大体积混凝土基础结构施工省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、第四章大致积混凝土基础结构施工第四章大致积混凝土基础结构施工 本章主要讲述:1、混凝土裂缝2、混凝土温度应力3、预防混凝土温度裂缝技术办法4、大致积混凝土基础结构施工第1页4.1 4.1 混凝土裂缝混凝土裂缝 混凝土是各种材料组成非匀质材料,它含有较高抗压强度、良好耐久性及抗拉强度低、抗变形能力差、易开裂等特征。近代混凝土研究证实,在不一样受力状态下,混凝土破裂过程,实际上是和“微观裂缝”发展相关联。第2页一、裂缝种类及产生原因一、裂缝种类及产生原因(一)裂缝种类 按裂缝宽度不一样,混凝土裂缝可分为“微观裂缝”和“宏观裂缝”两种。1微观裂缝 在还未承受荷载混凝土结构中存在着肉眼看不见微观裂缝,
2、其宽度为0.05mm以下。微观裂缝主要有三种,如图3-1所表示。(1)粘着裂缝,即沿着骨料周围出现骨料与水泥石粘面上裂缝。(2)水泥石裂缝,即分布在骨料间水泥浆中裂缝。(3)骨料裂缝,即存在于骨料本身裂缝。第3页 上述三种微观裂缝中,粘着裂缝和水泥石裂缝较多,而骨料裂缝较少。微观裂缝在混凝土结构中分布是不规则,沿截面是不贯通。有微观裂缝混凝土能够承受拉力,但结构物一些受拉较大微弱步骤,微观裂缝在拉力作用下,很容 易串连贯通全截面,最终造成较早断裂。第4页第5页2.宏观裂缝 宽度大于0.05mm裂缝是肉眼可见裂缝,亦称为宏观裂缝,宏观裂缝是微观裂缝扩展结果。在建筑工程中,微观裂缝对防水、防腐、承
3、重等不会引起危害,含有微观裂缝结构则假定为无裂缝结构。设计中所谓不允许出现裂缝,是指宽度无大于0.05mm初始裂缝。有裂缝混凝土是绝正确,无裂缝混凝土是相正确。第6页 产生宏观裂缝普通有外荷载、次应力和变形改变三种起因,前二者引发裂缝可能性较小,后者是造成混凝土产生宏观裂缝主要原因,这种裂缝又可分为表面裂缝、深层裂缝和贯通裂缝,如图3-2所示。第7页(1)表面裂缝 大致积混凝土浇筑早期,水泥水化热大量产生,使混凝土温度快速上升。但因为混凝土表面散热条件很好,热量可向大气中散发,其温度上升较少;而混凝土内部因为散热条件较差,热量不易散发,其温度上升较多。混凝土内部温度高、表面温度低,则形成温度梯
4、度,使混凝土内部产生压应力,表面产生拉应力,当拉应力超出混凝土极限抗拉强度时,混凝土表面就产生裂缝。第8页第9页 表面裂缝虽不属于结构性裂缝,但在混凝土收缩时,因为表面裂缝处断面已减弱,易产生应力集中现象,能促使裂缝深入开展。国内外对裂缝宽度都有对应要求,如我国混凝土结构设计规范(GB50-89),对钢筋混凝土结构最大允许裂缝宽度就有明确要求:室内正常环境下普通构件为0.3mm;露天或室内高湿度环境下为0.2mm。第10页(2)贯通裂缝 大致积混凝土浇筑早期,混凝土处于升温阶段及塑性状态,弹性模量很小,变形改变所引发应力很小,温度应力普通可忽略不计。混凝土浇筑一定时问后,水泥水化热基本已释放,
5、混凝土从最高温逐步降温,降温结果引发混凝土收缩,再加上混凝土多出水分蒸发等引发体积收缩变形,受到地基和结构边界条件约束,不能自由变形,造成产生拉应力,当该拉应力超出混凝土极限抗拉强度时,混凝土整个截面就会产生贯通裂缝。第11页 贯通裂缝切断了结构断面,破坏了结构整体性、稳定性、耐久性、防水性等,影响正常使用。应该采取一切办法控制贯通裂缝开展。(3)深层裂缝 基础约束范围内混凝土,处于大面积拉应力状态,在这种区域若产生了表面裂缝,则极有可能发展为深层裂缝,甚至发展成贯通性裂缝。深层裂缝部分切断了结构断面,含有很大危害性,施工中是不允许出现。假如设法防止基础约束区表面裂缝,且混凝土内外温差控制适当
6、,基本上可防止出现深层裂缝和贯通裂缝。第12页(二)裂缝产生原因 大致积混凝土施工阶段产生温度裂缝,是其内部矛盾发展结果。一方面是混凝土由于内外温差产生应力和应变,其次是结构物外约束和混凝土各质点约束阻止了这种应变,一旦温度应力超过混凝土能承受极限抗拉强度,就会产生不一样程度裂缝。总结大致积混凝土产生裂缝工程实例,产生裂缝主要原因如下:第13页1.水泥水化热影响 水泥在水化过程中产生大量热量,这是大致积混凝土内部温升主要热量起源,试验证实每克普通水泥放出热量可达500J。因为大致积混凝土截面厚度大,水化热聚集在结构内部不易散发,会引发混凝土内部急骤升温。水泥水化热引发绝热温升,与混凝土厚度、单
7、位体积水泥用量和水泥品种相关,混凝土厚度愈大,水泥用量愈多,水泥早期强度愈高,混凝土内部温升愈快。第14页 大致积混凝土测温试验研究表明:水泥水化热在13d放出热量最多,大约占总热量50左右;混凝土浇筑后35d内,混凝土内部温度最高。混凝土导热性能较差,浇筑早期混凝土弹性模量和强度都很低,对水化热急剧温升引发变形约束不大,温度应力自然也比较小。伴随混凝土龄期增加,其弹性模量和强度对应提升,对混凝土降温收缩变形约束愈来愈强,即产生很大温度应力,当混凝土抗拉强度不足以抵抗该温度应力时,便产生温度裂缝。第15页2.内外约束条件影响 各种结构变形改变中,必定受到一定约束妨碍其自由变形,妨碍变形原因称为
8、约束条件,约束又分为内约束与外约束。结构产生变形改变时,不一样结构之间产生约束称为外约束,结构内部各质点之间产生约束称为内约束,外约束分为自由体、全约束和弹性约束三种。建筑工程中大致积混凝土,相对水利工程来说体积并不算很大,它承受温差和收缩主要是均匀温差和均匀收缩,故外约束应力占主要地位。第16页 大致积混凝土与地基浇筑在一起,当温度改变时受到下部地基限制,因而产生外部约束应力。混凝土在早期温度上升时,产生膨胀变形受到约束面约束而产生压应力,此时混凝土弹性模量很小,徐变和应力松弛大,混凝土与基层连接不太牢靠,因而压应力较小。但当温度下降时,则产生较大拉应力,若超出混凝土抗拉强度,混凝土将会出现
9、垂直裂缝。在全约束条件下,混凝土结构变形应是温差和混凝土线膨胀系数乘积,即:T,当超出混凝土极限拉伸值p时,结构便出现裂缝。因为结构不可能受到全约束,况且混凝土还有徐变变形,所以温差在2530情况下也可能不产生。由此可见,降低混凝土内外温差和改进约束条件,是预防大致积混凝土产生裂缝主要办法。第17页3.外界气温改变影响 大致积混凝土结构在施工期间,外界气温改变对预防大致积混凝土开裂有重大影响。混凝土内部温度是由浇筑温度、水泥水化热绝热温升和结构散热温度等各种温度叠加之和。浇筑温度与外界气温有着直接关系,外界气温愈高,混凝土浇筑温度也愈高;如外界温度下降,会增加混凝土温度梯度,尤其是气温骤降,会
10、大大增加外层混凝土与内部混凝土温度梯度,因而会造成过大温差和温度应力,使大致积混凝土出现裂缝。第18页 大致积混凝土不易散热,其内部温度有工程竟高达90以上,而且连续时间较长。温度应力是由温差引发变形所造成,温差愈大,温度应力也愈大。所以,研究合理温度控制办法,控制混凝土表面温度与外界气温温差,是预防裂缝产生主要办法。第19页4.混凝土收缩变形影响(1)混凝土塑性收缩变形 在混凝土硬化之前,混凝土处于塑性状态,假如上部混凝土均匀沉降受到限制,如碰到钢筋或大混凝土上骨料,或者平面面积较大混凝土、其水平方向减缩比垂直方向更难时,就轻易形成一些不规则混凝土塑性收缩性裂缝。这种裂缝通常是相互平行,间距
11、为0.21.0m,而且有一定深度,它不但能够发生在大致积混凝土中,而且能够发生在平面尺寸较大、厚度较薄结构构件中。第20页(2)混凝土体积变形 混凝土在水泥水化过程中要产生一定体积变形,但多数是收缩变形,少数为膨胀变形。掺入混凝土中拌合水,约有20水分是水泥水化所必需,其余80都要被蒸发,最初失去自由水几乎不引发混凝土收缩变形,伴随混凝土继续干燥而使吸附水逸出,就会出现干燥收缩。第21页 混凝土干燥收缩机理比较复杂,其主要原因是混凝土内部孔隙水蒸发引发毛细管引力所致,这种干燥收缩在很大程度上是可逆,即混凝土产生干燥收缩后,如再处于水饱和状态,温凝土还能够膨胀恢复到原有体积。除上述干缩收缩外,混
12、凝土还会产生碳化收缩,即空气中二氧化碳(C02)与混凝土中氢氧化钙Ca(OH)2反应生成碳酸钙和水,这些结合水会因蒸发而使混凝土产生收缩。第22页二、控制裂缝开展基本方法 从控制裂缝观点来讲,表面裂缝危害较小,而贯通性裂缝危害很大,所以,在大致积混凝土施工中,重点是控制混凝土贯通裂缝开展,常采取控制裂缝开展基本方法有以下三种:第23页1.“放”方法 所谓“放”方法,即减小约束体与被约束体之间相互制约,以设置永久性伸缩缝方法。也就是将超长现浇混凝土结构分成若干段,以期释放大部分热量和变形,减小约束应力。我国混凝土结构设计规范中要求:现浇混凝土框架结构;现浇混凝土剪力墙、装配式挂板结构;全现浇剪力
13、墙结构,处于室内或土中条件下伸缩缝间距,分别为45m、55m和65m。当前,国外许多国家也将设置永久性伸缩缝作为控制裂缝开展一个主要方法,其伸缩缝间距普通为30m-40m,个别要求为10m20m。第24页2.“抗”方法 所谓“抗”方法,即采取一定技术办法,减小约束体与被约束体之间相对温差,改进钢筋配置,降低混凝土收缩,提升混凝土抗拉强度等,以抵抗温度收缩变形和约束应力。第25页3.“放”、“抗”结合方法 “放”、“抗”结合方法,又可分为“后浇带”、“跳仓打”和“水平分层间歇”等方法。(1)“后浇带”法 “后浇带”是指现浇整体混凝土结构中,在施工期间保留暂时性温度、收缩变形缝方法。该缝依据工程详
14、细条件,保留一定时间,再用混凝土填筑密实后成为连续、整体、无伸缩缝结构。第26页 在施工期间设置作为暂时伸缩缝“后浇带”,将结构分成若干段,可有效地削减温度收缩应力;在施工后期,再将若干段浇筑成整体,以承受约束应力。在正常施工条件下,“后浇带”间距普通为2030m,后浇带宽为1.0m左右,混凝土浇筑3040d后用混凝土封闭。第27页(2)“跳仓打”法 “跳仓打”法,即将整个结构按垂直施工缝分段,间隔一段,浇筑一段,经过不少于5d间歇后再浇筑成整体,假如条件许可时,间歇时间可适当延长。采取此法时,每段长度尽可能与施工缝结合起来,使之能有效地减小温度应力和收缩应力。在施工后期将跳仓部分浇筑上混凝土
15、,将这若干段浇筑成整体,再承受第二次浇筑混凝土温差和收缩。先浇与后浇混凝土两部分温差和收缩应力叠加后应小于混凝土设计抗拉强度,这就是利用“跳仓打”法控制裂缝、但不成为永久伸缩缝目标。第28页(3)“水平分层间歇”法 “水平分层间歇”法,即以降低混凝土浇筑厚度方法来增加散热机会,减小混凝土温度上升,并使混凝土浇筑后温度分布均匀。此法实质是:当水化热大部分是从上层表面散热时,能够分为几个薄层进行浇筑。依据工程实践经验,水平分层厚度普通可控制在0.6m2.0m范围内,相邻两浇筑层之间间隔时间,应以既能散发大量热量,又不引发较大约束应力为准,普通以57d为宜。第29页4.2 混凝土温度应力一、结构中温
16、度场 大致积混凝土中心部位最高温度,在绝热条件下是混凝土浇筑温度与水泥水化热之和。但实际施工条件表明,混凝土内部温度与外界环境必定存在着温差,加上结构物四面又具备一定散热条件,所以,在新浇筑混凝土与其周围环境之间也必定会发生热能交换。故大致积混凝土内部最高温度,是由浇筑温度、水泥水化热引发温升和混凝土散热温度三部分组成。第30页(三)水化热实测升降温曲线 为快速掌握大致积钢筋混凝土在硬化过程中温度改变情况,有利于施工中控制裂缝开展,工程技术人员对相关工程在不一样季节、不一样厚度混凝土水化热进行了施工全过程跟踪和实测,统计整理后得出混凝土中心部位水化热升降温曲线如图33所表示。第31页第32页设
17、Tmax为混凝土内部最高温升,tmax为到达混凝土内部最高温度时间。从图33中能够查得:A曲线:2.6m厚夏季施工时测温曲线Tmax60.8,tmax3d;B曲线:1.3m厚,夏季施工时,测温曲线Tmax39.1,tmax 3d,掺粉煤灰;C曲线:2.6m厚,冬季施工时,测温曲线Tmax31.4,tmax5.5d D曲线:1.3m厚,冬季施工时,测温曲线Tmax22.3,tmax3d;E曲线:2.5m厚,夏季施工时测温曲线Tmax52.0,tmax3d;第33页F曲线:4.95m厚秋季施工时测温曲线Tmax64.4,tmax 7d;G曲线:0.5m厚,冬季施工时;测温曲线Tmax17.0 tm
18、ax2d;H曲线:0.5m厚,夏季施工时,测温曲线Tmax38.0,tmax 15d。从图33也能够得出:相同厚度;在不一样施工季节混凝土内部最高温度是不一样,冬季仅为夏季4555。依据以上所表示水化热升降温曲线,可直接用于相似工程控制裂缝开展计算工作中,求得近似解答。第34页二、温度应力计算(一)计算温度应力基本假定高层建筑基础工程中大致积混凝土,其几何尺寸、一次浇筑混凝土量等,都有远比混凝土大坝小,与混凝土大坝相比,其含有以下特点:(1)混凝土强度级别较高,水泥用量较多,所以在凝结硬化中收缩变形也较大;(2)高层建筑基础工程普通为配筋结构,而且配筋率较高,抗不均匀沉降受力钢筋配筋率在0.5
19、以上,如此配筋对控制裂缝十分有利;(3)因为高层建筑基础工程几何尺寸并不是太大,水化热温升较快,降温散热亦较快,所以,降温与收缩共同作用是引发混凝土开裂主要原因。第35页(4)工业与民用建筑地基普通比坝基弱,所以,地基对混凝土底部约束也比坝基弱,地基是属于非刚性;(5)控制裂缝方法无须像坝体混凝土那样,即无须采取特制低热水泥和复杂冷却系统,而主要是依靠合理配筋、改进设计、采取合理浇筑方案和浇筑后加强养护等办法,以提升结构抗裂性,防止引发过大内外温差而出现裂缝。依据高层建筑基础工程大致积混凝土五大特点,这类结构所承受温差和收缩,能够认为是均匀温差和均匀收缩,因另外约束应力是引发其裂缝主要原因。第
20、36页4.3 预防混凝土温度裂缝技术办法工程上惯用预防混凝土裂缝办法主要有:采取中低热水泥品种;降低水泥用置;合理分缝分块;掺加外加料;选择适宜骨料;控制混凝土出机温度和浇筑温度;预埋水管、通水冷却,降低混凝土最高温升;表面保护、保温隔热;第37页采取预防混凝土裂缝结构办法等。在结构工程设计与施工中,对于大致积混凝土结构,为预防其产生温度裂缝,除需要在施工前进行认真计算外;还要做到在施工过程中采取有效技术办法,依据我国施工经验应着重从控制混凝土温升、延缓混凝土降温速率、降低混凝土收缩、提升混凝土极限拉伸值、改进混凝土约束程度、完善结构设计和加强施工中温度监测等方面采取技术办法。以上这些办法不是
21、孤立,而是相互联络、相互制约,施工中必须结合实际、全方面考虑、合理采取,才能收到良好效果。第38页一、水泥品种选择和用量控制 大致积混凝土结构引发裂缝主要原因是:混凝土导热性能较差,水泥水化热大量积聚,使混凝土出现早期温升和后期降温现象。所以,控制水泥水化热引发温升,即减小降温温差,对降低温度应力、预防产生温度裂缝能起到釜底抽薪作用。第39页1.选取中热或低热水泥品种 混凝土升温热源是水泥水化热,选取中低热水泥品种,是控制混凝土温升最基本方法。如425矿渣硅酸盐水泥,其3d水化热为l80kJkg,而425普通硅酸盐水泥,其3d水化热却为250kJkg;425火山灰硅酸盐水泥,普通3d内水化热仅
22、为同标号普通硅酸盐水泥60。第40页2.充分利用混凝土后期强度 根据大量试验资料表明,每立方米混凝土中水泥用量,每增减吨,其水化热将使混凝土温度相应升降1。一方面在满足混凝土温度和耐久性前提下,尽量降低水泥用量严格控制每立方米混凝土水泥用量不超过400kg;其次可根据结构实际承受荷载情况,对结构强度和刚度进行复算,并取得设计单位、监理单位和质量检验部门认可后,采用f45,f60或f90替代f28作为混凝土设计强度,这样可使每立方米混凝土水泥用量降低40-70kg左右,混凝土水化热温升相应降低47。第41页 结构工程中大致积混凝土,大多采取矿渣硅酸盐水泥,其熟料矿物含量比硅酸盐水泥少得多,而且混
23、合材料中活性氧化硅、活性氧化铝与氢氧化钙、石膏作用,在常温下进行迟缓,早期强度(3d,7d)较低,但在硬化后期(28d以后),因为水化硅酸钙凝胶数量增多,使水泥石强度不停增加,最终甚至超出同标号普通硅酸盐水泥,对利用其后期强度非常有利。第42页二、掺加外加料在混凝土中掺入一些适宜外加料,可方便混凝土获得所需要特征,尤其在泵送混凝土中更为突出。泵送性能良好混凝土拌和物应具备三种特征:在输送管壁形成水泥浆或水泥砂浆润滑层,便混凝土拌和物具有在管道中顺利滑动流动性;为了能在各种形状和尺寸输送管内顺利输送,混凝土拌合物要具备适应输送管形状和尺寸变化变形性;为在泵送混凝土施工过程中不产生离析而造成堵塞,
24、拌和物应具备压力变化和位置变动抗分离性。第43页 因为影响泵送混凝土性能原因很多,如砂石种类、品质和级配、用量、砂率、坍落度、外掺料等。所以,为了满足混凝土含有良好泵送性,在进行混凝土配合比设计中,不能用单纯增加单位用水量方法,这么不但会增加水泥用量,增大混凝土收缩而且还会使水化热升高,更轻易引发裂缝。工程实践证实,在施工中优化混凝土级配;掺加适宜外加料,以改进混凝土特征,是大致积混凝土施工中一项主要技术办法。混凝土中惯用外加料主要是外掺剂和外掺料。第44页1.掺加外掺剂 大致积混凝土中掺加外掺剂主要是木质素磺酸钙(简称木钙)。木质素磺酸钙,属阴离子表面活性剂,它对水泥颗粒有显著分散效应,并能
25、使水表面张力降低。因此,在泵送混凝土中掺入水泥重量0.20.3木钙,它不但能使混凝土和易性有显著改进,而且可降低10左右拌和水,混凝土28d强度提升10以上:若不降低拌和水,坍落度可提升10cm左右;若保持强度木变,可节约水泥10,从而可降低水化热。第45页第46页2.掺加外掺料 大量试验资料表明,在混凝土中掺入一定量粉煤灰后,除了粉煤灰本身火山灰活性作用,在生成硅酸盐凝胶,作为胶凝材料一部分起增强作用外;在混凝土用水量不变条件下,因为粉煤灰颗粒呈球状并含有“滚珠效应”,能够起到显著改进混凝土和易性效能;若保持混凝上拌和物原有流动性不变,则可降低用水量,起到减水效果,从而可提升混凝土密实性和强
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