王曉華

中國石油工程建設公司 河南洛陽 471023

燃驅壓縮機機組混凝土基礎冬期施工技術

王曉華

中國石油工程建設公司 河南洛陽 471023

通過條件性假設進行混凝土熱工計算、防裂性能驗算，系統(tǒng)闡述了混凝土拌合物攪拌、澆筑和養(yǎng)護等措施，以及測溫點布置和溫度測量與控制，說明了暖棚法與養(yǎng)護保溫材料相結合的方法進行混凝土基礎冬期施工的可行性。

混凝土基礎 熱工計算 應力計算 冬期施工 養(yǎng)護與測溫

1 前言

中亞天然氣管道哈薩克斯坦天然氣壓氣站是由中國石油天然氣集團公司和哈薩克斯坦共和國共同投資建設的，該工程由中國石油工程建設公司EPC總承包，天然氣加壓站共有4臺30MW GE燃驅壓縮機組。壓縮機機組基礎底板尺寸為23050(L)×8200(W)×700(H)mm，其上部包括燃氣汽輪機和壓縮機兩部分，燃氣汽輪機部分尺寸為12350（L）×5200(W)×3250(H)mm（標高為－3.9～+0.35m），壓縮機部分尺寸為9100(L)×4590(W)×3060(H)mm（標高為－3.9～+0.16m），基礎墊層為200mm厚碎石灌瀝青和100mm厚B12.5混凝土，機組基礎為整體基礎。單臺基礎混凝土總澆筑量為467m2，混凝土強度等級為B25。本文以單臺壓縮機機組基礎為例，系統(tǒng)地闡述了冬期大體積混凝土基礎的澆筑、溫度控制及養(yǎng)護。

施工期為2010年1-2月間，冬季風雪天氣，環(huán)境最低溫度-32℃。本文外部環(huán)境溫度取-18℃。

2 大體積混凝土裂縫產生的原因

大體積混凝土施工階段所產生的溫度裂縫，一方面是混凝土內部因素?；炷了嗄Y硬化過程中產生大量的水化熱，聚集在大體積混凝土內部不易散發(fā)，造成內外較大溫差，形成溫度梯度，使混凝土表面產生拉應力，當拉應力超過混凝土的極限抗拉強度時混凝土表面就會產生裂縫。另一方面是混凝土的外部因素。結構的外部約束和混凝土各質點間的約束，阻止混凝土收縮變形，混凝土抗壓強度較大，但抗拉能力卻很小，所以溫度應力一旦超過混凝土能承受的抗拉強度時，即會出現(xiàn)裂縫。

產生裂紋的主要原因有水泥水化熱、外界氣溫變化和混凝土的收縮；影響混凝土收縮的主要因素是水泥品種、混凝土配合比、外加劑和摻合料以及施工工藝、養(yǎng)護條件等。

3 混凝土優(yōu)化設計

3.1 混凝土原材料優(yōu)化

3.1.1 水泥，根據(jù)當?shù)氐刭|資料，由于該地區(qū)的土壤中含有硫酸根離子，對普通硅酸鹽水泥具有中等侵蝕，另外施工工期屬于冬期，盡可能選用水化熱較低的水泥。本工程選用400#抗硫酸鹽水泥，28d抗壓強度39.2MPa。

3.1.2 砂，中粗砂，含泥量∠2%，含水率不大于3%。

3.1.3 碎石，粒徑5～25mm或5～40mm的連續(xù)級配碎石，優(yōu)先選用5～40mm碎石，減少混凝土收縮，含泥量∠1%，含水率不大于1%。

3.1.4 外加劑和摻合料，由于哈薩克斯坦共和國的緩凝劑、防凍劑等不符合標準要求，故混凝土不摻加外加劑和摻合料。

3.1.5 水，采用熱水拌合，確?；炷翝仓囟仍?～10℃，水的溫度不超過60℃。

3.2 混凝土配合比優(yōu)化

水泥用量不應小于300kg/m3,水灰比≤0.45，根據(jù)碎石粒徑、混凝土水灰比及泵送混凝土的方式，混凝土砂率宜在32～37%之間。故優(yōu)化后混凝土配合比以重量計（kg）為水泥∶碎石∶砂∶水=430∶1130∶630∶175。

3.3 混凝土養(yǎng)護優(yōu)化

由于燃驅壓縮機組基礎為獨立基礎，基礎頂標高與地面位于同一平面，施工規(guī)范要求混凝土澆筑體表面與大氣環(huán)境溫差不宜大于20℃，且外部環(huán)境介于-4～19℃間，宜采用暖棚法養(yǎng)護；確?；炷晾锉頊囟炔畈淮笥?5℃，故暖棚內溫度應控制在20℃。根據(jù)混凝土的里表溫差狀況，同時可采用在混凝土表面覆蓋草袋子進行養(yǎng)護。防止混凝土表面干裂，應保持暖棚內的濕度70%以上。

3.4 模板工程采用30mm的木模板，與混凝土接觸的模板表面應涂刷脫模劑。

4 混凝土的熱工計算

混凝土熱工計算參數(shù)見混凝土優(yōu)化設計，水泥、砂和碎石入罐溫度為 5℃，拌合水溫度為30℃。

4.1 混凝土溫度計算

4.1.1 混凝土拌合溫度計算

式中：

T0—混凝土攪拌溫度；mw、mce、msa、mg—水、水泥、砂子、碎石用量（kg）；

wsa、wg—砂子、碎石的含水率 （%）；Tw、Tce、Tsa、Tg—水、水泥、砂子、碎石的溫度（℃）；

c1—水的比熱容（KJ/kg·K）；

c2—冰的溶解熱（KJ/kg）。當骨料溫度 ＞0℃時，c1=4.2，c2=0；當骨料溫度≤0℃時，c1=2.1，c2=335。

4.1.2 混凝土拌合物出機溫度

式中：

T1—混凝土拌合物出機溫度（℃）；

Ti—攪拌機棚內溫度（℃），取15℃。

T1=10.7-0.16×（10.7-15）=11.39℃

4.1.3 混凝土的澆筑溫度

T2=T1-（at1+0.032n）(T1-Ta)

式中：

T2—混凝土拌合物運輸?shù)綕仓r的溫度（℃）；

a—溫度損失系數(shù)（h-1），采用損失系數(shù)為0.25；

t1—混凝土拌合物自攪拌站運輸?shù)綕仓r的時間，取0.1h；

n—混凝土拌合物運轉次數(shù)，取2；

T1—混凝土拌和物出機溫度（℃）；

Ta—混凝土運輸時環(huán)境溫度，取-18℃。

4.2 混凝土內部中心溫度計算

4.2.1 水泥水化熱溫升計算

式中：

T(t)—在t齡期時，混凝土的絕熱溫升（℃）；

Mce—每立方米混凝土的水泥用量，取430Kg/m3；

Q—每千克水泥28天水化熱，取377KJ/Kg；

c—混凝土比熱，取 0.97KJ/(Kg·K)；

t—混凝土的齡期(d)；

ρ—混凝土密度，取2400Kg/m3；

e—為常數(shù)，取2.718；

m—系數(shù)，隨澆筑溫度而改變，取0.31。

各齡期的混凝土絕熱溫升計算結果見表1。

4.2.2 調整溫升值計算

式中：

ζ(t)—不同澆筑塊厚度的溫降系數(shù)，澆筑厚度4m時，ζ(t)取值見表1。

各齡期調整溫升值計算結果見表1。

4.2.3 混凝土內部中心溫度

式中：

T2—混凝土的澆筑溫度（℃）

各齡期混凝土內部中心溫度計算結果見表1。

4.3 混凝土養(yǎng)護期溫度計算

基礎上表面覆蓋一層塑料薄膜和60mm厚草袋子進行保溫養(yǎng)護，混凝土四周為30mm厚木模板，基礎底面與混凝土墊層接觸，混凝土基礎采用暖棚法養(yǎng)護。

4.3.1 混凝土表面溫度計算

其中：

Tb(t)—混凝土表面溫度（℃）；

Tq—取暖棚內的環(huán)境溫度，20℃；

ΔT(t)—混凝土內部最高溫度與外界氣溫之差，即ΔT(t)=Tm(t)－Tq；

h’—混凝土虛厚度h’＝Kλ／β；

K—計算折減系數(shù)，取2/3；

λ—混凝土導熱系數(shù)，取2.33W／（m℃）；

β—保溫層傳熱系數(shù)；

β＝1／（Σδi／λi＋1／βq）；

λi—各種保溫層導熱系數(shù)，W／（m℃）；

δi—各種保溫層厚度（m）；

βq—空氣層傳熱系數(shù)，取23W／（m2℃）；

H—混凝土計算厚度（m），假定混凝土只向大氣散熱，按單面暴露于空氣中的平板計算，H＝h＋2h’，h-混凝土實際厚度，取3.95m。

草袋厚度為0.06m，其導熱系數(shù)為0.14W/m.K；塑料厚度為0.0005m，其導熱系數(shù)為0.035W/m.K；

保溫層傳熱系數(shù)為：0.14+1/23)=2.06

混凝土虛鋪厚度h’＝Kλ／β＝0.67×2.33÷2.06=0.76

混凝土計算厚度H＝h＋2h’=3.95+2×0.76=5.47

混凝土各齡期表面溫度計算結果見表1。

4.3.2 混凝土里表溫差計算

式中：

ΔT1(t)—齡期為t時，混凝土澆筑體的里表溫差（℃）；

Tm（t）—齡期為t時，混凝土澆筑體內的最高溫度(℃)；

Tb(t)—齡期為t時，混凝土澆筑體內的表面溫度(℃)。

混凝土各齡期的里表溫差計算結果見表1，里表溫差＜25℃，符合標準要求。

5 混凝土防裂性能驗算

5.1 混凝土的彈性模量計算

式中：

E(t)—混凝土齡期為t時，混凝土的彈性模量（N/mm2）；

β—混凝土中摻合料對彈性模量修正系數(shù)；

E0—混凝土的彈性模量，一般近似取標準條件下養(yǎng)護28d的彈性模量；

e—取 2.718；

ψ—系數(shù)，取0.09。

各齡期混凝土的彈性模量計算結果見表1。

5.2 混凝土收縮的相對變形值計算

式中：

εy（t）—齡期為t時混凝土收縮引起的相對變形值；

εy0—在標準試驗狀態(tài)下混凝土最終收縮的相對變形值，取3.24×10-4；M1、M2、M3、… M11- 考慮各種非標準條件的修正系數(shù)，可按《GB50496-2009》規(guī)范中的表B.2.1取值。M1（400#抗硫酸鹽水泥）=0.78,M2（水泥細度300m2Kg）=1.0,M3（水膠比0.41）=1.0,M4(膠漿量0.331)=1.625，M5（養(yǎng)護28d）=0.93,M6（環(huán)境相對濕度為70%）=0.77，M7（水力半徑倒數(shù)=1.43，M8（配筋率 0.2）=0.61，M9=M10=M11=1.0。

各齡期混凝土收縮的相對變形值計算結果見表1。

5.3 混凝土收縮相對變形值的當量溫度計算

式中：

Ty(t)—齡期為t時，混凝土的收縮當量溫度；

a—混凝土的線性膨脹系數(shù)，取1.0×10-5。

混凝土收縮相對變形值的當量溫度見表1。

5.4 混凝土澆筑體的綜合降溫差計算

式中：

Tm(t)—齡期為t時，混凝土澆筑體的內部中心溫度;

Tb(t)—齡期為t時，混凝土澆筑體的表面溫度；

Ty(t)—齡期為t時，混凝土收縮相對變形值的當量溫度；

Tw(t)—混凝土澆筑體所在地的年平均溫度，取5℃。

混凝土澆筑體的綜合降溫差的計算結果見表1。

5.5 混凝土外部約束力計算

式中：

σx(t)—齡期為t時，因綜合降溫差在外約束條件下產生的拉應力（MPa）;

ΔT2i（t）—齡期為t時，在第i計算區(qū)段內，混凝土澆筑體綜合降溫差的增量（℃）；

μ—混凝土的泊松比，取0.15；Ei(t)—齡期為t時，在第i計算區(qū)段內，混凝土的彈性模量（N/mm2）；

Ri(t)—齡期為t時，在第i計算區(qū)段內，外約束的約束系數(shù),其公式如下：

式中：

L—混凝土澆筑體的長度（m），取22250mm;

CX—外約束介質的水平變形剛度（N/mm2），取 1.5N/mm2；

H—混凝土澆筑體的厚度，該厚度為實際厚度與保溫層換算混凝土虛擬厚度之和，即

H=h+h’=3950+760=4710mm。

混凝土外部約束力計算結果見表1。

5.6 混凝土防裂性能判斷

5.6.1 混凝土抗拉強度計算

式中：

ftk(t)—混凝土齡期為t時的抗拉強度標準值(MPa)；

γ—系數(shù)，取0.3；

ftk—混凝土抗拉強度標準值，取1.5MPa。

5.6.2 外約束防裂性能判斷

σx≤λftk(t)/k

σx及 ftk(t)/k計算結果見表1，由表1數(shù)據(jù)可知，混凝土不會出現(xiàn)裂縫。

式中：

λ—摻合料對混凝土抗拉強度的影響系數(shù)，取1；

K—防裂安全系數(shù)，取1.15。

5.6.3 自約束防裂性能判斷

自約束防裂性能利用最大約束應力（σzmax）與混凝土抗拉強度標準值（ftk）比較進行判斷。

式中：

σzma—最大自約束應力（MPa）；

表1 混凝土澆筑體各齡期溫度及應力計算結果

△T1max—混凝土澆筑后，可能出現(xiàn)的最大里表溫差，依據(jù)熱工計算結果，第9天里表溫差最大，則

E(t)—與最大里表溫差△T1max相對應齡期t時，混凝土的彈性模量，則 E（9）=1.61×104MPa；

Hi(t)—混凝土松弛系數(shù)，則Hi(9)=0.214。

由表1可知，σzmax＜λftk(t)/K，不會出現(xiàn)裂縫。

6 施工工藝

6.1 混凝土優(yōu)化設計

根據(jù)由混凝土優(yōu)化設計的參數(shù)而計算得出混凝土的溫度及應力結果可知，混凝土優(yōu)化設計符合并滿足規(guī)范標準和設計圖紙的要求。可按照優(yōu)化設計的各項參數(shù)組織混凝土澆筑施工。

6.2 混凝土拌合

(1)混凝土攪拌站搭設24m×12m×6m暖棚，棚內設蒸汽鍋爐，由蒸汽鍋爐引出的蒸汽分兩個支路。一個支路通向拌合站水池，蒸汽管道通入水池底部，管端封堵，在淹沒于水池中的管壁開多個小孔，與水進行熱交換，并在水池上水口設置溫度計，隨時檢查拌合水的溫度是否處于30℃，拌合水池密閉保溫；另一路通向棚內的暖氣片，為暖棚采暖提供熱源，并用溫度計檢測暖棚內的溫度不低于15℃。

(2)攪拌用水泥、碎石和砂提前堆放在攪拌站的暖棚內，并用溫度計對拌合料的表面、中心和底部等部位進行溫度檢測。保證拌合投料前溫度不低于5℃。

(3)混凝土攪拌時，應先投入砂石料，干拌均勻再后注入水，將水和砂石料攪拌均勻后方可投入水泥，混凝土的攪拌時間比常溫延長50%,并用溫度計隨時檢測混凝土拌合物及出機時的溫度，確?；炷脸鰴C溫度不低于11℃。

(4)為提高混凝土的早期強度，混凝土坍落度宜控制在120mm～160mm范圍內。

6.3 混凝土運輸

(1)混凝土運輸車采用6m3攪拌運輸車運送，由于外界溫度低于零度，需對攪拌運輸車的攪拌桶用50mm厚的棉墊進行保溫，防止混凝土在運輸途中發(fā)生熱量散失、表層凍結、離析、坍落度變化等。

(2)混凝土澆灌采用混凝土輸送泵車，輸送管不易過長，以免發(fā)生堵管及混凝土熱量散失。

(3)混凝土運輸車在輸送途中，如果出現(xiàn)離析現(xiàn)象時，應進行快速攪拌，攪拌時間應不小于120S。

(4)輸送泵車的輸送管用50mm棉被進行包裹保溫，使混凝土入模溫度不低于8.77℃。

6.4 混凝土灌筑

(1)混凝土澆筑前，先在基礎周圍用型鋼制作26m×11m×3.5m的簡易尖頂暖棚，暖棚頂部用100mm厚的夾芯彩鋼板覆蓋，暖棚墻壁用50mm厚的棉被覆蓋，并在棉被外覆蓋一層篷布，同時棉被和篷布與地面密封嚴密，防止外界空氣進入暖棚內。棚內在基礎底板兩側布置6臺無煙煤爐，同時布置6臺6KW熱風機，并在暖棚頂部設置排風口，預防施工人員煤氣中毒。

(2)在混凝土澆筑前，需對暖棚進行加熱控溫，始終保持棚內溫度不低于20℃；對混凝土輸送管道進行外加熱升溫的同時，用不低于15℃的砂漿潤濕管道內壁，確保管道輸送混凝土的通暢；清理木模板內的雜物，并用溫水濕潤木模板；模板、鋼筋、管道（混凝土輸送管道和測溫用管道）經(jīng)預熱后，使其表面溫度不低于10℃。

內

(3)混凝土澆筑采用“分層分段，循序漸進,一次到頂”的方法，每層攤鋪厚度為400mm且不大于500mm，基礎面應根據(jù)混凝土澆筑順序及時進行覆蓋。

(4)混凝土振搗采用2次振搗的方案。在每個澆筑帶前后布置2臺振搗器，中間布置1臺。1臺布置在混凝土的卸料點，主要用于上部混凝土的搗實；另1臺布置在混凝土的坡腳處，以確保下部混凝土的密實。2次振搗是在下層混凝土接近初凝時再進行一次振搗，使混凝土恢復和易性，以排除混凝土內因泌水在粗骨料、水平筋下部生成的水分和空隙，提高混凝土與鋼筋的握裹力，防止因混凝土沉落而出現(xiàn)的裂縫，減小內部微裂，提高混凝土密實度。

(5)混凝土振搗采用行列式的插點法，直上直下，快插慢拔，并深入下層50～100mm，插點間距為300～400mm間，振搗時間為20S。

(6)混凝土抹面，大體積混凝土表面水泥漿在混凝土澆筑后3～4h初步用標桿按標高線刮平，在混凝土初凝前用鐵滾筒碾壓數(shù)遍二次抹壓抹平。

(7)混凝土在澆筑過程中，用溫度計測量混凝土入模、澆筑體的溫度，是否滿足標準要求及熱工計算的數(shù)據(jù)，同時，確保暖棚內的溫度不低于20℃。

7 混凝土養(yǎng)護及測溫

7.1 混凝土養(yǎng)護

(1)混凝土澆筑完后，及時在混凝土的上表面覆蓋一層塑料薄膜和厚度為60mm的草袋，木模板外覆蓋50mm厚的棉墊。暖棚內溫度控制在20℃，由于晝夜外界溫度相差較大，根據(jù)暖棚內的實際溫度確定開啟設備的增減。

(2)由于大氣溫度較低，棚內外溫差懸殊，棚內底部與頂部溫差也較大，為確保棚內空間溫差不大，可在棚內空間設置兩道溫度屏障，以減弱空氣在豎向的對流速度。

(3)當混凝土強度大于50%設計強度后，根據(jù)暖棚內外溫差確定棚內的供熱保暖溫度，但暖棚內的溫度不低于5℃，大棚內降溫應滿足《冬季施工規(guī)范》的要求。

(4)養(yǎng)護期間，棚內濕度采用灑水的方法進行調節(jié)，并用濕度儀對棚內濕度進行檢測，棚內濕度控制在80%左右?；炷敛坏糜惺F(xiàn)象，若有失水現(xiàn)象時，應及時在混凝土表面灑水養(yǎng)護。

(5)當暖棚內溫度與環(huán)境溫度差小于10℃時拆除暖棚；混凝土拆模時，環(huán)境溫度與基礎混凝土溫度差應小于15℃后拆除模板，模板拆除后并用塑料薄膜和草袋繼續(xù)養(yǎng)護。

7.2 混凝土測溫

(1)測溫儀器：棚內外用指針式溫濕計測溫度和濕度，混凝土出罐、入模溫度用紅外溫度儀測溫，混凝土基礎內各觀測點溫度用玻璃管溫度計測溫。

(2)混凝土基礎共布置21個測溫點，如圖1所示，每個測溫點由表面、中心和底部3個測溫孔，其截面呈邊長100mm的正三角形，其布置如圖2所示。

(3)測溫孔用φ48×2mm的鋼管制作，鋼管底端用φ70mm的8mm厚圓鋼板焊接牢固密封，使其不能滲漏；再用橡皮套管套于距鋼管底部100mm處。焊接后的測溫點布置于綁扎好的鋼筋網(wǎng)架上，并焊接牢固；鋼管上端露出混凝土表面100mm,并用木塞或塑料管帽進行密封,防止外界氣溫影響；鋼管的埋設長度比測溫點深50mm。表面溫度測混凝土澆筑體上表面以內50mm處的溫度，鋼管（測溫孔1A-21A）長度為200mm,埋深100mm；中心溫度測混凝土澆筑體厚度（H）的1/2處溫度，鋼管（測溫孔1B-21B）其長度為1/2H與150mm之和；底部溫度測混凝土澆筑體底面上100mm處的溫度，鋼管（測溫孔1C-21C）長度為H與50mm之和。

(4)混凝土澆筑后，即向測溫管注入溫度為約10℃的水，注水深度為100mm，測溫時將玻璃管溫度計深入到水中停留時間不少于3min，讀數(shù)要快，避免受到外界環(huán)境的影響，即可知該部位的混凝土溫度，測溫后立即把鋼管的管口進行封堵。

(5)混凝土基礎主要量測二個溫差，一是混凝土基礎中心與表面的溫差，通過覆蓋或收起表面保溫材料控制其溫差不大于25℃；二是混凝土基礎表面與暖棚內的溫差，通過增加或減少暖棚內加熱設備控制其溫差不大于20℃。

(6)測溫時間:暖棚內各觀測點，自混凝土澆筑完畢時間算起，1～7d每隔2h測1次溫度，8～14d每隔4h測1次溫度，其后每8h測1次溫度，同時應側外界大氣溫度，測溫延續(xù)時間28d，并作詳細的測溫記錄。

(7)測溫記錄及時整理，根據(jù)測溫結果，繪制混凝土時間—變化曲線。同時根據(jù)每天測溫記錄，計算混凝土各齡期的溫度應力和抗拉強度，并與理論計算值復核以，作為改進保溫養(yǎng)護的依據(jù)。

7.3 模板的拆除

拆除模板時，若外界氣溫與混凝土溫度相差大于20℃，拆模后應采取暖棚控溫或在混凝土表面覆蓋保溫材料，使其緩慢降溫。

結合暖棚內外溫差、混凝土澆注體的溫度和強度確定拆除暖棚的時間。

基礎測完溫度后，用同強度混凝土將測溫孔回填密實。

8 結束語

該技術能夠有效保證混凝土特別是大體積混凝土冬季施工的質量，有效的爭取了工期。但同時也不可避免的增大了投入。

由于沒有在混凝土拌合物中添加緩凝劑、防凍劑等添加劑，延緩了混凝土基礎的養(yǎng)護時間。

本工程采用了暖棚法養(yǎng)護大體積混凝土基礎，主要通過控制外部養(yǎng)護溫度及拌合物出機溫度，不僅控制了大體積混凝土里表溫差在25℃以下，以及溫度應力在混凝土安全值以內，也改善了混凝土表面的養(yǎng)護條件，壓氣站運行至今，基礎沒有出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象。說明了大體積混凝土在不采用內置冷卻水設施降溫的情況下，同樣可以有效的防止混凝土裂縫的產生，其質量符合標準規(guī)范的要求。

該施工技術已廣泛應用于中亞管道天然氣壓氣站的混凝土基礎施工。

1《大體積混凝土施工規(guī)范》GB50496-2009.

2《建筑工程冬期施工規(guī)程》JGJ104-97.

3《簡明施工計算手冊》（第3版）.中國建筑工業(yè)出版社.

4《ЦЕМЕНТЫ СУЛЬФАТОСТОЙКИЕ》(ТЕХНИЧ ЕСКИЕ УСЛОВИЯ)ГОСТ 22266-94.

F4

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1672-9323（2011）04-0079-06

2011-04-02）