第3章大体积混凝土施工.docx
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第3章大体积混凝土施工
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第3章大体积混凝土结构施工
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3.1 大体积混凝土裂缝成因
3.1.1大体积混凝土定义
大体积混凝土含义一般是指其体积大到必须采取措施处理水化热产生的温差，合理解决温差变形引起的应力，并控制裂缝的产生或限制裂缝开展的现浇混凝土。
我国建设部在行业标准《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）中给予大体积混凝土定义：
混凝土结构物实体最小尺寸等于或大于1m，或预计会因水泥水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝土。
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●日本建筑学会标准（JASS）定义：
“结构断面最小尺寸在80cm以上，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℃的混凝土称为大体积混凝土。
”
●美国（ACI）规定：
“任何就地建筑的大体积混凝土，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，以最大限度减少开裂。
”
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混凝土在形成过程中，水泥水化要产生一定的热量，一般混凝土构件因其水泥用量小，构件表面积与体积比值较大，其热量容易传递给周围介质，其内外温差也不会很大，而大体积混凝土因其体积很大，内部聚集的大量水化热无法在短时间内散失，从而使其内部温升幅度极大，体积膨胀，一般水化开始后3-5天左右，混凝土内部温度达到最高值。
随后，由于热量的散失，混凝土内外温度开始缓慢下降，伴随着体积收缩。
由于导热性差，体积大，大体积混凝土内外降温速度明显不一，内部降温很慢，外部降温很快。
内外收缩程度也随之不同，外部收缩大于内部收缩值。
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大体积混凝土内外温差产生的内外收缩不同，使得混凝土内部给外部提供了约束，从而产生了外表的约束拉应力，当内外温差太大时，拉应力超过混凝土抗拉强度，混凝土产生表面裂缝，这种表面裂缝给贯穿裂缝的形成提供了有利条件。
根据大量的测温记录显示，大体积混凝土的水化热温升一般发生在浇筑后的3-5天之内，即浇筑后3-5天左右内部达到最高温度。
此时混凝土的弹性模量很低，基本上处于塑性或弹塑性状态，受到边界约束时产生的压应力很小。
而降温过程缓慢而较长，一般需
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要30天或更长，此时弹性模量迅速增高，约束产生的拉应力也随之增大，且抵消前期压应力后还存在很大的剩余拉应力。
当剩余拉应力大过混凝土此时的抗拉强度时，结构便出现内部收缩裂缝，若与外表裂缝连接便会形成贯穿裂缝。
通常大体积混凝土裂缝有表面裂缝、收缩裂缝，收缩裂缝按其成因又可分为凝缩、自生收缩、冷缩、干缩等。
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●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。
●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。
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高层建筑基础底板、桩基承台板、深梁多为大体积的钢筋混凝土、加之高层建筑基础底板承受荷载大，结构整体刚度要求高，目前普遍底板不分缝，一次连续整浇混凝土量很大。
如武汉国际贸易中心大厦52层，主楼承台板厚分别为3.1m，3.7m，4.8m，混凝土（C40，S8）总体积达11000m3，一次性浇筑完毕。
上海金茂大厦主楼的基础承台厚4m，一次性浇筑14万立方米混凝土（C50）。
除基础大体积混凝土外，在上部结构中构件体积也越来越大，
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如广州中天大厦底层大空间的边柱跨度45m，转换层采用高7.55m，2.75m的4根钢筋混凝土大梁，L形角柱边长为7.55m，宽2.75m，同样属于大体积混凝土。
大体积钢筋混凝土温度场的变化和裂缝的产生和防止自有其内在的不同于一般体积混凝土的规律，在工程施工中应予以高度重视。
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3.1.2表面裂缝
大体积混凝土、浇筑后水泥的水化热很大，由于体积大，聚积在内部的水泥水化热不易散发，内部温升很高，这样形成较大的内外温差，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力。
温差越大，表面拉应力越大，此时混凝土的龄期尚很短，抗拉强度很低，若温差产生的拉应力超出此时的的混凝土抗拉强度，就会在混凝土表面产生表面裂缝，这种裂缝多发生在混凝土浇筑后的升温阶段。
表面裂缝产生的内在机制，一是内部温度高的部分对温度低的部分相当于约束，使表面不能自由收缩产生裂缝，另一方面是外冷内热，冷的外壳受到内部的胀力，使表层受到拉力，易于开裂。
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3.1.3收缩裂缝
由于混凝土中所含水份的变化，化学反应及温度降低等因素均会引起混凝土体积收缩，当混凝土结构由于地基、钢筋或相邻部分的牵制及混凝土内部温度、湿度不一，引起各质点变形不同而处于不同的约束状态，混凝土因收缩受到约束产生拉力，若超过此时混凝土抗拉强度，则产生裂缝。
混凝土结构若处于无约束的自由状态，则收缩不会引起裂缝产生。
混凝土收缩变形主要有浇筑初期（终凝前）的凝缩变形，硬化混凝土的干燥收缩变形，自生收缩变形，温度下降引起的冷缩变形等。
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1.凝缩（塑性收缩）
混凝土拌制后一段时间内，水化反应较快，分子链逐渐形成，出现泌水和体积缩小，称为凝缩。
凝缩一般发生在拌合后3～12小时，即在终凝前较明显。
因为此时混凝土仍处于塑性状态，故又称为塑性收缩。
凝缩的大小约为水泥绝对体积的1%。
凝缩随混凝土水灰比的降低而减小，混凝土浇筑温度高凝缩大，高频振捣的混凝土凝缩小。
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2.自生收缩
混凝土在恒温绝湿的条件下，由胶凝材料的水化作用造成毛细孔中水分不饱和而产生压力差引起的体积变形称为自生体积变形，当为收缩时称自生收缩，自生收缩是化学收缩之一。
普通硅酸盐水泥、纯大坝水泥混凝土的自生体积变形一般是收缩，而矿渣水泥混凝土自生体积变形早期是膨胀。
混凝土中掺粉煤灰可以减少自生收缩值。
混凝土的自缩值，一般在（40～100）×10-6范围。
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在几种水泥矿物中，理论上C3A水化减缩最大（-24.25%），C3S在水泥中数量较多，它水化后体积减缩5.26%。
水化后生成的凝胶引起的收缩占水泥石收缩的2／3。
C2S水化缓慢，含量又低，收缩影响很小。
石膏、游离CaO，MgO由于能吸受水分，其绝对体积膨胀，并生成稳定的结晶构造，对补偿收缩有良好的作用。
但这些游离氧化物及石膏掺量过高将会导致水泥体积安定性产生问题，因此水泥生产标准中有严格的限量。
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3.温度降低冷缩
混凝土温度下降引起混凝土发生收缩变形简称温度收缩。
对大体积混凝土，裂缝主要是由温度变化引起的。
混凝土冷缩与混凝土配比及性能、环境条件、结构、施工及养护条件等都有关系。
混凝土的线膨胀系数一般为10×10-6／℃，而水泥浆体为13×10-6／℃，石灰岩骨料混凝土为6～7×10-6／℃，砂岩骨料混凝土为11×10-6／℃。
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4.干燥收缩
置于未饱和空气湿度中的混凝土因水分散失而引起体积的缩小变形称为干燥收缩。
混凝土干缩量值较大，其值在（200～1000）
×10-6范围。
干缩扩散速度比温度扩散要慢100倍。
例如对大体积混凝土干缩扩散深度达到6cm需花一个月时间，在这时间温度却可传播6m深。
因此对大体积混凝土内部不存在干缩问题，但其表面干缩是一个不能忽略的问题。
对于薄壁结构，干缩影响相对较大。
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水泥砂浆中含有毛细孔和大孔，大孔中的自由水先蒸发，不产生收缩，毛细管水蒸发，失水很多，但干缩不大，毛细管水完全散失后，凝胶体粒子的吸附水开始散失，则干缩较大。
混凝土收缩及抵抗收缩主要措施见表3-1。
就表面裂缝与收缩裂缝而言，前者主要发生在升温阶段，因此要控制混凝土浇筑过程及浇后1～5天左右的温升与温差，后者则需要综合控制使混凝土中温度收缩应力、干缩应力等不要超出混凝土当时的抗拉强度，控制的过程也要持续很长时间。
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表3-1 混凝土收缩种类表
收缩
种类
发生时间
量值
抵抗收缩主要措施
凝缩
混凝土终凝前
1%
降低水灰比，掺减水剂
自缩
水化过程终生
（40～100）×10-6
选择自缩小的品种水泥，如矿渣水泥，微膨水泥
冷缩
温度降低时
10×10-6／℃
控制温度变化，表面保温养护
干缩
湿度变化时
（200～1000）×10-6
保湿养护、薄膜覆盖、保湿
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3.2 大体积混凝土温升计算与混凝土表面裂缝控制
大体积混凝土温升在四周完全不具备散热的条件下（绝热状态），温升曲线如图3-1中曲线①所示，实际中周边不可能处于绝热状态，但大体积混凝土内部在浇筑初始1～4天右接近绝热状态，此后温度逐渐扩散冷却，最终与环境温度一致，见图中曲线②。
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图3-1 大体积混凝土内部温度变化过程
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3.2.1水泥水化热引起的绝热温升计算
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表3-2 水泥水化热量
水泥品种
水泥标号
每公斤水泥水化热量（KJ／kg）
3d
7d
28d
普通硅酸
盐水泥
52.5
314
354
375
42.5
250
271
334
32.5
208
229
292
矿渣硅酸
盐水泥
42.5
180
256
334
32.5
146
208
271
注：
本表按平均硬化温度15°编制，7～10°时，表中数
值按60%～80%采用。
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表3-3 水泥水化速度系数m
浇筑温度（℃）
5
10
15
20
25
30
m（d-1）
0.295
0.318
0.340
0.362
0.384
0.406
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3.2.2大体积混凝土实际温升参考值
表4-4 不同浇筑厚度与混凝土绝热温升的关系系数
浇筑厚度（m）
1.0
1.5
2.0
3.0
5.0
6.0
ξ
0.36
0.49
0.57
0.68
0.79
0.82
注：
此表为水利水电科学研究院结构所研究资料。
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3.2.3混凝土浇筑温度Tj的估算
大体积混凝土内部温升的控制，首先要控制混凝土浇筑入模的温度。
混凝土的浇筑温度Tj与混凝土的拌和物出机温度都必须经过的运输、平仓、振捣过程温度上升（或降低）量值有关。
1.混凝土拌合物的温度公式
混凝土拌合物的温度根据拌合物前后总热量相等的原则有：
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式中：
T0——拌合物温度（℃）；
mi——各种用料的重量（kg）；
Ti——各种用料的初始温度（℃）；
Ci——各种用料的比热（kJ／kg·℃）。
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3.2.4大体积混凝土表面裂缝控制原则
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3.3 基础底板大体积混凝土结构温度应力计算
在高层建筑中，基础混凝土底板大都属于大体积混凝土范畴，并且通常底板的长边一般都长达数十米，整体一次性浇注。
混凝土内部绝热温升很高，在随后的降温过程中，底板将收缩，由于基土对底板的约束，底板中将产生较大的结构温缩拉应力，此温缩拉应力若超过此时混凝土的抗拉强度，则底板内将产生裂缝。
因此大体积混凝土底板施工应核算温度应力是否会导致底板出现裂缝。
若结构温度应力过大，则应调整大体积混凝土施工方案，降低内部最大温升值。
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图3-2 温度应力计算简图
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任意点底板的水平位移，由约束位移和自由位移组成：
U=Uσ+αTx（3-13）
式中 U——底板任意点的水平位移；
Uσ——底板约束位移；
α——混凝土的线膨胀系数；
T——结构计算温差（℃）；
x——计算处距离变形不动点的距离。
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α——混凝土的线膨胀系数（一般取1.0×10-5）；
v——泊桑比，取0.15（单向受力时不考虑）；
ch——双曲余弦函数。
温度应力和剪应力的分布如图3-3所示。
图3-3 均匀温差作用下，结构内温度应力（拉应力）和剪应力的分布
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如温度应力σxmax（t）的数值超过当时的混凝土极限抗拉强度，就会在混凝土结构中部（由于中间应力最大）出现第一条裂缝，将结构一分为二（图3-4）。
由于裂缝的出现，产生应力重分布，每块结构又产生自己的应力分布，图形与上述完全相同，只是最大值由于长度的缩短而减少，如果此时的温度应力σ′xmax（t）的数值仍然超过当时的混凝土极限抗拉强度，则又会形成第二批裂缝，将各块结构再一分为二。
裂缝如此继续开展下去，直至各块结构中间的最大温度应力小于或等于当时的混凝土极限抗拉强度为止。
在理论上此类裂缝先在结构的中间出现，这是一个规律。
但由于混凝土是非匀质材料，其抗拉强度不均匀，因而有时不象理论上分布的那样，裂缝皆是首先出现在中间。
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图3-4 在温度应力作用下结构裂缝开展过程
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为了便于将混凝土降温产生的温度应力与水泥水化过程中因为拌合水蒸发等原因引起混凝土收缩而产生的温度应力用同一计算公式进行计算，必须将混凝土各龄期的收缩量转换为收缩当量温差。
准确的计算混凝土的水泥水化热降温温差有一定的困难。
而混凝土的水泥水化热降温温差相似于混凝土的水泥水化热升温温差，因此，可以计算混凝土浇筑后因水泥水化热的升温值来确定水泥水化热降温温差Tm。
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图3-5 水泥水化热引起的温升分布
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表3-6各种保温材料的导热系数（W／m·K）
材料名称
λ
材料名称
λ
木模
钢模
草袋
木屑
炉渣
干砂
湿砂
粘土
红粘土土砖
灰砂砖
0.23
58
0.14
0.17
0.47
0.33
1.31
1.38~1.47
0.43
0.69~0.79
甘蔗板
沥青玻璃棉毡
沥青矿棉
油毡纸
泡沫塑料制品
普通混凝土
加气混凝土
泡末混凝土
水
空气
0.05
0.05
0.09~0.12
0.05
0.03~0.05
1.51~2.33
0.16
0.10
0.58
0.03
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表3-8比表面积系数β2
表3-7温度系数β1表
V/S
β2
2.0
2.5
3.75
5.0
10.0
15.0
＞15.0（大体积混凝土）
1.2
1.0
0.95
0.90
0.80
0.65
0.40
相对湿度（%）
β1
≤40（干燥）
60（正常）
≥80（潮湿）
1.30
1.00
0.75
表3-10强度等级系数β5表
强度等级
β5
普通混凝土
40
30
20
1.15
1.00
1.00
轻骨料混凝土
20~30
1.00
表3-9养护方法系数β3表
养护方法
β3
标准养护
蒸气养护
1.00
0.80
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3.4基础底板最大整浇长度计算
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上述（3-25）、（3-26）、（3-40）等计算公式，只适用于H／L≤0.2条件下混凝土结构的温度应力和整浇长度的计算。
因为在这种情况下我们采用了均匀温差和均匀收缩的假定。
这样，在工程计算中的误差是可以忽略不计的。
但对于一些厚板、墙体等，其高长比（H／L）远大于0.2，这时其内部的应力很不均匀，不再符合均匀受力的假定。
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图3-6墙体的温度应力分布曲线
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表3-11m值
墙高（H）
m值
墙高（H）
m值
H≤0.2L
H=0.25L
H=0.30L
0.00
1.10
1.35
H=0.35LH≥0.40L
1.70
2.50
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图3-7“计算墙体”的计算高度
（a）实际墙体；（b）“计算墙体”
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3.2.3计算实例
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解：
①由题意知H=2.5m，L=90.8m
H／L=2.5／90.8=0.028＜2.0，可选用式（3-26）计算
②各龄期的混凝土弹性模量
由式（3-27）：
E（t）=E0（1-e-0.09t）
由于3d后开始降温，所以从第3d开始计算：
∴E（3）=0.26×10.5（1-e-0.09×3）=0.0616×10.5Mpa
同样方法求得：
E（6）=0.108×105（MPa）
E（9）=0.1443×105（MPa）
E（12）=0.1716×105（MPa）
E（15）=0.1924×105（MPa）
E（18）=0.2080×10.5（MPa）
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同样方法求得
Ty（6-9）=1.45℃;Ty（9-12）=1.3℃;
Ty（12-15）=1.17℃;Ty（15-18）=1.06℃;
Ty（18-21）=0.92℃;Ty（21-24）=0.92℃;
Ty（24-27）=0.82℃;Ty（27-30）=0.76℃
⑥结构计算温差
T（3-6）=T3-6+Ty（3-6）=1.16+1.61=2.77℃
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C20混凝土抗拉设计强度ft=1.1Mpa∵σmax＜ft
所以该混凝土基础底板不会由于降温温差产生的收缩应力而形成裂缝。
⑨该基础底板浇筑三天后，内部混凝土的实际最高温升按浇筑混凝土厚度2.5m，取ξ=0.625,则T=Th·ξ=24.1，混凝土浇筑温度为28℃，因此，基础底板内部混凝土的最高温度为24.1+28=52.1℃。
根据气候预报三天后的自然平均温度约25℃，而混凝土表面的温度可在30℃以上。
因此，混凝土内外最大温差为52.1-30=22.1℃以下，这表明混凝土整体浇筑后不会产生表面裂缝。
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该基础底板在施工时为防止开裂，还采取了一系措施：
如为减少水泥水化热而采用水化热较低的矿渣水泥，并掺加减水剂木质素磺酸钙以减少水泥用量；为提高混凝土的抗拉强度而采用级配良好的骨料，并限制砂、石中的含泥量；为提高混凝土的极限拉伸，在施工时精心施工，保证捣实的质量；为防止表面散热过快，造成过大的内外温差，在基础表面和侧面皆以两层草袋覆盖；为防备气温骤降，造成内外温差过大，在基础上表面准备有碘钨灯，以用来加热；拆模后迅速回填土等。
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3.5大体积混凝土裂缝控制工程措施
为控制裂缝的开展，应该从改善设计构造、约束程度、控制温升，延缓降温速率、减小混凝土收缩，提高混凝土极限拉伸等方面采取措施，综合控制。
3.5.1设计构造措施
1.合理布置分布钢筋，可减轻混凝土收缩程度，限制裂缝开展。
一般认为，φ8～10＠100左右可限制混凝土表面裂缝宽度在0.05mm以下。
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●2.基础底板、地梁、底板变高处等部位设置缓冲层，缓和地基对基础收缩时的侧向压力，缓冲层3～5cm厚泡沫塑料作垂直隔离，见图3-8。
●3.在基础底板断面变化或有孔洞处，易受温度变化收缩产生裂缝，可增配抗裂钢筋或做成加腋方式，见图3-9。
●4.采用混凝土R60或R90替代R28作设计强度，水泥可少40～70kg／m3，相当于降温4～7℃效果。
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●基础底板变高处（b）基础地梁两侧隔离
●图3-8
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图4-9增加抗裂钢筋示意图
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3.5.2原材料措施
1.为控制大体积混凝土早期温升和后期降温过大，宜选用低热水泥品种，如矿碴硅酸盐水泥或粉煤灰水泥，其水化热低一些，干缩性也小一些。
2.尽量选用一些粗骨料，如选用5～40mm骨料比选用5～25mm骨料，每立方米可减少用水量15kg左右，在相同水灰比情况下，水泥可减少20kg左右。
用水量减少，收缩和泌水也随之减小。
3.砂子宜采用中粗砂为宜，试验表明，当细度模数为2.79的中粗砂，比采用细度模数2.12的细砂每立方米混凝土用水量减少20～25kg，水泥用量减少28～35kg，可减少混凝土收缩温升。
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3.5.3掺加剂措施
1.减水剂。
为减少泌水，一般都掺减水剂，或早强减水剂，如普通减水剂木质素磺酸钙（木钙粉），是亚硫酸低浆废液经发酵提取酒精后的酒糟废液，经分离，干燥而成咖啡色粉末，极易溶于水，属阴离子表面活性剂，对水泥颗粒具有明显的分散效应，并能使水的表面张力降低而起加气作用。
在泵送混凝土中掺水泥重量0.2～0.3%，可使混凝土和易性明显降低，同时可减少10%拌合水。
10%左右的水泥，28d强度提高约30%。
一般掺外加剂会增加混凝土收缩量，掺木钙粉变化不大，基本相同。
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早强减水剂很多，JM8减水剂，主要成份是β—萘磺酸钠甲醛缩合物，一般掺量为：
0.3%～0.75%（水泥重量），减水率达15%～25%，3天混凝土强度提高50%左右，28d提高15～30%，节约水泥10～20%。
此外常用的还有FDN减水剂等。
2.粉煤灰外掺料
粉煤灰掺入可降低水化热，但早期强度低泌水性大，还应适当掺塑化剂。
如42.5#矿渣水泥、掺15%粉煤灰，3天水化热约降15%左右。
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3.微膨胀剂。
为补偿混凝土收缩，可掺膨胀剂，如建材总局研究院的CSA膨胀剂、长科院的大坝水泥膨胀剂。
膨胀剂产生自膨胀应力，可抵消一定收缩，如UEA高效能膨胀剂，掺8～12%（水泥重）能产生0.2～0.7MPa预压应力，大致抵消干缩产生的应力。
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3.5.4控制混凝土入模温度
常用低温水搅拌（冰屑水、夏季地下井水）以降低混凝土的入模温度，并对石子遮阳，避免直晒温升，同时浇筑过程中对混凝土泵水平输送管用草袋覆盖、洒水降温。
日本有用液态氮（沸点-196℃）冷却，1kg液氮气化达到20℃，要吸收222KJ热量。
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3.5.5改善混凝土施工工艺
1.可分层浇灌，分层厚度一般为80～100cm，便于散热，分层间隔一般为5～7天，要做好分层施工缝处理。
2.合理养护，混凝土大部分干缩发生在早龄期，应加强早期湿养护，为表面保温可用温水养护，以提高混凝土表面温度，缩小与中心混凝土的温差。
3.采用塑料薄膜覆盖保温、保湿、养护，必要敷加盖草袋等。
如混凝土初凝后加盖薄膜，草袋（二膜二袋，三膜三袋，视需要定）。
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3.5.6混凝土内部降温措施
在混凝土内部预埋水管，通入冷却循环水，以降低混凝土内部的温度。
冷却水管大多采用直径25mm或50mm的钢管，按照中心距1.5～3.0m上下层交错排列，上、下层水管的间距一般1.5～3m，并通过立管相连接。
通水流速不宜太快、流量控制在20L／min左右，参照实际测温结果实时调整流量，以控制内部降温。
幻灯片97
3.5.7后浇带的设计与施工
当结构长度超过允许的最大整浇长度或平面形状差异较大时，可考虑设置“后浇缝”，它是只在施工期间保留的临时性混凝土收缩变形缝（也可与施工结构沉降缝结合在一起），保留一定时间后，再进行填充封闭，后浇成连续整体的无伸缩缝结构。
其目的是取消结构中的永久性伸缩缝，因此在设计时
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