大体积混凝土水化热计算及施工
一、大体积混凝土的概念
1、定义
现代建筑中时常涉及到大体积混凝土施工，如桥梁基础、墩台、高层楼房基
础、大型设备基础、水利大坝等。它主要的特点就是体积大，一般实体最小尺寸大于或等于1m，它的表面系数比较小，水泥水化热释放比较集中，内部温升比较快。混凝土内外温差较大时，会使混凝土产生温度裂缝，影响结构安全和正常使用。所以必须从根本上分析它，来保证施工的质量。
我国《大体积混凝土施工规范》GB50496-2009规定：混凝土结构物实体最小尺寸大于或等于1m的大体量混凝土，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缝产生的混凝土。
美国混凝土学会(ACI)规定：“任何就地浇筑的大体积混凝土，其尺寸之大，必须要求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”。日本建筑学会标准(JASS5)规定：“结构断面最小厚度在80cm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25℃的混凝土，称为大体积混凝土”。
2、大体积混凝土的特点：
结构厚实，混凝土量大，工程条件复杂（一般都是地下现浇钢筋混凝土结构），施工技术要求高，水泥水化热较大（预计超过25度），易使结构物产生温度变形。大体积混凝土除了最小断面和内外温度有一定的规定外，对平面尺寸也有一定限制。因为平面尺寸过大，约束作用所产生的温度力也愈大，如采取控制温度措施不当，温度应力超过混凝土所能承受的拉力极限值时，则易产生裂缝。
3、大体积砼与普通砼的区别
不能仅以截面尺寸来简单判断是否大体积砼，实际施工中，有些砼厚度达到1m，但也不属于大体积砼的范畴，有些砼虽然厚度未达到1m，但水化热却较大，不按大体积砼的技术标准施工，也会造成结构裂缝。
大体积砼与普通砼的区别表面上看是厚度不同，但其实质的区别是由于砼中水泥水化要产生热量，大体积砼内部的热量不如表面的热量散失得快，造成内外温差过大，其所产生的温度应力可能会使砼开裂。因此判断
是否属于大体积砼既要考虑厚度这一因素，又要考虑水泥品种、强度等级、每立方米水泥用量等因素，比较准确的方法是通过计算水泥水化热所引起的砼的温升值与环境温度的差值大小来判别，一般来说，当其差值小于25℃时，其所产生的温度应力将会小于砼本身的抗拉强度，不会造成砼的开裂，当差值大于25℃时，其所产生的温度应力在可能大于砼本身的抗拉强度，
造成砼的开裂，此时就可判定该砼属大体积砼，并应按规范进行水化热计算并采取措施进行施工，以确保砼不致开裂，造成工程渗漏水的隐患。
二、 水泥水化热值
影响水泥水化热的因素很多，最重要的因素是熟料中的矿物组成（如高C3A的熟料水化热高），其次还有混合材种类（粉煤灰、矿渣水化热低）和掺入量、
水泥细度（越细，水化热越高）、水灰比、温度和湿度、水泥早期强度高低等等。 一般来说，水泥水化放热的周期很长，但大部分热量是在 3d 以内放出。水化热的大小与放热速率首先决定于熟料的矿物组成，一般规律为：C3A ( 铝酸三钙)的水化热和放热速率最大， C2S(硅酸二钙)、 C4AF（铁铝酸四钙）次之， C3S(硅酸三钙 )的水化热最小，放热速率也最慢。
有的研究认为，水泥的水化热具有可加性，可用下式计算：
Q 3 天 = 240C 3S+ 50C 2 S+ 880C 3 A + 290C 4 AF
Q 28 天 ＝ 377C 3S+ 150C 2 S+ 1378C 3 A + 494C 4 AF
式中： Q —水泥的水化热 (J/g) ；
C3S,C2S,C3A ,C4 AF 各熟料矿物的含量（％）。
一般来说，几种不同品种的水泥水化热为：
普通硅酸盐水泥 375~525J/g
抗硫酸盐水泥和矿渣水泥 355~440J/g
火山灰水泥 315~420J/g
不同等级的水泥水化热为：
水泥强度等级 32.5 42.5
普通水泥 (J/g) ----- 461
矿渣水泥 (J/g) 247 335
注：火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥的发热量与矿渣水泥接近。
三、大体积混凝土的温控计算示例
1、混凝土的绝热温升
水泥水化热引起的混凝土内部实际最高温度与混凝土的绝热温升有关。
(1) 混凝土的绝热温升：
T=W×Q×(1－e-mt)/(C×ρ)
式中：T—混凝土的绝热温升(℃)
W—每立方混凝土的水泥用量(kg/m3)，取329kg/m3
Q—每公斤水泥28d的累计水化热，查《大体积混凝土施工》P14表2－1，
Q=460240J/kg
C—混凝土比热993.7J/(kg·℃)；
ρ—混凝土容重2400kg/m3；
t—混凝土龄期(天)；
m—常数，与水泥品种、浇筑时温度有关,一般取0.3；
e—常数，e=2.718自然对数的底；
当t为0天时，混凝土最高绝热温升：
计算：Tmax=329×460240/(993.7×2400)=63.49(℃)
（2）混凝土的内部最高温度
Tmax= T0+T×ζ
式中：
Tmax—混凝土内部最高温度(℃)；
T0—混凝土浇筑温度(℃)；
T—混凝土的绝热温升
ζ—混凝土的散热系数，混凝土厚度为2m，取ζ=0.65；
按上式计算：
Tmax=18+63.49×0.8=60 ℃。
（3）混凝土的表面最高温度
Tbmax=Tq+4×(H－h')×h'+△T/2H
H=h+2×h'
h'=K×λ/β
式中：
Tbmax—混凝土表面最高温度(℃)；
Tq—大气的平均温度(℃)，取18℃；
H—一混凝土的计算厚度；
h'—混凝土的虚厚度；
h—混凝土的实际厚度；
△T—混凝土中心温度与外界气温之差的最大值，△T=Tmax—Tq；
λ—混凝土的导热系数，此处可取2.33W/m/k；
k—计算折减系数，根据试验资料可取0.666；
β—混凝土模板及保温层的传热系数(W/m2/K)， 大体积混凝土未采取保温措施时，此处取空气的平均传热系数5W/m2/K；
以10月施工为例：Tq取18℃，h取2m；
h'=K×λ/β=0.666×2.33/5=0.31
H=h+2×h'=2+2×0.31=2.6
△T==60—18=42℃
混凝土的表面温度：Tbmax=18+4×(2－0.31)×0.31+(60－18)/2×2.6=32.8℃
（4）内外温差计算
① 混凝土的内外温差：
Tmax— Tbmax=60－32.8=27.1℃＞25℃
所以砼表面不能满足防裂要求，需要采用内部降温措施。
②混凝土表面温度和大气的温差：
Tbmax— Tq=27.1－18=9.1℃＜25℃，可满足防裂要求。
四、 大体积混凝土的施工技术
1、大体积混凝土主要指混凝土结构实体最小几何尺寸不小于1m，或预计会因混凝土中水泥水化引起的温度变化和收缩导致有害裂缝产生的混凝土。
2、配制大体积混凝土用材料宜符合下列规定：
①、水泥应优先选用质量稳定有利于改善混凝土抗裂性能，C3A含量较低、 C2S含量相对较高的水泥。②、细骨料宜使用级配良好的中砂，其细度模数宜大于2.3。③、釆用非泵送施工时粗骨料的粒径可适当增大。④、应选用缓凝型的高效减水剂。
3、大体积混凝土配合比应符合下列规定：
①、大体积混凝土配合比的设计除应符合设计强度等级、耐久性、抗渗性、 体积稳定性等要求外，尚应符合大体积混凝土施工工艺特性的要求，并应符合合理使用材料、降低混凝土绝热温升值的原则。②、混凝土拌和物在浇筑工作面的坍落度不宜大于160mm。③、拌和水用量不宜大于170kg/m。④、粉煤灰掺量应适当增加，但不宜超过水泥用量的40%;矿渣粉的掺量不宜超过水泥用量的50%，两种掺和料的总量不宜大于混凝土中水泥重量的 50%。 ⑤、水胶比不宜大于0.55。
五、大体积混凝土的测温
大体积混凝土结构的温度、温度应力及收缩应进行试算，预测施工阶段大体积混凝土浇筑体的温升峰值，芯部与表层温差及降温速率的控制指标， 制定相应的温控技术措施。对首个浇筑体应进行工艺试验，对初期施工的结构体进行重点温度监测。温度监测系统宜具备自动釆集、自动记录功能。
六、图片
大体积混凝土水化热计算及施工
一、大体积混凝土的概念
1、定义
现代建筑中时常涉及到大体积混凝土施工，如桥梁基础、墩台、高层楼房基
础、大型设备基础、水利大坝等。它主要的特点就是体积大，一般实体最小尺寸大于或等于1m，它的表面系数比较小，水泥水化热释放比较集中，内部温升比较快。混凝土内外温差较大时，会使混凝土产生温度裂缝，影响结构安全和正常使用。所以必须从根本上分析它，来保证施工的质量。
我国《大体积混凝土施工规范》GB50496-2009规定：混凝土结构物实体最小尺寸大于或等于1m的大体量混凝土，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缝产生的混凝土。
美国混凝土学会(ACI)规定：“任何就地浇筑的大体积混凝土，其尺寸之大，必须要求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”。日本建筑学会标准(JASS5)规定：“结构断面最小厚度在80cm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25℃的混凝土，称为大体积混凝土”。
2、大体积混凝土的特点：
结构厚实，混凝土量大，工程条件复杂（一般都是地下现浇钢筋混凝土结构），施工技术要求高，水泥水化热较大（预计超过25度），易使结构物产生温度变形。大体积混凝土除了最小断面和内外温度有一定的规定外，对平面尺寸也有一定限制。因为平面尺寸过大，约束作用所产生的温度力也愈大，如采取控制温度措施不当，温度应力超过混凝土所能承受的拉力极限值时，则易产生裂缝。
3、大体积砼与普通砼的区别
不能仅以截面尺寸来简单判断是否大体积砼，实际施工中，有些砼厚度达到1m，但也不属于大体积砼的范畴，有些砼虽然厚度未达到1m，但水化热却较大，不按大体积砼的技术标准施工，也会造成结构裂缝。
大体积砼与普通砼的区别表面上看是厚度不同，但其实质的区别是由于砼中水泥水化要产生热量，大体积砼内部的热量不如表面的热量散失得快，造成内外温差过大，其所产生的温度应力可能会使砼开裂。因此判断
是否属于大体积砼既要考虑厚度这一因素，又要考虑水泥品种、强度等级、每立方米水泥用量等因素，比较准确的方法是通过计算水泥水化热所引起的砼的温升值与环境温度的差值大小来判别，一般来说，当其差值小于25℃时，其所产生的温度应力将会小于砼本身的抗拉强度，不会造成砼的开裂，当差值大于25℃时，其所产生的温度应力在可能大于砼本身的抗拉强度，
造成砼的开裂，此时就可判定该砼属大体积砼，并应按规范进行水化热计算并采取措施进行施工，以确保砼不致开裂，造成工程渗漏水的隐患。
二、 水泥水化热值
影响水泥水化热的因素很多，最重要的因素是熟料中的矿物组成（如高C3A的熟料水化热高），其次还有混合材种类（粉煤灰、矿渣水化热低）和掺入量、
水泥细度（越细，水化热越高）、水灰比、温度和湿度、水泥早期强度高低等等。 一般来说，水泥水化放热的周期很长，但大部分热量是在 3d 以内放出。水化热的大小与放热速率首先决定于熟料的矿物组成，一般规律为：C3A ( 铝酸三钙)的水化热和放热速率最大， C2S(硅酸二钙)、 C4AF（铁铝酸四钙）次之， C3S(硅酸三钙 )的水化热最小，放热速率也最慢。
有的研究认为，水泥的水化热具有可加性，可用下式计算：
Q 3 天 = 240C 3S+ 50C 2 S+ 880C 3 A + 290C 4 AF
Q 28 天 ＝ 377C 3S+ 150C 2 S+ 1378C 3 A + 494C 4 AF
式中： Q —水泥的水化热 (J/g) ；
C3S,C2S,C3A ,C4 AF 各熟料矿物的含量（％）。
一般来说，几种不同品种的水泥水化热为：
普通硅酸盐水泥 375~525J/g
抗硫酸盐水泥和矿渣水泥 355~440J/g
火山灰水泥 315~420J/g
不同等级的水泥水化热为：
水泥强度等级 32.5 42.5
普通水泥 (J/g) ----- 461
矿渣水泥 (J/g) 247 335
注：火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥的发热量与矿渣水泥接近。
三、大体积混凝土的温控计算示例
1、混凝土的绝热温升
水泥水化热引起的混凝土内部实际最高温度与混凝土的绝热温升有关。
(1) 混凝土的绝热温升：
T=W×Q×(1－e-mt)/(C×ρ)
式中：T—混凝土的绝热温升(℃)
W—每立方混凝土的水泥用量(kg/m3)，取329kg/m3
Q—每公斤水泥28d的累计水化热，查《大体积混凝土施工》P14表2－1，
Q=460240J/kg
C—混凝土比热993.7J/(kg·℃)；
ρ—混凝土容重2400kg/m3；
t—混凝土龄期(天)；
m—常数，与水泥品种、浇筑时温度有关,一般取0.3；
e—常数，e=2.718自然对数的底；
当t为0天时，混凝土最高绝热温升：
计算：Tmax=329×460240/(993.7×2400)=63.49(℃)
（2）混凝土的内部最高温度
Tmax= T0+T×ζ
式中：
Tmax—混凝土内部最高温度(℃)；
T0—混凝土浇筑温度(℃)；
T—混凝土的绝热温升
ζ—混凝土的散热系数，混凝土厚度为2m，取ζ=0.65；
按上式计算：
Tmax=18+63.49×0.8=60 ℃。
（3）混凝土的表面最高温度
Tbmax=Tq+4×(H－h')×h'+△T/2H
H=h+2×h'
h'=K×λ/β
式中：
Tbmax—混凝土表面最高温度(℃)；
Tq—大气的平均温度(℃)，取18℃；
H—一混凝土的计算厚度；
h'—混凝土的虚厚度；
h—混凝土的实际厚度；
△T—混凝土中心温度与外界气温之差的最大值，△T=Tmax—Tq；
λ—混凝土的导热系数，此处可取2.33W/m/k；
k—计算折减系数，根据试验资料可取0.666；
β—混凝土模板及保温层的传热系数(W/m2/K)， 大体积混凝土未采取保温措施时，此处取空气的平均传热系数5W/m2/K；
以10月施工为例：Tq取18℃，h取2m；
h'=K×λ/β=0.666×2.33/5=0.31
H=h+2×h'=2+2×0.31=2.6
△T==60—18=42℃
混凝土的表面温度：Tbmax=18+4×(2－0.31)×0.31+(60－18)/2×2.6=32.8℃
（4）内外温差计算
① 混凝土的内外温差：
Tmax— Tbmax=60－32.8=27.1℃＞25℃
所以砼表面不能满足防裂要求，需要采用内部降温措施。
②混凝土表面温度和大气的温差：
Tbmax— Tq=27.1－18=9.1℃＜25℃，可满足防裂要求。
四、 大体积混凝土的施工技术
1、大体积混凝土主要指混凝土结构实体最小几何尺寸不小于1m，或预计会因混凝土中水泥水化引起的温度变化和收缩导致有害裂缝产生的混凝土。
2、配制大体积混凝土用材料宜符合下列规定：
①、水泥应优先选用质量稳定有利于改善混凝土抗裂性能，C3A含量较低、 C2S含量相对较高的水泥。②、细骨料宜使用级配良好的中砂，其细度模数宜大于2.3。③、釆用非泵送施工时粗骨料的粒径可适当增大。④、应选用缓凝型的高效减水剂。
3、大体积混凝土配合比应符合下列规定：
①、大体积混凝土配合比的设计除应符合设计强度等级、耐久性、抗渗性、 体积稳定性等要求外，尚应符合大体积混凝土施工工艺特性的要求，并应符合合理使用材料、降低混凝土绝热温升值的原则。②、混凝土拌和物在浇筑工作面的坍落度不宜大于160mm。③、拌和水用量不宜大于170kg/m。④、粉煤灰掺量应适当增加，但不宜超过水泥用量的40%;矿渣粉的掺量不宜超过水泥用量的50%，两种掺和料的总量不宜大于混凝土中水泥重量的 50%。 ⑤、水胶比不宜大于0.55。
五、大体积混凝土的测温
大体积混凝土结构的温度、温度应力及收缩应进行试算，预测施工阶段大体积混凝土浇筑体的温升峰值，芯部与表层温差及降温速率的控制指标， 制定相应的温控技术措施。对首个浇筑体应进行工艺试验，对初期施工的结构体进行重点温度监测。温度监测系统宜具备自动釆集、自动记录功能。
六、图片