹性模量（N/mm2）e

——常数，取2.718t

——龄期（d）大体积混凝土应力计算¾地基约束系数β

=

(C

+

C

)

/

h⋅

E(t)x1x2(t)β(t)——t龄期地基约束系数（l/mm）h——混凝土实际厚度（mm）Cx1

——单纯地基阻力系数（N/mm3）Cx2——桩的阻力系数（N/mm3）E(t)——t龄期混凝土弹性模量（N/mm2）大体积混凝土应力计算‡混凝土干缩率和收缩当量温差¾混凝土干缩率ε

=

ε0(1

e

)M

M

LM−−0.01t⋅YY

(t)1210εY(t)——t龄期混凝土干缩率ε0Y(t)——标准状态下混凝土极限收缩值，取3.24×10-4M

•M

···M

——各修正系数，参考建筑施工手册第四版1210表10-88大体积混凝土应力计算¾收缩当量温差T

=

ε

/αY

(t)Y

(t)TY(t)——t龄期混凝土收缩当量温差（℃）α——混凝土线膨胀系数，取1×10-5（1/℃）大体积混凝土应力计算‡结构计算温差（一般3d划分一区段）ΔT

=

T

−T

+T

−Tim(i)m(i+3)Y

(i+3)Y

(i)ΔTi——i区段结构计算温差（℃）Tm(i)——i区段平均温度起始值（℃）Tm(i+3)——i区段平均温度终止值（℃）TY(i+3)——i区段收缩当量温差终止值（℃）TY(i)——i区段收缩当量温差起始值（℃）大体积混凝土应力计算i区段平均地基约束系数‡各区段拉应力σ

=

E

⋅α

⋅

ΔT

⋅S

{1−1/

ch(β

⋅

L

/

2)}iiiii混凝土最大尺寸σi——i区段混凝土内拉应力（N/mm2）——i区段平均弹性模量（N/mm2）EiS——i区段平均应力松弛系数i龄期t(d)36912151821242730St0.57

0.52

0.48

0.44

0.41

0.386

0.3680.352

0.339

0.327大体积混凝土应力计算‡到指定期混凝土内最大应力n∑σ

=

[1/(1−ν

)]

σmaxii=1σmax——到指定期混凝土内最大应力（N/mm2）ν——泊松比，取0.15大体积混凝土应力计算‡安全系数K

=

ft

/σmaxft——到指定期混凝土抗拉强度设计值（N/mm2）K——大体积混凝土抗裂安全系数，应≥1.15大体积混凝土平均整浇长度‡混凝土极限拉伸值ε

p

=+

μ7.5

f

(0.1

/

d)1

0

(lnt

/

ln

28)−4tft——混凝土抗拉强度设计值（N/mm2）µ——配筋率（%），

µ=Fa/Fcd——钢筋直径（mm）t——指定龄期（d）Fa——钢筋截面面积（m2）Fc——混凝土截面面积（m2）大体积混凝土平均整浇长度‡平均整浇长度（伸缩缝间距）[L

]

=1.5

h⋅

E

/C

⋅arch[α

⋅

ΔT

/(α

⋅ΔT

−

ε

)]cp(t)xp[Lcp]——平均整浇长度（伸缩缝间距）（mm）h——混凝土厚度（mm）E(t)——指定时刻混凝土弹性模量（N/mm2）C

——地基阻力系数（N/mm3）,

C

=C

+Cxxx1x2ΔT——指定时刻的累计结构计算温差（℃）大体积混凝土计算案例【例1】

某工程现浇钢筋混凝土基础底板，厚度为0.8m，配置直径16带肋钢筋，配筋率0.35%，混凝土强度等级采用C30，地基为坚硬黏土，施工条件正常(材料符合质量标准、水灰比准确、机械振捣、混凝土养护良好)。试计算早期(15d)不出现贯穿性裂缝的允许间距。大体积混凝土计算案例M

,M

,M

,M

,M

,M均取1.0912358M

=1.42，M

=0.93

，M

=0.70，M

=0.4246710混凝土经过15d的收缩变形ε

=

ε

0

−

−0.01t(1

e

)M

M

LM⋅YY

(t)12103.24

10

(1

)

1.42

0.93

0.70

0.42ε

=

×

−4

×

−

e−0.01×15

×

×

×

×Y

(15)ε

=

0.175×10−4Y

(15)混凝土收缩当量温差为×−40.175

10T

==1.75℃≈

2℃Y

(15)×−51.0

10大体积混凝土计算案例混凝土上、下面温升为15℃，由于时间短，养护较好，气温差忽略不计，混凝土的水化热温差经计算为25℃，则计算温差为ΔT

=

2

+

25

=

2

7℃混凝土的极限拉伸值ε

p

=+

μ−40.35167.5

f

(0.1

/

d)1

0

(lnt

/

ln

28)t7.5

1.5

(0.1=

×

×

+)

10

0.813×4×=1.115

10×−4大体积混凝土计算案例15d时混凝土的弹性模量E

E

(1

e

)=

−

−0.09t(t)03.0

10

(1E

=

×4×

−

e−0.09×15

)(15)2.22

10

MPa=

×4伸缩缝的最大允许间距[L

]

=1.5

h⋅

E

/C

⋅arch[α

⋅ΔT

/(α

⋅ΔT

−

ε

)]cp(t)xp×−5×1.0

10

27[

]

1

5

800

2

22

10

/

0

08

[L

=

.

.

×arch×

.

×4]cp1.0

10

27

1.115

10−5

×

−××−4≈

26m大体积混凝土计算案例由计算知，板的最大允许伸缩缝间距为26m。当板的纵向长度小于26m时，可以避免裂缝出现。否则则需在中部设置伸缩缝或“后浇缝”。当板下有桩基础时，计算阻力系数Cx时，应考虑桩基对基础底板的约束阻力。大体积混凝土计算案例【例2】

大型设备基础底板长90.8m、宽31.3m、厚2.5m，混凝土为C20，采用60d后期强度配合比，用32.5矿渣水泥，水泥用量m

=280kg/m3

,混凝土浇筑入模温度

T

=28℃，施工时平均气温cj为25℃，结构物周围用钢模板，在模板和混凝土上表面外包两层草袋保温，混凝土比热

C=1.0kJ/kg·K混凝土密度ρ=2400kg/m3试计算总降温产生的最大温度拉应力及安全系数。大体积混凝土计算案例=ρ

−

−mt解

(1)计算绝热温升值，按式T

mQ

/

c

(1

e

)hc为简单计只计算3d、7d、28d的值。T

280

180

/

0.97

2

400(1

e=

×

−

−0.397×3)=15.1o

C,×h

(3)=

×Th(7)

280

256

/

0

97

2

400(1

e.

×−−0.397×7)=28

9

C.o=

××−−0.397×28)=40.2o

CTh

(28)

280

334

/

0.97

2

400(1

eT

=

T

+

T

ξ(2)混凝土中心温度计算，按式计算如下h

(t)1(t)jT1(

3

)=

+28

15.1

0.65

37.8

C×=o=

+

×

=T

28

28.9

0.6

45.4

Co1(7)28

40.2

0.157

34.3

C=

+

×=oT1(

28)大体积混凝土计算案例(3)混凝土表层温度。两层草袋保温按60mm计，则保温层传热系数∑β

=1/

[

δ

/

λ

+1/

β

]

=1/

[0.06

/

0.14

+1/

23]

=

2.12iiq混凝土虚厚度2

2.33=

×h′

=

k

⋅λ

/β=0.734m3

2.12混凝土计算厚度=

+

′

=

+

×H

h

2h

2.5

2

0.734

4.0m=混凝土表层温度=

+

′

−

′T2(3)

T

4h(H

h)[T

T

]

/

H−2q1(3)q25

4

0.734

(4.0

0.734)

(37.8

25)

/

4.0

32.7

C=

+

××

−×−2=o大体积混凝土计算案例=o=o=oT

35.2

C

T

41.3

C

T

32.5

Cm(3)m(7)m(

28)(5)混凝土干缩率和当量温差，按式ε

=

ε0Y−−0.01t⋅

⋅⋅⋅(1

e

)M

M

MY

(t)1210εY

(3)

=

0.1×10−4

T

1

C=o则Y

(3)ε

=0.22

10×−4T=2.2

CoY

(7)Y

(7)εY

(28)

=

.

×

−40

79

10

T=7.9oCY

(28)(6)结构计算温差，按式ΔT

=

T

−T+

T−Tim(i)m(i+3)Y

(i+3)Y

(i)ΔT1

=

28

−

35.2

+1

=

−6.2大体积混凝土计算案例T

35.2

41.3

2.2

1

4.9

CΔ

=−+

−

=

−o2T

41.3

32.5

7.9

2.2

14.5

CΔ

=−

+

−

=o3E

E

(1

e

)=

−

−0.09t(7)计算各龄期的混凝土弹性模量，按式(t)0=

×E

2.55

10

(1

e

)

0.603

10

N

/

mm4×

−

−0.09×3=×42(3)=

×E

1.19

10

N

/

mm42=×42E(28)

2.34

10

N

/

mm(7)(Cx1

=

0.02)(8)地基约束系数，按式

β

=

(C

+

C

)

/

h⋅

E(t)(t)x1x2β

=0.02

/

2

500

0.603

10

3.65

10

/

mm××4=

×

−5(3)大体积混凝土计算案例β

=

×

−51.85

10

/

mmβ

=

×

−52.59

10

/

mm(

28)(7)σ

=

E

⋅α

⋅

ΔT

⋅

S

{1−1/

ch(β

⋅

L

/

2)}(9)各区段拉应力，按式iiiii各区段平均弹性模量+×40

0.603

10==0.302

10

N

/

mm×422E12+×4(1.19

0.603)

1042E2==0.897

10

N

/

mm×2+×4(1.19

2.34)

104E3=1.77

10

N

/

mm=

×2大体积混凝土计算案例各区段平均应力松弛系数0.51+

0.57S2

=S3

==

0.541+

0.572S1

==

0.78520.335

+

0.51=

0.4232各区段平均地基约束系数β1

=3.65

10

/

mm×−53.65

+

2.59β2

=β3

=×10

3.12

10

/

mm−5=×−521.85

+

2.59×10

2.22

10

/

mm−5=×−52大体积混凝土计算案例只计算拉应力1.77

10

10

14.5

0.423

{1

1/

ch

(90

800

2.22

10

/

2)}σ

=

×4×−5

×

××

−×

×

−53=0.39N

/

mm2n∑σ

=

[1/

(1−ν

)]

σ(10)混凝土内最大应力，按式maxii=1σ

=−×

=[1/

(1

0.15)]

0.39

0.46N

/

mm2max混凝土抗拉强度设计值取

1.1N/mm2，则安全系数K

=

f

/

σ

=1.1

/

0.46

=

2.4

>1.15tmax满足抗裂条件，故知不会出现裂缝。