大体积混凝土施工温升控制研究

贺永良

（中铁十八局集团第四工程有限公司，天津市 300350）

1 引言

随着不断增大的建筑规模，大体积混凝土逐渐得到广泛应用。但随之大体积混凝土的温升问题逐渐突出［1］。从现有事故可以看出，若无法采取有效措施在施工阶段控制住混凝土温升，会使得建筑在运营前就会有温度裂缝大量出现，存在较大的安全隐患。因此，在确保施工质量的前提下，应首先考虑混凝土的裂缝控制。当前，国内关于大体积混凝土温升控制的研究尚较为滞后，不具备完善的规范要求。实际项目若有裂缝出现往往都是通过工程经验进行解决，没有理论依据可以作出有效地指导［2］，因此，还需进一步深入对大体积混凝土温升控制的研究。

2 有限元分析

从现有研究可以知道，通过混凝土的分层浇筑使各层温升和峰值有所降低是控制大体积混凝土温升的关键所在。因此在优化施工方案时可以从以下两个角度进行探讨：将高效缓凝减水剂掺入混凝土进行拌和，确保混凝土有8h-10h的初凝时间［3］，提高初凝时间以使分层浇筑的混凝土时间间隔有所延长；在施工条件允许时，使所浇筑的混凝土分层数目尽可能增加，一般情况下各层混凝土的厚度应在0.5m以下。

基于方案的控制思想，分层浇筑混凝土。确保各层混凝土的厚度控制在0.5m，以五层以上划分2.5m厚度的混凝土基础底板，分别模拟五、六和七层浇筑时的工况。基于混凝土应具有8-10h的初凝时间的考虑，以8h和10h的时间间隔浇筑两层混凝土［4］。

以数值模拟的方式对各施工方案进行分析，不同方案重点在于不同浇筑层数和时间间隔产生的混凝土核心处温度升高值、温度降低速率、混凝土核心处的温度和表面温度的差值、混凝土表面温度和大气温度差值的变化趋势有所不同，对不同点进行分析为混凝土浇筑时各浇筑层数和时间间隔的取值提供参考［5］。所建立模型尺寸为30×25×2.5m，具体如下图1所示。在进行大体积混凝土结构施工温升条件下的变化时，本文采用的是Loland损伤模型。

图1 有限元模型

2.1 方案一

对各层混凝土浇筑完之后的局部纵剖面温度变化情况进行分析，结果如下图2所示。限于篇幅，仅列出部分数据。

图2 混凝土局部纵剖面图

从结果可知，随着不断增加的浇筑时间间隔，各层温度峰值均相应出现增长，原因在于水泥水化初期有最为剧烈的放热，各层浇筑间隔增长之后，水泥水化可以更加充分的开展，因此表现为各层温度峰值有所增加。虽然各个温度峰值有所增长，但因为其上表面有较长时间暴露于空气之中，散失了更多的热量，因此相比之下上表面温度几乎没有变化。

提取随着时间变化混凝土温度的变化情况，具体如下图3所示。因假定水平方向没有出现热传递，故除去边缘位置，其他部位有和中心点一样的温度。

图3 方案一 各层中心点温度变化曲线

对比混凝土在未采取控制措施之前的温度上升情况可知，方案一中各层混凝土的温度有所下降，中心（第三层）温度更有1.5℃的峰值下降。分析其原因可知：混凝土表面在浇筑的间隔时间内直接接触大气，大气直接吸收混凝土水泥水化热反应所产生的水化热，导致其热量出现损失，使得中下部热量散热历程有所缩短，避免了混凝土内部积蓄热量。

2.2 其他方案组

方案二模拟分析结果如下图4所示。因混凝土浇筑体在不同时间段的温度场有和方案一基本一致的变化情况，因此将不再列出数据图，而直接给出分析结果。

图4 方案二 混凝土各层的温度变化情况

从结果可以看出，按照五层划分混凝土的分层浇筑层数且以10h作为浇筑时间间隔时，各层温度峰值约有3.5℃的下降，且各层温度峰值在越长的时间间隔里越低，越晚出现峰值。

在方案三和方案四中，均是将混凝土分成六层进行浇筑，方案三有8h的浇筑时间间隔，方案4有10h的浇筑时间间隔。从方案三的模拟结果可以看出，因增加了浇筑层数而降低了浇筑高度，导致各层混凝土的浇筑高度有所减小，所需的混凝土量也相应降低，因此水泥水化反应中释放的热量也有所降低，相比于方案一，方案三在完工后的温度峰值较小。

将方案三和方案四与前面两组方案进行对比可知，各层温度峰值在浇筑间隔时间相同的情况下有所减小，且出现时间较晚。因混凝土分层数有所增加，导致浇筑时间间隔增加后有更加明显的效果，在完成浇筑的三天之后才有温度峰值出现，中心层的温度峰值约有4℃及以上的降低。

在取得所有方案的温度变化情况之后，即可对浇筑层数不同时，在浇筑时间间隔一致条件下的数据进行对比。可知，顶层和底层温度峰值在六层的浇筑层数下约有1.8℃的减少，在七层时约有4.1℃的减小，而在中心层施工时的温度峰值减小较少。原因在于每层浇筑高度随着不断增加的层数而不断降低，所需混凝土有所降低，水泥水化反应时产生的水化热也就随之减少，温度峰值减小，但中心层和环境的热交换有着最低的频率，在完成混凝土的浇筑之后仍然有大量水化热产生，而该部分水化热难以散失。

对比浇筑层数和时间间隔均不同的情况可知，各层温度峰值在分层进行浇筑之后有显著减小，且出现的时间也较晚。方案六有最为明显的温度峰值降低幅度，约在8.5℃以上，且满足大体积混凝土温度升高的有关规范要求。

基于工程经验可以知道，在浇筑完成大体积混凝土之后即使不对其进行覆盖，也必须通过喷水养护的方式处理其表面，避免表面出现过度的水分蒸发，从而有脱水现象出现。若水泥颗粒已经有凝胶体形成，则其需要有大量的水分补充以持续开展水泥水化反应。此时混凝土表面缺水而导致其无法继续开展水化反应，无法提升水泥颗粒的黏结力，因此混凝土出现大量的表面脱落。此外，在刚完成混凝土的浇筑施工时，混凝土强度还未发展充分，过多的水分散失将导致其提前出现温度裂缝问题。

综上分析，在浇筑大体积混凝土时，越长的浇筑间隔和越多的施工层数下，混凝土就有越低的温升；在完成浇筑后应通过喷水的方式进行养护，以使温度峰值和混凝土与外界的温度差均有所降低，避免出现温度裂缝，因此在完成大体积混凝土的浇筑之后需及时开展喷水养护。若现场条件允许，则可采用增加浇筑时间间隔以及施工层数的方式使温升有所降低，以使混凝土内外表面的温度差有所降低，确保施工的良好效果。

3 温升控制方案在工程中的实施

3.1 测试方案

以某大体积混凝土的浇筑施工为研究背景，该施工场地白天约有19℃的最高气温，夜间约有8℃的最低气温。从现场温度环境上看，该大体积混凝土的浇筑温度与上文模拟的温度较为接近，但模拟分析时的取值较低。在施工方案制定时，依据与前文的模拟结果，基于现场条件作出调整。

在绑扎完基础底板的钢筋之后，为有效了解混凝土在浇筑后的温升性能，将测温点以梅花形设置到各个区块中，并在各个区块中心、四角位置设置温度传感器，其余位置则进行均匀布置。各个测温点保持在20m以下的水平间距，且各测点中均布置三个传感器。顶板和底板位置所设置的测温器均与上下面有100mm的距离，在阀板厚度中心位置设置中间传感器，对称布置测温器的方式可有效确保数据的合理性。具体如下图5所示。

图5 测温传感器纵向布置示意图

在混凝土浇筑时，要避免测点在振捣过程中被破坏。该项目在浇筑混凝土施工时以分区块进行，各区块的混凝土均分成五层进行浇筑，在下层混凝土完成初凝之前即可进行第二层混凝土的浇筑，各层混凝土需进行6h的施工，各区块约有34h的施工时间。基础混凝土全部施工完需要约12天的时间。

浇筑完各区块后，应及时开展养护，将有着良好吸水性的毛毡覆盖到其表面，并确保毛毡长时间保持潮湿。以一小时为间隔进行温度测量，并进行记录。将数值模拟结果和温度计测试结果进行对比，以对模拟的正确性进行验证。

通过移动式测温仪对温度传感器的温度信息进行测量。测温时间一般应保持在7d及以上。

3.2 方案评价

图6 各层中心点温度变化情况

从结果上看，中心层有约55℃的最高温度，且其和表面层的温度差约为18℃，与大气温差约为22℃，但混凝土上表面没有直接接触大气，上表面覆盖层有较高的下部温度，其与混凝土上面层的温度差有效的控制在允许范围内，不会因为较快的表面散热而有收缩等情况出现。

通过现场实测得到测点温度之后，将其和模拟结果进行对比，若有异常时及时作出反馈，并对原因进行分析以开展治理措施。若相比于模拟温度，表面温度较低时，应避免出现上覆盖层没有有效覆盖而出现较快的散热，导致表面有过快的降温情况，此时应适当地降低混凝土表面和核心位置的温度差；若混凝土表面有过高的温度，应进行降温；若混凝土核心区出现较低的温度，则原因可能在于模型中的模拟条件和现场的施工条件出现偏差，虽然不会对结构造成太大的影响，但仍需对原因进行检查；若中心出现过高的温度，应及时对配合比进行调整或变化外加剂种类以及数量。对比实测温度和模拟温度，所得结果如下表1所示。限于篇幅，本文仅列出部分数据。

表1 中心上层测点数据对比

对比结果可知：

（1）现场测试温度有56.6℃的最大温度，有9.1℃的内外温差最大值，整体上浇筑降温速率在2℃/d以下，说明大体积混凝土的温升被其基础上表面保温层有效控制住，使混凝土基础内外温度差有所减小，有效避免温度裂缝的出现。因存在保温层，使得基础上表面散热有所降低，温度峰值出现在基础上层，且在完工后的1天到2天左右出现。因基础底面直接接触地基，因此温度变化较小。该种情况与上文模拟结果基本一致。

（2）从分析结果的相对误差中可以看出，相对误差在5%以上的仅有两组数据，表明有着较为成功的仿真结果。在刚完成浇筑时有较大的数据误差，原因在于混凝土在实际上的水泥水化放热与公式计算存在一定的差异，理论难以完全与水泥水化放热情况相吻合，仅可反映放热的峰值与整体上的变化情况。施工方案和仿真模型有一定差异。实际施工时，使用的是一次性浇捣的方式施工大体积混凝土，在一定的坡度下分层进行浇筑，并一次浇筑完工。该种浇筑方式能够有效避免混凝土的水化热，使水化热高峰有所减小，散热更快。但在仿真分析时，采用的是平层浇筑的方式对分层浇筑进行模拟，没有坡度形成，使得出现温度峰值的时间有一定偏差。气温在混凝土浇筑时是处于时刻改变的，沿海路段在秋季时有较大的昼夜温差以及较大的湿度，不同的温度条件下有不同的混凝土基础散热情况，但模型中的大气温度是保持不变的，在该种情况下就会有误差出现。现场混凝土搅拌时会有一定的质量损失，导致其和模型中所设定的配合比有所区别，此外，模型中的大气温度、测温读数等均会有一定的误差。

（3）对比模拟结果和实测值可以发现，不同测点有基本一致的温度变化情况，即均为先上升后下降。在模拟时虽然有误差存在，但变化规律与实际基本一致，且误差均在允许范围。说明复合式水泥水化热计算公式能够较好符合水化放热的实际情况，可在理论计算中进行应用。

4 结语

模拟分析了大体积混凝土在采取了控制措施之后的温升情况，得到大体积混凝土的温升规律，对与标准要求不符的情况进行了施工工艺和覆盖方式等方面的优化，确保大体积混凝土在施工可符合要求，为制定施工方案提供理论参考。对比实测数据和模拟结果可知，两者误差均小于5%，说明分层浇筑等方式可以有效控制混凝土的施工温升。