第七节 高层建筑施工-大体积混凝土施工

本节主要内容1、大体积混凝土的特点3、大体积混凝土温度效应计算4、最大整浇长度计算5、大体积混凝土施工2、大体积混凝土产生裂缝的原因及防治措施1、大体积混凝土的特点1.1、大体积混凝土概念美国混凝土学会：任何就地浇筑的混凝土尺寸之大，必须采取措施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。日本建筑学会：结构断面最小尺寸在800mm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25C的混凝土。我国大体积混凝土施工规范：混凝土结构物实体最小尺寸不小于1.0m的大体积混凝土，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害裂缝产生的混凝土。1、大体积混凝土的特点1.2、大体积混凝土特点块体较厚，体积较大；整体性要求较高，混凝土连续浇筑量大，水化热引起的混凝土内部温度较一般混凝土高很多；为减少水化热对混凝土结构的不利影响，当混凝土厚度超过1.5m时宜考虑设置水平分层施工；高层建筑大体积混凝土主要是基础混凝土结构（或转换层）大多埋置地下，受外界温度变化影响较小，但要求抗渗性能较高，因此，需要考虑水化热的影响，同时要解决好混凝土结构自防水问题；2、大体积混凝土产生裂缝的原因及防治措施2.1、大体积混凝土产生裂缝的原因2.1.1

裂缝分类：2.1.2

普通混凝土裂缝产生原因:结构受到外荷载的直接应力，结构次应力，变形变化产生的应力（温度，收缩，不均匀沉降，膨胀）等引起。按裂缝的表面形式和深度可分为：浇筑初期-表面裂缝(温差)基础约束-深层裂缝(温差)浇筑后期-贯穿裂缝(收缩)2、大体积混凝土产生裂缝的原因及防治措施2.1、大体积混凝土产生裂缝的原因2.1.3

大体积混凝土裂缝产生原因：水泥水化热产生的热量在1-3d内放出总量的一半；水泥水化热的影响3-5d混凝土内部温度达到最高；混凝土放热速度减缓和结构自然散热，6d后混凝土内部温度逐渐下降；混凝土越厚，水泥用量越多，内部温度越高；混凝土结构尺寸越大，温度应力越大，产生裂缝的可能性也越大。2、大体积混凝土产生裂缝的原因及防治措施2.1、大体积混凝土产生裂缝的原因2.1.3

大体积混凝土裂缝产生原因：混凝土内部温度升高，和混凝土表面形成温差，产生温度应力和温度变形，温差越大，温度应力越大，当混凝土面层产生的拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土表面就产生裂缝。水泥水化热的影响2、大体积混凝土产生裂缝的原因及防治措施2.1、大体积混凝土产生裂缝的原因2.1.3

大体积混凝土裂缝产生原因：结构约束会阻碍其自由变形，不同结构间的变形约束称为“外约束”，结构内部的变形约束称为“内约束”。高层建筑大体积混凝土主要是基础底板或转换层的框支梁上，基础底板混凝土与地基浇筑在一起，温度变化时，受下部地基限制产生外部约束力。约束条件的影响混凝土浇筑初期-水化热使混凝土内部温度升高-混凝土体积膨胀-在外约束下产生压应力-混凝土降温收缩-在地基约束下产生拉应力-当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，形成垂直裂缝，严重时产生贯穿裂缝。2、大体积混凝土产生裂缝的原因及防治措施2.1、大体积混凝土产生裂缝的原因2.1.3

大体积混凝土裂缝产生原因：约束条件的影响混凝土内部由于水泥水化热而形成由中心向四周温度由高向低变化的状态，因中心热膨胀胀大而产生压应力，在表面产生拉应力。当拉应力超过混凝土的抗拉强度值和钢筋的约束作用时，产生裂缝。2、大体积混凝土产生裂缝的原因及防治措施2.1、大体积混凝土产生裂缝的原因2.1.3

大体积混凝土裂缝产生原因：外界气温变化的影响混凝土内部温度=水泥水化热的绝热温度+浇筑温度+散热温度外界气温越高，混凝土的浇筑温度越高，当气温下降或骤降时，会增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度，加大温差及温度应力的影响，从而增加了出现温度裂缝的程度。2、大体积混凝土产生裂缝的原因及防治措施2.1、大体积混凝土产生裂缝的原因2.1.3

大体积混凝土裂缝产生原因：混凝土收缩变形的影响混凝土浇筑后从初凝到终凝之间会产生因骨料下沉，水泥浆体积收缩而造成的沉陷裂缝和初期干缩裂缝。混凝土硬化过程中，只有20%左右的水分是水泥硬化所必须的，80%的水分要蒸发，失水后混凝土会出现干燥收缩，表面收缩快，中心收缩慢。由于表面的干缩受到中心部位混凝土的约束，会在表面产生拉应力出现裂缝。混凝土干缩的主要因素：水泥品种和数量，混凝土的配合比，外加剂，施工工艺及养护条件。2、大体积混凝土产生裂缝的原因及防治措施2.1、大体积混凝土产生裂缝的原因2.1.4

防止大体积混凝土裂缝的技术措施选用低水化热的水泥水泥应尽量选用水化热低和安定性好的水泥，如选用矿渣水泥，粉煤灰水泥，火山灰水泥，以降低水泥水化热引起的温升。减少水泥用量利用混凝土的后期强度：如用f45，f60，f90代替f28作为混凝土的设计强度，可减少水泥用量40-70kg/m3，混凝土的水化热温升相应减少4-7C。2、大体积混凝土产生裂缝的原因及防治措施2.1、大体积混凝土产生裂缝的原因2.1.4

防止大体积混凝土裂缝的技术措施减少水泥用量掺入一定数量的减水剂或缓凝剂，可以减少拌合水，改善和易性，减少水泥用量。如加0.25%的木质素磺酸钙，可减水10%，节约水泥10%。掺入少量粉煤灰外掺料，可取代部分水泥，且可改善混凝土的塑性和可泵性，降低混凝土的水化热。2、大体积混凝土产生裂缝的原因及防治措施2.1、大体积混凝土产生裂缝的原因2.1.4

防止大体积混凝土裂缝的技术措施确定恰当的施工方法配合比设计时，应选用良好级配的粗骨料和较优细度模数的中，粗砂，并严格控制石子的含泥量不超过1%，砂子的含泥量不超过2%；控制混凝土的拌制温度和浇筑温度，如用冷水或冰水降低骨料或混凝土搅拌温度，可吸收部分水泥水化热；采用分层分段浇筑混凝土，当混凝土构件厚度较大时可进行水平分层，有利于混凝土的散热，降低混凝土内部的绝热温升；2、大体积混凝土产生裂缝的原因及防治措施2.1、大体积混凝土产生裂缝的原因2.1.4

防止大体积混凝土裂缝的技术措施确定恰当的施工方法改善搅拌工艺，采用二次投料法搅拌混凝土有利于混凝凝土的匀质性。采用二次振捣法可去除混凝土中的水分及空隙，增加混凝土的密实性，提高混凝土与钢筋的握裹力，提高抗裂性；为避免和减少混凝土的早期裂缝，混凝土浇筑后及时分遍多次抹压，休整表面，并立即养护；2、大体积混凝土产生裂缝的原因及防治措施2.1、大体积混凝土产生裂缝的原因2.1.4

防止大体积混凝土裂缝的技术措施确定恰当的施工方法采取保温和保湿措施。如对混凝土浇筑后用塑料薄膜及草袋覆盖，可使混凝土表面封闭，防止混凝土表面脱水产生干缩裂缝；可使混凝土的水化热降温延缓，提高混凝土表面温度，减小混凝土内外计算温差，防止产生过大的温度应力和产生温度裂缝。大体积混凝土表面覆盖保湿保温材料的选择及厚度，通过混凝土温度计算来确定。2、大体积混凝土产生裂缝的原因及防治措施2.1、大体积混凝土产生裂缝的原因2.1.4

防止大体积混凝土裂缝的技术措施改善边界约束和构造设计设置滑动层。外约束应力通常产生于约束强的岩石类地基，较厚的混凝土垫层等。一般在混凝土垫层与厚大底板之间设计有防水层，否则应单独设置滑动层。滑动层作法：铺设一毡二油或一毡一油；10-20mm厚沥青砂或干砂浆；铺设50mm的石屑层。2、大体积混凝土产生裂缝的原因及防治措施2.1、大体积混凝土产生裂缝的原因2.1.4

防止大体积混凝土裂缝的技术措施改善边界约束和构造设计避免集中应力。在容易应力集中的预留洞，槽，转角处，增配斜向钢筋或钢筋网片，提高局部抗裂能力。设置缓冲层。在高低底板交接处，底板地梁处，用30-50mm厚聚苯乙烯泡沫塑料作垂直隔离，以缓冲基础收缩时的侧向压力。2、大体积混凝土产生裂缝的原因及防治措施2.1、大体积混凝土产生裂缝的原因2.1.4

防止大体积混凝土裂缝的技术措施改善边界约束和构造设计改善配筋。为提高面层抗表面降温的影响和干缩，可按构造配筋配置温度筋，温度筋宜分布细密，一般设置为Φ

8钢筋，间距150mm，双向布置。2、大体积混凝土产生裂缝的原因及防治措施2.1、大体积混凝土产生裂缝的原因2.1.4

防止大体积混凝土裂缝的技术措施改善边界约束和构造设计设置后浇带。当大体积混凝土截面尺寸过大，通过计算并证明整体一次浇筑产生的温度应力过大，有可能产生温度裂缝时，可根据计算结果的最大整浇长度，经设计人员同意，设置后浇带，以减少外约束力和温度应力。也有利于散热，降低混凝土内部温度。后浇带保留时间：一般不宜少于28d后浇带混凝土宜采用比原结构强度等级高5-10MPa的微膨胀砼，并不少于14d潮湿养护2、大体积混凝土产生裂缝的原因及防治措施2.1、大体积混凝土产生裂缝的原因2.1.4

防止大体积混凝土裂缝的技术措施改善边界约束和构造设计做好温度测控。控制混凝土内部温度与表面温度之差不超过25C，表面温度与大气温度之差不超过20C。温度测控可采用埋设铜热传感器，温度测定记录仪整理数据或预埋钢管，用温度计测温记录数据方法。3、大体积混凝土温度效应计算3.1、混凝土热工性能计算3.1.1

混凝土导热系数计算混凝土导热系数：单位时间内，热流通过单位面积和单位厚度混凝土介质时混凝土介质两侧为单位温差时热量的传导率。反应混凝土传导热量难易程度的一种系数。式中：λ-混凝土导热系数(W/MK)

T1-T2-温度差(C) Q-通过混凝土厚度为的热量(J)

A-混凝土的面积(m2)

δ-混凝土厚度(m)

t-测试时间(h)3、大体积混凝土温度效应计算3.1、混凝土热工性能计算3.1.1

混凝土导热系数计算混凝土是由水泥，砂，石，水等组成，若已知各材料重量百分比及热工性能，混凝土的导热系数可用下式计算普通混凝土的导热系数λ=1.51-3.49W/mK；轻质混凝土的导热系数λ=0.47-0.70W/mK。式中：λ、λc、λs、λg、λw

-混凝土，水泥，砂，石，水的导热系数(W/mK)

p、pc、ps、pg、pw-混凝土，水泥，砂，石，水的每立方米混凝土中所占的百

分比(%)，由混凝土配合比确定。3、大体积混凝土温度效应计算3.1、混凝土热工性能计算3.1.2

混凝土比热计算单位重量的混凝土，其温度升高1c所需的热量称为混凝土的比热，混凝土的比热可用下式计算混凝土的比热一般在0.84-1.05kJ/kgK；式中：C、

Cc、

Cs、

Cg、

Cw

-混凝土，水泥，砂，石，水的比热(kJ/kgK)

p、pc、ps、pg、pw-混凝土，水泥，砂，石，水的每立方米混凝土中所占的百

分比(%)，由混凝土配合比确定。3、大体积混凝土温度效应计算3.1、混凝土热工性能计算3.1.3

混凝土热扩散系数混凝土的热扩散系数(导温系数)是反映混凝土在单位时间内热量扩散的一项综合指标。热扩散系数越大，越有利于热量扩散。混凝土热扩散系数一般按下式计算式中：α-混凝土的热扩散系数(m2/h)

ρ-混凝土的重度(kg/m3)，普通混凝土重度一般在2300-2450kg/m3之间，钢筋

混凝土在2450-2500kg/m3之间3、大体积混凝土温度效应计算3.2、混凝土拌合温度和浇筑温度计算3.2.1

混凝土拌合温度计算混凝土拌合温度是指组成混凝土的各种材料经搅拌形成均匀的混凝土出料后的温度，又称出机温度，可用下式表示：式中：Tc-混凝土的拌合温度(C)

m-混凝土组成材料的重量(kg)

C-混凝土组成材料的比热(J/kgK)

Ti-混凝土组成材料温度3、大体积混凝土温度效应计算3.2、混凝土拌合温度和浇筑温度计算3.2.1

混凝土拌合温度计算若考虑混凝土搅拌时设置搅拌棚相对混凝土出机温度的影响，则混凝土的出机温度为式中：T1-混凝土出机温度(C)

Td-混凝土搅拌棚温度(C)3、大体积混凝土温度效应计算3.2、混凝土拌合温度和浇筑温度计算3.2.2

混凝土浇筑温度计算混凝土浇筑温度随混凝土运输工具类型，运输时间，运转时间，运转次数及平仓，振捣的时间而不同，一般可按下式计算:式中：Tj-混凝土浇筑温度(C) Tc-混凝土搅拌温度(C) Tq-室外平均温度(C)

A1+A2+A3+…+An-温度损失系数，按以下规定取用3、大体积混凝土温度效应计算3.2、混凝土拌合温度和浇筑温度计算3.2.2

混凝土浇筑温度计算混凝土装卸和运转，每次A=0.032；混凝土运输时，A=θt，t为运输时间，θ值按表1取值；浇筑过程中，A=0.003t，t为浇筑时间(min).运输工具混凝土容积(m3)θ运输工具混凝土容积(m3)θ搅拌运输车6.00.0042保温手推车0.150.007开敞式自卸汽车1.40.0037不保温手推车0.750.01封闭式自卸汽车2.00.0017吊斗1.00.0015表1混凝土运输时热损失值3、大体积混凝土温度效应计算3.3、混凝土水化热温升值计算3.3.1

混凝土水化热绝热温升值计算温升分为绝热温升和非绝热温升。绝热温升是指混凝土四周没有任何散热条件，无任何热损失的情况下，水泥水化热全部转化为使混凝土温度升高的热量。式中：T(t)-龄期为t时，砼的绝热温升(C)

W-每立方米砼的胶凝材料用量(kg/m3)

t-砼的龄期(d)

e-常数，2.718

C-砼的比热容，计算时取(0.92-0.97)kJ/kgC

Q-每kg水泥水化热(kJ/kg)，按表2取值

ρ-砼的质量密度，可取(2400-2500)kg/m3

m-与水泥品种，浇筑温度等有关的系数，按表3取值3、大体积混凝土温度效应计算3.3、混凝土水化热温升值计算3.3.1

混凝土水化热绝热温升值计算水泥品种发热量（kJ/kg）225275325425525普通水泥201243289377461矿渣水泥188205247335表2每千克水泥水化热量表3每千克水泥水化热量浇筑温度(C)51015202530m(1/d)0.2950.3180.3400.3620.3840.4063、大体积混凝土温度效应计算3.3、混凝土水化热温升值计算3.3.2

混凝土内部实际最高温度计算实际工程中混凝土属于非绝热，处于散热条件下温升。混凝土厚度越小，散热越快，水化热值越低；厚度越大，散热越慢，水化热温升值高。当混凝土厚度在5.0m以上时，混凝土实际温升接近绝热温升。混凝土内部中心温度估算：式中：T(t)-龄期为t时，砼的绝热温升(C)

Tmax-砼内部中心最高温度(C)

Tj-砼的浇筑温度(C)

e-不同的浇筑厚度，不同龄期的降温系数，见表4

3、大体积混凝土温度效应计算3.3、混凝土水化热温升值计算表4不同龄期水化热温升与浇筑块厚度的关系3.3.2

混凝土内部实际最高温度计算浇筑层厚度(m)不同龄期(d)的ξ值369121518212427301.000.360.290.170.090.050.030.011.250.420.310.190.110.070.040.031.500.490.460.380.290.210.150.120.080.050.042.500.650.620.590.480.380.90.230.190.160.153.000.680.670.630.570.450.360.300.250.210.194.000.740.730.720.650.550.460.370.300.250.243、大体积混凝土温度效应计算3.4、混凝土表面温度计算混凝土结构表面的水化热与温度场的变化有关，即受外界气温，养护方法，结构厚度等影响。混凝土表面温度可按下式计算：式中：Tb(t)-龄期为t时，砼的表面温度(C)

Tq-龄期t时，大气的平均温度(C)

H-砼的计算厚度(m)，H=h+2h͗

h-砼的实际厚度(m) h͗-砼的虚铺厚度(m)，h͗=Kλ/β

λ-混凝土的导热系数，取2.33(W/mK)

K-计算折减系数，可取0.666

β-模板及保温材料的传热系数2(W/m2K)3、大体积混凝土温度效应计算3.4、混凝土表面温度计算式中：δi-各种保温材料的厚度(m)

λi-各种保温材料的的导热系数(W/mK)，见表5

βq-空气层传热系数，可取23(W/m2K)

ΔT(t)-龄期t时，砼内最高温度与外界气温之差(C)

3、大体积混凝土温度效应计算3.4、混凝土表面温度计算材料名称密度(kg/m3)导热系数λ(W/mK)材料名称密度(kg/m3)导热系数λ(W/mK)木模板500-7000.23水10000.58钢模板58矿棉，岩棉110-2000.031-0.06草袋1500.14沥青矿渣毡100-1600.033-0.052木屑0.17膨胀蛭石80-2000.047-0.07红砖19000.43沥青蛭石板350-4000.081-0.105普通混凝土24001.51-2.33膨胀珍珠岩40-3000.019-0.065空气0.03泡沫塑料25-500.035-0.047表5各种保温材料的导热系数3、大体积混凝土温度效应计算3.5、混凝土所需保温隔热材料厚度计算式中：δi-各种保温材料的厚度(m)；

h-混凝土结构的实际厚度(m)；

λi-第i层保温材料的导热系数(W/mK)，见表5

λ0-混凝土的导热系数，可取2.3(W/m2K)

Tmax-混凝土浇筑体内最高温度(C)；

Tb-混凝土浇筑体表面温度(C)；

Tq-混凝土达到最高温度时的大气平均气(C)；

0.5-中心温度向边缘散热的距离，为结构厚度的一半

Tb-Tq-可取(12-20)C； Tmax-Tb可取(20-25)C；

Kb-传热系数修正值，即透风系数，取1.3-2.3，见表6

在寒冷气温下，防止因气温陡降，混凝土急剧冷却产生裂缝；减少混凝土的内外温差，延缓收缩和散热时间而采取的适当覆盖保温。3、大体积混凝土温度效应计算3.5、混凝土表面温度计算表6各种保温材料的导热系数保温层种类K1K2由易透风材料组成但在混凝土表面层上再铺一层不透风材料2.02.3在易透风保温材料上铺一层不易透风材料1.61.9在易透风保温材料上下各铺一层不易透风材料1.31.5由不易透风的材料组成1.31.5注：K1值为风速不大于4m/s时，K2值为风速大于4m/s时。3、大体积混凝土温度效应计算3.5、混凝土表面温度计算【例1】高层建筑大体积混凝土底板，平面尺寸62.7m◊34.4m，厚2.5m，C30混凝土，混凝土浇筑量为3235m3，施工时平均气温为26°C。所用材料为42.5级普通水泥，每立方米混凝土水泥用量400kg，采用中砂，碎石。混凝土配合比为水泥:砂:石子=1:1.688:3.12，水灰比0.45，另掺1%的JM。经测试水泥、砂、石子的比热Cc=Cs=Cg=0.84kJ/kgK，水的比热Cw=4.2kJ/kgK，各种材料温度为Tc=Tg=25°C，Ts=28°C，Tw=15°C。施工方案确定采用保温法以防止水泥水化热可能引起的温度裂缝。试选择保温材料及所需厚度。3、大体积混凝土温度效应计算3.5、混凝土表面温度计算【解】现场测定砂石的含水率分别为Ws=5%，Wg=1%。混凝土拌合温度材料名称重量m(kg)(1)比热(kJ/kgK)(2)热当量Wc(kJ/°C)(3)=(1)◊(2)材料温度T(°C)(4)热量TwC(kJ)(5)=(3)◊(4)水泥4000.84336258400砂子6750.845672815876石子12480.8410482526200砂中含水量5%344.2142.8152142石子含水量1%124.250.415756拌合水1344.2562.8158442合计25032900668343、大体积混凝土温度效应计算3.5、混凝土表面温度计算混凝土拌合温度混凝土出罐温度混凝土现场采用二阶式搅拌站搅拌，敞开棚式，则：3、大体积混凝土温度效应计算3.5、混凝土表面温度计算混凝土浇筑温度根据施工方案，混凝土浇筑每个循环过程中，装卸转运3次，运输时间3.0min，平仓，振捣至混凝土浇筑完毕共60min，则：用自卸开敞式汽车运输，查表1有θ=0.0037，则：3、大体积混凝土温度效应计算3.5、混凝土表面温度计算混凝土浇筑温度混凝土绝热温升3、大体积混凝土温度效应计算3.5、混凝土表面温度计算混凝土绝热温升查表3得m=0.38，t=3d，查表2得Q=461kJ/kg，则混凝土内部最高温度3、大体积混凝土温度效应计算3.5、混凝土表面温度计算混凝土表面温度施工方案中采用18mm厚多层夹板模板，选用20mm草袋进行保温养护，大气温度26C混凝土虚铺厚度其中λi查表5得0.14，βq为空气热系数取23W/m2K3、大体积混凝土温度效应计算3.5、混凝土表面温度计算混凝土表面温度混凝土计算厚度3、大体积混凝土温度效应计算3.5、混凝土表面温度计算计算表明：混凝土中心最高温度与表面温度差为57.57-36.57=21<25;因此，采取在混凝土表面覆盖20mm厚的草袋作为保温养护措施方案可行。混凝土表面与大气温度36.57-26=10.574、混凝土最大整浇长度计算最大整浇长度-是指混凝土结构在温度应力作用下，不产生裂缝的最大整浇距离。式中：Lmax-混凝