李守碧 石 振 羅云彬 范英麗

中國建筑第五工程局有限公司 湖南 長沙 410000

隨著近年來建筑物設(shè)計(jì)高度增加，混凝土結(jié)構(gòu)面增大，設(shè)計(jì)強(qiáng)度較高，混凝土中水泥用量較多。在大體積混凝土施工過程中，因水泥水化放熱，混凝土內(nèi)部溫度大幅度上升。在冬季施工情況下，混凝土表里溫差不斷增大，達(dá)到一定程度，溫度應(yīng)力會(huì)大于混凝土強(qiáng)度未達(dá)抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性具有重大危害。本文結(jié)合基礎(chǔ)施工實(shí)例，對大體積混凝土溫控及施工措施進(jìn)行研究并應(yīng)用。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于云南省昭通市昭陽區(qū)迎賓大道與昭麻二級公路交叉口，辦公塔樓總高度168.8m，為昭通市地標(biāo)建筑。筏板厚度分別為3m、6.7m。計(jì)劃澆筑方量9000m3，并進(jìn)行連續(xù)澆筑。該筏板施工屬于關(guān)鍵工序，并在冬季施工。

辦公塔樓地基基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)，筏板面積2129㎡，筏板厚度3000mm～6700mm，框架剪力墻結(jié)構(gòu)，框架梁最大跨度18m。

本工程辦公塔樓筏板屬超長結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級為C35，抗?jié)B等級為 P8，采用混凝土60d強(qiáng)度作為指標(biāo)[1]。設(shè)計(jì)要求均添加SY-K纖維抗裂膨脹劑。

2 大體積混凝土的溫升原因

2.1 水泥水化反應(yīng)釋放的熱量

大體積混凝土的溫升主要是由水泥水化反應(yīng)釋放的熱量造成的。水泥水化反應(yīng)是混凝土硬化的重要過程，它是由水泥顆粒與水分子在一定程度下結(jié)合成為水泥膠體的過程。在過程中，水泥發(fā)生化學(xué)變化，放出大量的熱量，使混凝土升溫?；炷恋臏囟壬邥?huì)引起許多問題，如降低混凝土的強(qiáng)度、導(dǎo)致混凝土開裂、影響混凝土的耐久性等。當(dāng)混凝土的體積較大時(shí)，水泥的用量也就更多，因此水泥水化反應(yīng)也就更加劇烈，混凝土的溫度也會(huì)更高。

2.2 環(huán)境溫度的影響

環(huán)境溫度也會(huì)對大體積混凝土的溫升產(chǎn)生一定的影響。其制作和硬化的過程都是需要注意溫度的。通常來說，混凝土的制造都需要在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，以確?；炷恋馁|(zhì)量和性能能夠得到有效的保障。在制造過程中，如果出現(xiàn)了溫度太高或溫度太低的問題，都會(huì)直接影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性。因此在混凝土制造過程中，需要進(jìn)行溫度控制以確保混凝土的穩(wěn)定性。在夏季高溫季節(jié)中，環(huán)境溫度比較高，大體積混凝土在硬化過程中會(huì)受到環(huán)境的影響，加速了混凝土的溫度升高。這也是為什么在夏季高溫時(shí)期，很多混凝土施工都需要在夜間或清晨進(jìn)行的原因之一。

3 材料的選用及配合比的優(yōu)化

選用合適的混凝土材料是保證混凝土強(qiáng)度和耐久性的關(guān)鍵。大量的研究表明，當(dāng)混凝土的強(qiáng)度等級已定時(shí)，選用高性能混凝土的其強(qiáng)度和耐久性都比傳統(tǒng)混凝土更好。

3.1 原材的選用

水泥：選用貴州六盤水豪龍水泥有限公司生產(chǎn)P·O 42.5水泥，水泥的復(fù)試檢測結(jié)果如下表1。

表1 水泥復(fù)試檢測結(jié)果

粉煤灰：選用貴州時(shí)代新材環(huán)?？萍加邢薰劲蚣壏勖夯遥?xì)度：0.045mm方孔篩篩余22.0%，燒失量6.5%，需水量比99%。

砂：選用國洋砂石廠機(jī)制中粗砂，細(xì)度模數(shù)3.0，顆粒級配區(qū)屬Ⅱ級，含泥量0.2%，泥塊含量0.3%。

碎石：選用國洋砂石廠碎石，最大粒徑31.5mm，采用連續(xù)級配；含泥量0.2%，泥塊含量0.2%，針、片狀含量2.0%。

外加劑：選用四川省自貢市星星化學(xué)建材有限公司聚羧酸泵送劑及廣西御龍新型材料有限公司SY-K纖維抗裂膨脹劑，聚羧酸泵送劑坍落度增加值120mm，抗壓強(qiáng)度比3d為108%，28d為105%；SY-K纖維抗裂膨脹劑坍落度增加值130mm，抗壓強(qiáng)度比3d為107%，28d為103%。

3.2 摻合料的分析確定

大體積混凝土的配比設(shè)計(jì)中，摻合料的摻加主要是為了減少水泥的用量，從而減少水化熱。由此選擇活性較高且合理配比，將在混凝土強(qiáng)度不變的情況下大幅減少水泥使用量。

粉煤灰水化反應(yīng)速度相較水泥而言較慢，且粉煤灰水化后產(chǎn)物可作為水泥水化后空隙填充物，兩者相互填充，形成較好的微觀級配，提高混凝土密實(shí)度，從而提高混凝土抗?jié)B性[2]。但粉煤灰最大摻量只有25%左右，單靠粉煤灰解決超大體積混凝土水化熱過高問題就顯得力不從心，而礦粉對混凝土和易性改善效果不明顯，因此摻合料選擇增加SY-K纖維抗裂膨脹劑。

通過多次配合比試驗(yàn)，這兩種原材在18：5的情況下較為合適，同時(shí)摻量范圍在25%—45%和易性較好，且對60d強(qiáng)度基本無影響。

3.3 配合比分析確定

配合比的優(yōu)化是確保混凝土工程質(zhì)量的關(guān)鍵。優(yōu)化配合比可以提高混凝土的強(qiáng)度、耐久性和穩(wěn)定性，同時(shí)減少混凝土開裂、龜裂、滲水等問題的發(fā)生。針對大體積混凝土材料的特點(diǎn)，應(yīng)該注重控制水灰比、砂率、骨料粒徑及其配合等因素，并結(jié)合任務(wù)要求和現(xiàn)場實(shí)際靈活調(diào)整，以保證所得到的混凝土配合比能夠滿足工程要求。本研究中混凝土采用60d強(qiáng)度作為指標(biāo)，為避免產(chǎn)生溫度裂縫，在保證混凝土強(qiáng)度基礎(chǔ)上以減少水化熱及延緩放熱峰為解決問題關(guān)鍵。這是混凝土配合比確定的技術(shù)難點(diǎn)。施工前結(jié)合現(xiàn)場施工條件，計(jì)算混凝土絕熱溫升。

根據(jù)本工程特點(diǎn)確定配合比如表2。

表2 混凝土配合比

混凝土絕熱溫升(Th)

其中：Th——混凝土的最終絕熱溫升，℃；

W——單方混凝土中水泥用量，kg／m3；

Q——水泥水化熱量，kJ／kg；

C——混凝土水化熱，0.95kJ／(kg·K)；

ρ——混凝土的密度2403.3kg／m3。

混凝土內(nèi)部的實(shí)際最高溫度(Tmax)：

其中：Tmax——各齡期混凝土內(nèi)部實(shí)際最高溫度℃(計(jì)算為第7d天的值)；

Tj——混凝土的澆筑溫度(15℃)；

ξ——系數(shù)。

混凝土結(jié)構(gòu)物表面計(jì)算溫度(Tb)：

其中：Tb——齡期為t時(shí)，混凝土的表面溫度℃；

Tq——齡期為t時(shí)，大氣平均溫度℃；

H——混凝土的計(jì)算厚度，m，H=h+2h′；

h——混凝土的實(shí)際厚度，in；

h′——混凝土的虛厚度，h′=Kλ/β；

△T——齡期為t時(shí)，混凝土內(nèi)部實(shí)際最高溫度和外界氣溫之差；

K——計(jì)算折減系數(shù)，取0.66；

λ——混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，取2.41 W／(m·K)。

β=1／(∑δi／λi+1/βq)

其中：β——混凝土表面覆蓋層的導(dǎo)熱系數(shù)w／(m2·K)；

δi——各種保溫材料的厚度，m；

λi——各種保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

βq——空氣的傳熱系數(shù)23 W／(m2·k)

本工程采用棉被覆蓋保溫(δ棉被=0.05，λ棉被=0.06)。

混凝土內(nèi)外溫差：54.39-30.33=24.06(℃)

混凝土表面與大氣溫差：30.33-2=28.33(℃)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出，混凝土中心最高溫度與表面的溫差為24.06℃，小于規(guī)范允許最大溫差25℃。由此可見采用該配合比的水泥用量，結(jié)合現(xiàn)場施工保溫隔熱措施可以滿足工程要求。

4 施工過程中控制

4.1 原材的控制

由于屬于冬季施工，查詢當(dāng)?shù)赝隁夂颍瑲鉁卦?℃左右，砂石料可不進(jìn)行加熱處理。嚴(yán)格控制摻合料的用量，確保攪拌機(jī)攪拌時(shí)間充足，保證外加劑完全反應(yīng)，出機(jī)坍落度控制在200±20mm，入模溫度控制在15℃以內(nèi)。

4.2 澆筑過程控制

現(xiàn)場混凝土澆筑采用一臺(tái)天泵加一臺(tái)地泵配合澆筑，泵送能力150m3/h，混凝土罐車18輛，運(yùn)輸能力200m3/h，整個(gè)澆筑過程60h完成。采用斜面分層，由中心向四周澆筑，6.7m厚筏板處采用漏斗式溜槽配合澆筑，每層厚度控制在0.5m左右，分13層澆筑完成。

4.3 布置冷凝管冷卻降溫

利用物理原理，水的比熱容較大，對混凝土內(nèi)部物理直接降溫[3]。其主要作用為降低混凝土絕熱溫升及混凝土內(nèi)部溫度。沿厚度方向布置間隔1.5m共四層，每層管間距2m，距混凝土邊緣2m鋼性冷凝管。在供水口前布置兩個(gè)抽水泵，控制水流速在0.8m/s-1m/s。準(zhǔn)備兩個(gè)測溫儀器，每兩小時(shí)測一次溫度，并與混凝土溫度進(jìn)行對比，保證入水溫度與混凝土中心溫度不超過25℃。

4.4 混凝土的保溫養(yǎng)護(hù)

合適的養(yǎng)護(hù)條件對防止大體積混凝土裂縫有著很重要的作用。對大體積混凝土的養(yǎng)護(hù)應(yīng)首先考慮保濕養(yǎng)護(hù)，其次保溫。保溫的作用為：（1）減少混凝土表面的熱擴(kuò)散，使混凝土溫度梯度的變化趨于平緩，防止混凝土產(chǎn)生裂縫；（2）延緩混凝土散熱時(shí)間，充分發(fā)揮混凝土的強(qiáng)度潛力和材料的松弛特性，使混凝土表里溫差對混凝土產(chǎn)生的拉應(yīng)力小于混凝土的抗拉強(qiáng)度，防止產(chǎn)生貫穿性裂縫。保濕養(yǎng)護(hù)的作用為：（1）防止混凝土表面脫水產(chǎn)生干縮裂縫；（2）保證足量的水分使水泥完成水化反應(yīng)，盡快提高混凝土抗拉強(qiáng)度，提高抗裂能力。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，需采用5cm厚棉被進(jìn)行保溫?？紤]到天氣情況，需采取“塑料薄膜+棉被+彩條布”覆蓋進(jìn)行保濕保溫。塑料薄膜隔絕混凝土表面的蒸發(fā)水分浸入棉被，彩條布隔絕雨水及夜間露水浸入棉被。

5 溫度測量及分析

大體積混凝土溫度的計(jì)算屬于經(jīng)驗(yàn)值和估算值，最終需根據(jù)實(shí)際測量的混凝土內(nèi)外溫度、大氣溫度來分析驗(yàn)證方案的可行性，并根據(jù)相應(yīng)數(shù)值來對保溫及冷卻降溫措施進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

5.1 測溫點(diǎn)布置

在筏板平面上，選擇13個(gè)具有代表性的位置，沿垂直方向間隔50cm布置熱電偶。共設(shè)置124個(gè)測溫點(diǎn)?；炷脸跄?4h開始測溫，每2h測一次溫，14天后每12h測一次溫。

5.2 測溫結(jié)果分析

由圖1，圖2可知，混凝土中心最高溫度為58.7℃，比計(jì)算值高4.3℃，出現(xiàn)在澆筑后第六天，混凝土表里溫差19.7℃，比計(jì)算值低了4.36℃?；炷僚c大氣溫差37℃，高于計(jì)算值8.67℃。整體分析和計(jì)算值偏差不大，說明溫控措施合理有效。

圖1 表面溫度-大氣溫度曲線圖

圖2 A1筏板測溫曲線圖

11月昭通氣溫較低，且伴隨小雨，混凝土保溫層及隔水層需至混凝土表面與大氣溫度溫差在12℃以下方可拆除?？梢姡h(huán)境溫度對大體積混凝土的溫度升高產(chǎn)生的影響是不可忽視的。因此在混凝土制造和應(yīng)用過程中，需要采取有效的措施來控制混凝土的溫度升高，以確?；炷恋馁|(zhì)量和性能得到有效的保障。

6 結(jié)語

目前該筏板基礎(chǔ)已施工完畢。28d、60d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及同條件養(yǎng)護(hù)試塊強(qiáng)度完全合格。通過上述措施，此大體積混凝土溫控滿足相關(guān)規(guī)范要求，混凝土未產(chǎn)生基礎(chǔ)裂縫，裂縫控制基本成功。在本次工程中采取以下幾點(diǎn)措施有助于同類工程施工借鑒：

1）選用較優(yōu)質(zhì)的摻料，最大限度降低水泥用量，從而降低混凝土的最高絕熱溫升?？啥喾N摻合料合理配合，選擇最優(yōu)比例，產(chǎn)生多重疊加效果，改善混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度，可提高混凝土后期強(qiáng)度。

2）在混凝土中設(shè)置冷卻管，物理性減少混凝土熱量，降低混凝土的中心溫度。

3）在不可控的天氣因素方面，混凝土表面做保溫層、保濕層及防潮層，防止因混凝土表面溫度與大氣溫度溫差過大造成混凝土裂縫產(chǎn)生。保溫層厚度根據(jù)當(dāng)?shù)靥鞖馇闆r適當(dāng)覆蓋。