整理混凝土温度控制及防裂.docx
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整理混凝土温度控制及防裂
混凝土温度控制及防裂
摘自《水利水电工程施工手册·混凝土工程·第八章》
大体积混凝土由于水泥水化过程中产牛的大量水化热不易散发,浇筑后初期,混凝土内部温度急剧上升引起混凝土膨胀变形,此时混凝土弹性模量很小,在升温过程中由于基岩约束混凝土膨胀变形而产生的压而力很小。
随着温度逐渐降低,同时混凝土弹性模量逐渐增大,混凝土发生收缩变形时又受到基岩的约束,收缩变形就会产生相当大的拉应力。
当拉应力超过混凝土抗拉强度时就会产生基础约束区深层裂缝或贯穿裂缝,破坏混凝土的整体性,对混凝土结构产生不同程度的危害,故必须采取措施控制混凝土温度。
此外当混凝土内部温度较高时,如果外部环境温度较低或外在气温骤降期间,因内外温差过大或温度梯度较大,则在混凝土表面也会产生较大拉应力,引起表面裂缝甚至发展成深层裂缝。
国内外水利水电工程大体积混凝土裂缝的统计分析表明,混凝土施工中出现的裂缝大多属于温度裂缝,其中表面裂缝又占绝大多数。
由于贯穿裂缝将危及大坝安全运行,同时少数表面裂缝在一定条件下可能继续发展成贯穿裂缝。
因此,分析工程特点、坝区气候条件和混凝土材料的特性,合理确定稳定温度场、分缝分块尺寸、混凝土抗裂指标,提出相应的温度控制标准及防裂措施,对防止危害性贯穿裂缝、尽可能减少表面裂缝、确保工程的质量和安全是至关重要的。
第一节混凝土力学与热学性能
1.混凝土力学性能
1.1强度
水利水电工程中的混凝土除要满足设计抗压强度外,还需具有适当的抗拉强度。
混凝土的抗拉强度,根据试验方法的不同,分为轴心抗拉强度、劈裂抗拉强度和弯曲抗拉强度。
轴心抗拉强度与抗压强度的比值一般为1/8～1/14。
表1--1为DL/T5057-1996《水工混凝土结构设计规范》中列出的混凝土强度标准值,在没有试验
表1—1混凝土强度标准值MPa
混凝土
强度种类
符
号
混凝土强度等级
C10
C15
C20
C25
C30
C35
C40
C45
C50
C55
C60
轴心抗压强度
ƒck
6.7
10.0
13.5
17.0
20.0
23.5
27.0
29.5
32.0
34.0
36.0
轴心抗拉强度
ƒtk
0.90
1.20
1.50
1.75
2.00
2.25
2.45
2.60
2.75
2.85
2.95
资料时可以选用,但在大中型工程中一般应经试验确定。
硅酸盐水泥制成的混凝土,其抗压强度与龄期的关系见表1-2。
表1—2不同龄期混凝土抗压强度（硅酸盐水泥）MPa
水泥
品种
混凝土龄期（d）
7
28
60
90
180
普通硅酸盐水泥
0.55～0.65
1.0
1.10
1.15
1.20
矿渣硅酸盐水泥
0.45～0.55
1.0
1.20
1.30
1.40
火山灰质硅酸盐水泥
0.45～0.55
1.0
1.15
1.25
1.30
注：
1.表中数值是在假定龄期28d的强度为1.0时的比值。
2.对于蒸汽养护的构件，不考虑抗压强度随龄期的增长。
3.表中数值未计入掺和料及外加剂影响；
4.表中数值适用于C30及其以下的混凝土。
新旧规范中R（原规范的混凝土标号）与C（现行规范的混凝土强度等级）之间的换算关系为：
由式1—1可得出R与C的换算关系，见表1—3。
表1—3R与C换算关系
原规范混凝土标号（kgf/cm2）
100
150
200
250
300
350
400
砼立方体抗压强度变异系数δfCU
0.23
0.20
0.18
0.16
0.14
0.12
0.10
现行规范砼强度等级C（计算值）
9.24
14.20
19.21
24.33
29.56
34.89
40.28
现行规范砼强度等级C（取用值）
C9
C14
C19
C24
C29.5
C35
C40
注：
表中水平的砼立方体抗压强度变异系数取用全国28个大中型水利水电工程合格的调查统计分析的结果。
1.2弹性模量及泊松比
规范建议混凝土泊松比为1/6，不同标号混凝土的弹性模量见表1—4。
表1—4混凝土弹性模量GPa
强度种类
符号
混凝土强度等级
C10
C15
C20
C25
C30
C35
C40
C45
C50
C55
C60
弹性模量
Ec
17.5
22.0
25.5
28.0
30.0
31.5
32.5
33.5
34.5
35.5
36.0
1.3极限拉伸变形
混凝土极限拉伸值是衡量混凝土抗裂性的指标，重要工程应通过试验求得，一般工程在没有试验资料时可按混凝土的标号或抗拉强度估计，或参考相似工程资料，见表1—5及表1—6。
表1—5混凝土标号与极限拉伸关系
标号
100
150
200
250
300
εp（×10-4）
0.57～0.63
0.65～0.72
0.72～0.81
0.77～0.90
0.82～0.97
注：
1.表中下限值见朱伯芳编写《大体积混凝土温度应力与温度控制》，中国电力出版社，1999年3月版。
2.表中上限值见《中国水利发电工程·施工卷》，中国电力出版社，2000年9月版。
表—6坝体混凝土极限拉伸值
序号
工程名称
骨料
极限拉伸值εp（×10-4）
1
东风双曲拱坝
灰岩人工骨料
0.96
2
岩滩重力坝
灰岩人工骨料
0.75（内部），0.85（外部）
3
五强溪重力坝
砂岩人工骨料
0.85
4
铜街子重力坝
河卵石天然骨料
0.75
5
漫湾重力坝
流纹岩人工骨料
0.89（内部），0.94（外部）
6
紧水滩双曲拱坝
河卵石天然骨料
0.96（28d），1.06（90d）
7
安康重力坝
河卵石天然骨料
0.71（内部），0.83（外部）
8
东江双曲拱坝
河卵石天然骨料
抗拉强度2.59MPa
9
故县重力坝
河卵石天然骨料
90d允许抗拉强度2.10MPa
10
万安重力坝
河卵石天然骨料
28d≮0.75（基础），28d≮0.65（内部）
11
二滩双曲拱坝
正长岩人工骨料
1.04～1.14（R90250～R90350）
12
小湾双曲拱坝
片麻岩人工骨料
R90350，1.329；R90400，1.335
13
小浪底引水塔
河卵石天然骨料
R28250，0.98；R90250，0.85
14
三峡重力坝
花岗岩人工骨料
R90150，0.7～0.75；R90200，0.8～0.85
15
葛洲坝工程
河卵石天然骨料
R28150，0.75；R28200，0.85
1.4徐变
影响混凝土徐变的因素很多，主要有加荷龄期、持荷时间、荷栽性质、湿度、骨料含量及弹性模量、水泥品种、水灰比和胶材用量等。
表1—7为国内外使用的不同龄期混凝土的应力松弛系数K。
表1—7大坝混凝土松弛系数K
资料来源
加荷龄期（d）
备注
3
7
28
90
柘溪
0.30
0.30
0.40
0.52
持荷220d，由徐变曲线推算
刘家峡
0.35
0.35
0.44
0.56
乌江渡
0.50
0.52
0.57
0.61
上椎叶（日本）
0.40
0.40
0.44
0.59
宫川（日本）
0.20
0.20
0.42
0.48
全苏水利科学研究院
0.56
0.60
0.70
持荷30d
水工钢筋混凝土结构设计规范
施工采用0.50
SDJ21--1978
重力坝设计规范
0.5
DL/T5057-1996
水工混凝土结构设计规范
加荷龄期（d）
持荷时间（d）
3
30
100
500
3
0.623
0.444
0.326
0.262
7
0.681
0.521
0.602
0.644
28
0.742
0.602
0.498
0.443
90
0.772
0.644
0.547
0.495
2.混凝土热学性能
混凝土热学性能一般包括导热系数λ、导温系数a、比热容c和热膨胀系数α。
大中型工程混凝土热学性能由试验确定,一般工程可参考类似工程资料确定。
因混凝土的热学性能取决定于水、水泥及粗骨料的热学性能,所以可根据混凝土配合比中各种材料用量及其特性,以加权平均法进行估算。
部分工程混凝土的热学性能及参考值见表1—8。
混凝土各种材料的热学性能见表1—9。
表1—8我国一些大坝混凝土的热学性能
工程名称
混凝土的热学性能
密度
λ［kJ/（m·h·℃）］
a（m2/h）
C［kJ/（kg·K）］
p（kg/m3）
三门峡
10.17
0.00385
1.08
2450
新安江
11.93
0.00460
1.05
2465
刘家峡
8.00
0.00321
1.05
2380
丹江口
10.89
0.00446
1.01
2450
东江
10.05
0.00408
1.01
2450
小浪底
10.57
0.00440
0.99
2450
小湾
7.12
0.00315
0.92
2452
岩滩
7.37
0.00333
0.92
2400
漫湾
7.41
0.00321
0.94
2462
紧水滩
8.42
0.00339
1.02
2443
安康
11.87
0.00510
0.95
2450
五强溪
6.88
0.00329
0.87
2400
二滩
9.92
0.00432
0.93
2460
葛洲坝
11.34
0.00473
0.98
2450
隔河岩
9.96
0.00380
0.96
2500
三峡
9.00
0.00347
0.96
2440
参考值
9.60
0.00400
1.00
2450
表1—9混凝土各种材料的热学性能
材料
λ［kJ/（m·h·℃）］
C［kJ/（kg·K）］
21℃
32℃
43℃
54℃
21℃
32℃
43℃
54℃
水
2.160
2.160
2.160
2.160
4.187
4.187
4.187
4.187
普通水泥
4.446
4.593
4.735
4.865
0.456
0.536
0.662
0.825
石英砂
11.129
11.099
11.053
11.036
0.699
0.745
0.795
0.867
玄武岩
6.891
6.871
6.858
6.837
0.766
0.758
0.783
0.837
白云岩
15.533
15.261
10.442
14.336
0.804
0.821
0.854
0.888
花岗岩
10.505
10.467
10.442
10.379
0.716
0.700
0.733
0.775
石灰岩
14.528
14.193
13.917
13.657
0.749
0.758
0.783
0.821
石英岩
16.910
10.777
16.638
16.475
0.691
0.724
0.758
0.791
流纹岩
6.770
6.812
6.862
6.887
0.766
0.750
0.800
0.808
混凝土热膨胀系数一般可取α=l.0×10-5/℃,骨料的岩石品种对混凝土热膨胀系数影响很大,石灰岩骨料混凝土的热膨胀系数一般较小。
部分工程混凝土热膨胀系数见表1--10,不同岩石骨料的热膨胀系数见表1—11。
表1—10我国一些大坝混凝土的热膨胀系数
工程名称
骨料
α（×10-5/℃）
工程名称
骨料
α（×10-5/℃）
岩滩重力坝
人工灰岩
0.80
三峡重力坝
小浪底进水塔
天然河卵石
人工花岗岩
0.94
漫湾重力坝
人工流纹岩
0.95
0.85
龙羊峡重力拱坝
天然河卵石
0.95
小浪底进水塔
天然河卵石
0.80
五强溪重力坝
人工石英砂岩
1.00
小湾双曲拱坝
人工片麻岩
0.901（C35）/0.921（C40）
二滩双曲拱坝
人工正长岩
0.80
东风双曲拱坝
人工灰岩
0.55～0.60
东江双曲拱坝
天然河卵石
1.00
葛洲坝
天然河卵石
1.00
安康重力坝
天然河卵石
1.00
隔河岩重力拱坝
人工灰岩
0.67
紧水滩双曲拱坝
天然河卵石
1.00
三门峡重力坝
天然河卵石
1.00
表1—1不同岩石品种骨料混凝土的热膨胀系数
岩石品种
石英岩
砂岩
花岗岩
白云岩
玄武岩
石灰岩
α（×10-5/℃）
1.20
1.17
0.80～0.95
0.95
0.85
0.5～0.7
第二节坝体稳定温度
1.稳定温度
坝体稳定温度是确定坝体接缝灌浆温度,以及基础约束区混凝土允许最高温度的重要依据。
1.1边界条件
稳定温度场的边界温度包括坝体边界的气温、水温、地温。
下游面气温可根据气象资料取当地多年年平均气温,并根据日照方向考虑坝面太阳辐射升温的影响;上游面水库水温按不同深度取多年年平均水温,根据工程所在地区气候特点、天然水温、水库运行条件等,选取条件相近的水库资料,确定各高程多年年平均水温和变幅;下游水位以下水温可取河水多年年平均温度或稍低于河水多年年平均温度。
1.2稳定温度计算
稳定温度场计算，可用平面有限元或双向差分法计算，必要时可用三维有限元计算。
2.准稳定温度
2.1两面暴露的平板为无限平板，无限平板最低温度计算式：
式中Tm----混凝土平板温度最低值，℃；
TA----介质（空气或水等）年平板温度，℃；
TB----介质温度年变幅，℃；
ω----介质温度年变化周期，ω=2π/365；
α----混凝土导温系数，m2/d；
l----平板厚度,m。
2.2半无限平板准稳定温度
一面暴露的平板为半无限平板，半无限平板准稳定温度计算，先按式（2--2）求出点温度，再计算各点温度平均值，全年各点平均值最小者即为所求准稳定温度场的最低温度值。
式中Tm----混凝土平板温度最低值，℃；
TA----介质（空气或水等）年平板温度，℃；
TB----介质温度年变幅，℃；
λ----混凝土导热系数，kJ/（m·h·℃）；
α----混凝土导温系数，m2/d；
β----混凝土表面放热系数，kJ/（m2·h·℃）；
ω----介质温度年变化周期，ω=2π/365；
X----计算点深度,m；
τ----计算时间，d。
2.3墩、墙、薄拱坝等薄壁结构准稳定温度
墩、墙、薄拱坝等薄壁结构，受年变化气温及年变化水温影响将不存在稳定温度场，而存在施工期或运行期的准稳定温度场（与混凝土温度控制相关相关联的是年变化气温或水温条件下出现的最低温度）。
准稳定温度场的计算方法与稳定温度场基本相同，仅边界温度按年变化取值。
第三节混凝土温度控制标准
1.基础温差
基础温差是指混凝土浇筑块在其基础约束反范围内混凝土最高温度与稳定温度或准稳定温度之差。
混凝土最高温度一般取28d龄期内浇筑块混凝土的最高温度。
基础容许温差一般结合建筑物尺寸、混凝土力学性能、基岩弹性模量与混凝土弹性模量的比值、混凝土浇筑上升情况等,并参照规范及已建或在建工程施工经验确定。
对于基岩面上薄层混凝土块及基岩弹性模量比混凝土弹性模量高出较多者,以及基础约束区内混凝土不能连续浇筑上升者,应核算基础约束区内混凝土温度应力,不能满足防裂要求时,应考虑减小分缝分块尺寸。
DL5108-1999《混凝土重力坝设计规范》对28d龄期极限拉伸值不低于0.85×10-4、基岩变形模最与混凝土弹性模量相近、短间歇均匀上升的常态混凝土浇筑块的基础容许温差的规定值见表3-1。
陡坡和填塘部位混凝土基础允许温差,应视所在部位结构要求和其特征尺寸,参照平整基础温差标准适当提高填塘、陡坡混凝土浇平至相邻基岩面后,应停歇冷却至与周围基岩温度相近时,再继续上升。
表3--2为三峡工程大坝混凝土基础允许温差。
表3—1混凝土基础允许温差
离基岩面
高度H
浇筑块长边尺寸L
17m以下
17～21m
21～30m
30～40m
40m至通仓
0～0.2L
26～24
24～22
22～19
19～16
16～14
0.2～0.4L
28～26
26～25
25～22
22～19
19～17
表3—2三峡工程大坝混凝土基础允许温差
部位
浇筑块长边尺寸L（m）
≤20
21～30m
31～40m
41～50
通仓
基础强约束区
22
（三）规划环境影响评价的公众参与20～21
（一）环境影响评价的概念17～19
『正确答案』B16
14
基础弱约束区
目前，获得人们的偏好、支付意愿或接受赔偿的意愿的途径主要有以下三类：
①从直接受到影响的物品的相关市场信息中获得；②从其他事物中所蕴含的有关信息间接获得；③通过直接调查个人的支付意愿或接受赔偿的意愿获得。
25
三、环境影响的经济损益分析23～24
3.划分评价单元20～22
2.环境影响报告表的内容19
5.定性、定量评价17
注：
1.高度0～0.2L为基础强约束区，0.2～0.4L为基础弱约束区。
『正确答案』B2.基岩与混凝土的弹性模量比为1.5。
（1）结合评价对象的特点，阐述编制安全预评价报告的目的。
2.上、下层温差
上、下层温差指在老混凝土面（龄期超过28d）上、下各L/4范围内上层混凝土最高平均温度与新混凝土开始浇筑时下层实际平均温度之差,当上层混凝土短间歇连续浇筑上升,且浇筑高度大于0.5L时,其允许值一般为15～20℃。
浇筑块侧面长期暴露,或上层混凝土高度＜0.5L,或非连续浇筑上升时应适当加严上、下层温差标准。
3.内外温差及表面保护标准
3.1内外温差或坝体最高温度控制标准
坝体或浇筑块的平均温度与其表面温度之差称为混凝土内外温差。
为防止坝体内外温差过大引起混凝土表面产生裂缝,施工中必须控制坝体内外温差,一般为20～25℃。
在设计及施工中为了便于掌握,一般将内外温差转化为控制坝体最高温度。
任何部位,包括基础约束区及基础非约束区,其最高温度均不得超过坝体最高温度控制标准。
坝体最高温度控制标准一般参照已建工程经验,兼顾内外温差要求和实际施工条件确定。
三峡工程对均匀上升浇筑块,坝体常态混凝土最高温度按表3--3控制。
表3—3三峡工程混凝土最高温度控制标准℃
月份
12～2
3、ll
4、10
5、9
6～8
≤R90200#
23～24
26～27
3l
33～34
35～38
≥R90250#
24～26
28～29
31～33
34～36
37～39
注：
重要部位取下限值。
3.2表面保护标准
3.2.1初期气温骤降
气温骤降期间对混凝土表面进行保护是防止混凝土表面裂缝的有效措施。
新浇混凝土遇日平均气温在2～3d内连续下降≥6～8℃时,且基础强约束区和重要部位混凝土龄期3～4d以上,一般部位混凝土龄期4～5d以上必须进行表面保护。
保温层等效放热系数β值可根据坝址气温骤降情况及风速等通过计算确定。
3.2.2中、后期气温年变化及气温骤降的综合影响
在气温年变化和气温骤降的同时作用下,混凝土内部温度较高且无保护时极可能使混凝土表面产生裂缝。
施工期内应视不同浇筑季节和不同部位,对埋有冷却水管部位结合考虑后期通水情况,进行中期通水冷却,并采取必要的表面保护措施。
对未埋冷却水管的部位应加强表面保温保护。
三峡工程挡水大坝保温层混凝土等效放热系数β值要求为:
大体积混凝土β≤2.O～3.OW/（m·℃）；导流底孔、深孔、排漂孔等部位的结构混凝土:
β≤1.5～2.OW/（m·℃）。
4.坝体设计允许最高温度
确定坝体设计允许最高温度原则:
对于基础约束区混凝土,按基础允许温差加上坝体稳定温度或准稳定温度与坝体最高温度控制标准比较后取其低值;对于均匀上升的脱离基础约束区混凝土,仅按坝体最高温度控制标准确定;对于老混凝土约束区可参照上述基础约束区混凝土的原则来确定;填塘、陡坡部位混凝土温控原则上按基础强约束区允许最高温度适当提高执行。
表3--4为三峡工程泄洪坝段坝体设计允许最高温度
表5--4三峡工程泄洪坝段坝体设计允许最高温度℃
部位
区域
月份
12～2
1、ll
4、10
5、9
6~8
第I仓
基础强约束区
23
26
30
33
34
基础弱约束区
23
26
30
33
35～36
脱离基础约束区
23
26
30
33
36～37
第II仓
及1#～7#坝段
第III仓
基础强约束区
24
27
31
33
33
基础弱约束区
24
27
31
34
35～36
脱离基础约束区
24
27
3l
34
36～38
8#～23#坝段
第III仓
基础强约束区
24
27
31
32
12
基础弱约束区
24
27
3l
34
35
脱离基础约束区
24
27
1l
34
36～37
1#～7#坝段
基础强约束区
24
27
31
34
36
基础弱约束区
24
27
31
34
36～37
脱离基础约束区
24
27
3l
34
36～38
第四节混凝土浇筑温度
DL/T5144—2001《水工混凝土施工规范》中已明确规定：
混凝土的浇筑温度系指混凝土经过平仓振捣后，覆盖上层混凝土前，在5～10cm深处的温度。
混凝土浇筑温度由混凝土的出机口温度和混凝土运输、浇筑过程中温度回升两部分组成。
一般要求预冷混凝土运输、浇筑过程中温度回升率不大于0.25。
1.混凝土出机口温度
1.1预冷骨料
混凝土出机口温度主要取决于拌和前各种原材料的温度。
拌和时机械热产生的温度甚微，小型拌和楼可不予考虑。
砂、骨料的温度，若不采取冷却措施（料堆高度小于5m，不预冷），一般要高出平均气温（旬平均或月平均）3～5℃。
水泥的温度都较
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