大体积混凝土施工的养护措施及温度应力计算

王潇洲

(广东交通职业技术学院，广州 510650)

大体积混凝土［1］是指混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1 m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裂缝产生的混凝土。保温养护是大体积混凝土施工的关键环节。保温养护的主要目的是通过减少混凝土表面的热扩散，从而降低大体积混凝土浇筑体的里外温差值，降低混凝土浇筑体的自约束应力;另外，降低大体积混凝土浇筑体的降温速率，延长散热时间，充分发挥混凝土强度的潜力和材料的松弛特性，以提高混凝土承受外约束应力时的抗裂能力，达到防止或控制温度裂缝的目的。因此，选择一种有效的保温保湿养护方式以及采取综合的施工技术措施，是控制混凝土内表温差和混凝土内部温度应力，保证大体积混凝土结构施工质量的关键。

1 工程概况及技术措施

1.1 工程概况

广东某综合大厦的28层主体塔楼采用筏板基础，筏基底板面积为2 060 m2，板厚2.2 m，最大尺寸为58.5 m×45.5 m;筏板下设215根直径为1.0 m的挖孔短桩。混凝土为 C35，S8泵送商品混凝土，设计要求筏板沿高度一次浇筑，水平方向不设后浇带。筏板混凝土浇筑量超过4 500 m3，属于大体积混凝土结构施工。

1.2 主要技术措施

1.2.1 混凝土原材料

水泥选用525号硅酸盐Ⅱ型水泥，可提高抗硫酸盐侵蚀性能并降低放热速率。掺合料采用珠江电厂的Ⅰ级磨细粉煤灰。掺加适量UEA膨胀剂，从材料角度提高了混凝土抗裂能力。中砂的含泥量控制在2%以内，5～40 mm碎石的含泥量控制在1%以内。

1.2.2 混凝土配合比

水∶水泥∶砂∶石子∶粉煤灰∶UEA型膨胀剂∶DL-3型缓凝剂 =179∶298∶757∶1 046∶60∶40∶3.98(kg/m3)=0.601∶1.0∶2.54∶3.51∶0.201∶0.134∶0.013。

1.2.3 浇筑方法

混凝土的浇筑按混凝土自然流淌坡度、斜面分层、连续逐层推移、一次到顶的方法进行。浇筑方向沿横向(短向)进行，每次浇筑工作面不超过3 m，混凝土分4层浇筑，厚550 mm。在混凝土浇筑至高程时，用刮尺刮平多余浮浆，用铁滚筒滚压2～3遍，控制好终凝前混凝土表面的二次抹光，以防止表面龟裂。收头时间控制在1.5 h内，然后再实施保温保湿养护措施。

1.2.4 混凝土筏基测温控制

筏基底板均匀布置15个测温点，每个测温点沿垂直方向有1组4个测温数据(见图1)，包括空气温度(A)，混凝土表面温度(B)，中心温度(C)，底部温度(D)。混凝土浇筑后，温度上升阶段每2 h测温1次，持续测温3～4 d，待温度下降后，每8 h测温1次。根据事先确定的温控指标和监测数据指导养护工作。

2 筏基养护措施的温控分析

2.1 筏基的贮水蓄热养护措施

经综合分析比较，本筏基采用混凝土表面贮水蓄热保温保湿养护措施，如图2所示。较之草袋养护等其它养护方法，具有施工简单、保温材料水资源丰富等优点，明显降低了施工成本。

图1 测温断面测点布置(单位:mm)

图2 混凝土表面贮水保温保湿养护示意图(单位:mm)

在终凝后的混凝土表面用砖砌筑贮水池，分格贮水。各贮水池长3.0 m、宽2.0 m、高0.07 m，贮水高度为0.05 m。贮水的目的是利用水对混凝土进行养护和蓄热，在混凝土表面形成一道保温屏障，再在贮水池上面覆盖一层厚0.5 mm的塑料薄膜，塑料薄膜一方面防止水分蒸发和热量散失，另一方面利用贮水池水面与塑料薄膜之间架空层(约厚5 mm)的空气保温，并且隔离了外界雨水和大气温度的变化对贮水池水温的直接影响。最后养护14 d。14 d后，继续保持混凝土表面湿润。

2.2 贮水蓄热养护措施的温控分析

2.2.1 混凝土筏基中心最高温度Tmax

式中，Tj为入模温度，3月上旬取26℃;Th=WQ/(Cγ)为混凝土内部最高绝热升温值，其中，水泥用量W=298 kg/m3，525号水泥水化热Q=461 kJ/kg，混凝土比热C=0.97 kJ/(kg·℃)，混凝土密度γ=2 400 kg/m3;散热系数ξ=0.63。则Tmax=63.18℃

2.2.2 混凝土筏基表面温度Tb(t)

式中，Tq为大气环境温度，取22℃，则ΔT(t)=Tmax－Tq=41.18℃;H为计算厚度(m)，按单面暴露于空气的平板看待，H=h+h';而h'=kλ/β为混凝土虚拟厚度(m)，λ为混凝土的导热系数，取2.33 W/(m·K);折减系数K取0.67;β为保温层的放热系数［W/(m2·K)］，β值按下式计算

式中，δi为第i层保温材料厚度(m)，λi为第 i层保温材料的导热系数［W/(m·K)］，βq为空气层的传热系数，可取 23.0［W/(m2·K)］。

2.2.3 混凝土筏基温控分析及结论(表1)

表1 筏基里表温差及温控分析表

3 温度应力计算

3.1 混凝土筏基的综合降温差增量

3.1.1 各龄期混凝土的温度升降Tm(t)推算

预计筏基中心在第三天温度升到最高值(63.18℃)，推算出30 d各龄期(台阶步距为3 d)的降温曲线图，各龄期降温差的增量ΔTm(t)见图3。

图3 筏基中心降温曲线图

3.1.2 各龄期混凝土的收缩当量温差增量ΔTy(t)各龄期混凝土的收缩值由计算。式中，ε0y为混凝土最终收缩值，取为考虑各种非标准条件的修正系数，由表2求得由此，混凝土的收缩当量温差 Ty(t)=εy(t)/α =14.58(1 －e－0.01t)，混凝土的线膨胀系数α=1.0×10－5/℃。

表2 非标准条件的修正系数

则各龄期混凝土的收缩当量温差增量ΔTy(t)为

3.1.3 混凝土筏基的综合降温差增量ΔT(t)

ΔT(t)=ΔTm(t)+ΔTy(t)，可求得台阶步距为3 d的混凝土综合降温差增量(见表3)。

3.2 温度应力σx计算

式中，α =1.0 ×10－5/℃ ，泊松比 μ =0.15，各龄期混凝土弹性模量 Ei(t)=βE0(1－e－φt)，其中 φ 为混凝土中粉煤灰掺量为20%时所对应的弹性模量调整系数，取0.99。

已知C35混凝土 E0=3.15×104MPa，求得各龄期混凝土弹性模量;Hi(t)为各龄期混凝土应力松弛系数，可查有关文献［2-3］(见表 3)。

3.2.1 混凝土外约束的约束系数Ri(t)

式中，地基水平阻力系数 Cx取 8.5×10－2N/mm3，筏基厚 H=2 200 mm，筏基最大长度尺寸 L=58 500 mm，得各龄期混凝土的约束系数Ri(t)(见表3)。

3.2.2 混凝土温度应力计算(表3)

总降温产生的最大拉应力σxmax为

3.2.3 混凝土筏基防裂性能判断

混凝土控制温度裂缝的条件为

C35混凝土的抗拉强度标准值 ftk=2.20 MPa，掺20%粉煤灰的强度影响系数λ'=1.03;其实际抗裂安全系数 K=1.03×2.20/1.264=1.79＞［K］=1.15。满足“混凝土一次整体浇筑，不留置后浇带”的抗裂设计要求。

本筏基采用的表面贮水蓄热保温保湿养护措施，同样也延缓了混凝土内部的降温速率，有利于控制混凝土内部的收缩裂缝。所以，降温和收缩引起的温度应力得到了有效控制。

4 结语

本文阐述了大体积混凝土筏基在施工方案阶段应做的试算分析工作。对大体积混凝土筏基在浇筑前进行温度、温度应力的验算分析，其目的是为了确定温控指标及制订温控施工的技术措施，以防止或控制有害裂缝的发生，确保大体积混凝土筏基的施工质量。

本筏基施工及养护期间的测温记录显示，混凝土中心最高温度达到62.5℃，内表最大温差为20.2℃，与计算值基本符合。本筏基采用的混凝土表面贮水蓄热保温保湿养护措施，不仅有效地控制了混凝土内表温差始终在规定允许值范围内，而且延缓了混凝土内部的降温速率，有利于控制混凝土内部的收缩裂缝，是保证大体积混凝土筏基施工质量的关键性施工措施。

［1］中华人民共和国建设部．GB50496—2009 大体积混凝土施工规范［S］．北京:中国计划出版社，2009.

［2］王铁梦．工程结构裂缝控制［M］．北京:中国建筑工业出版社，1997.

［3］齐有军．大体积混凝土结构裂缝控制探讨［J］．铁道建筑，2006(3):97-98．

［4］朱伯芳．大体积混凝土温度应力与温度控制［M］．北京:中国电力出版社，1999.

［5］吴叶莹．大体积混凝土施工期温度裂缝计算分析［J］．铁道建筑，2007(9):105-107．

［6］中华人民共和国建设部．GB50204—2002 混凝土结构工程施工及验收规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2002.