大体积混凝土

第五章大体积混凝土一、教学基本要求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。

二、课程内容导学1.1 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。

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。

1.限制条件的影响（1）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（2）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。

（3）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2.混凝土的湿度变形（干缩及湿胀）（1）干缩机理T.C.Powers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。

（2）影响干缩率的因素骨料：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。

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著影响。

水灰比与加水量：水灰比及加水量大时干缩率大。

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。

（3）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3.24×10-4。

3.混凝土的温度变形（1）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。

（2）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。

F.C.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13.1×10-6，10.1×10-6，7.4×10-6。

龄期及水泥品种对膨胀系数的影响很小。

（3）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。

1.2 混凝土的温度应力1.2.1 混凝土的徐变及应力松弛1、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。

（1）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；（2）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=2.3。

（3）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。

2、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1、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σ(t)超过混凝土的极限抗拉强度R f(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。

2、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R f (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σ(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σ(t)大于混凝土此龄期的抗拉强度R f (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1、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。

2、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。

3、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。

一、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0.02~0.05mm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0.1mm1.3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1.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。