大体积混凝土温控研究及施工技术

李守碧 石 振 罗云彬 范英丽

中国建筑第五工程局有限公司 湖南 长沙 410000

随着近年来建筑物设计高度增加，混凝土结构面增大，设计强度较高，混凝土中水泥用量较多。在大体积混凝土施工过程中，因水泥水化放热，混凝土内部温度大幅度上升。在冬季施工情况下，混凝土表里温差不断增大，达到一定程度，温度应力会大于混凝土强度未达抗拉强度，导致混凝土产生温度裂缝，对混凝土结构耐久性具有重大危害。本文结合基础施工实例，对大体积混凝土温控及施工措施进行研究并应用。

1 工程概况

本项目位于云南省昭通市昭阳区迎宾大道与昭麻二级公路交叉口，办公塔楼总高度168.8m，为昭通市地标建筑。筏板厚度分别为3m、6.7m。计划浇筑方量9000m³，并进行连续浇筑。该筏板施工属于关键工序，并在冬季施工。

办公塔楼地基基础形式为桩基础、筏板基础，筏板面积2129㎡，筏板厚度3000mm～6700mm，框架剪力墙结构，框架梁最大跨度18m。

本工程办公塔楼筏板属超长结构，混凝土强度等级为C35，抗渗等级为 P8，采用混凝土60d强度作为指标[1]。设计要求均添加SY-K纤维抗裂膨胀剂。

2 大体积混凝土的温升原因

2.1 水泥水化反应释放的热量

大体积混凝土的温升主要是由水泥水化反应释放的热量造成的。水泥水化反应是混凝土硬化的重要过程，它是由水泥颗粒与水分子在一定程度下结合成为水泥胶体的过程。在过程中，水泥发生化学变化，放出大量的热量，使混凝土升温。混凝土的温度升高会引起许多问题，如降低混凝土的强度、导致混凝土开裂、影响混凝土的耐久性等。当混凝土的体积较大时，水泥的用量也就更多，因此水泥水化反应也就更加剧烈，混凝土的温度也会更高。

2.2 环境温度的影响

环境温度也会对大体积混凝土的温升产生一定的影响。其制作和硬化的过程都是需要注意温度的。通常来说，混凝土的制造都需要在一定的温度范围内进行，以确保混凝土的质量和性能能够得到有效的保障。在制造过程中，如果出现了温度太高或温度太低的问题，都会直接影响混凝土的强度和耐久性。因此在混凝土制造过程中，需要进行温度控制以确保混凝土的稳定性。在夏季高温季节中，环境温度比较高，大体积混凝土在硬化过程中会受到环境的影响，加速了混凝土的温度升高。这也是为什么在夏季高温时期，很多混凝土施工都需要在夜间或清晨进行的原因之一。

3 材料的选用及配合比的优化

选用合适的混凝土材料是保证混凝土强度和耐久性的关键。大量的研究表明，当混凝土的强度等级已定时，选用高性能混凝土的其强度和耐久性都比传统混凝土更好。

3.1 原材的选用

水泥：选用贵州六盘水豪龙水泥有限公司生产P·O 42.5水泥，水泥的复试检测结果如下表1。

表1 水泥复试检测结果

粉煤灰：选用贵州时代新材环保科技有限公司Ⅱ级粉煤灰，细度：0.045mm方孔筛筛余22.0%，烧失量6.5%，需水量比99%。

砂：选用国洋砂石厂机制中粗砂，细度模数3.0，颗粒级配区属Ⅱ级，含泥量0.2%，泥块含量0.3%。

碎石：选用国洋砂石厂碎石，最大粒径31.5mm，采用连续级配；含泥量0.2%，泥块含量0.2%，针、片状含量2.0%。

外加剂：选用四川省自贡市星星化学建材有限公司聚羧酸泵送剂及广西御龙新型材料有限公司SY-K纤维抗裂膨胀剂，聚羧酸泵送剂坍落度增加值120mm，抗压强度比3d为108%，28d为105%；SY-K纤维抗裂膨胀剂坍落度增加值130mm，抗压强度比3d为107%，28d为103%。

3.2 掺合料的分析确定

大体积混凝土的配比设计中，掺合料的掺加主要是为了减少水泥的用量，从而减少水化热。由此选择活性较高且合理配比，将在混凝土强度不变的情况下大幅减少水泥使用量。

粉煤灰水化反应速度相较水泥而言较慢，且粉煤灰水化后产物可作为水泥水化后空隙填充物，两者相互填充，形成较好的微观级配，提高混凝土密实度，从而提高混凝土抗渗性[2]。但粉煤灰最大掺量只有25%左右，单靠粉煤灰解决超大体积混凝土水化热过高问题就显得力不从心，而矿粉对混凝土和易性改善效果不明显，因此掺合料选择增加SY-K纤维抗裂膨胀剂。

通过多次配合比试验，这两种原材在18：5的情况下较为合适，同时掺量范围在25%—45%和易性较好，且对60d强度基本无影响。

3.3 配合比分析确定

配合比的优化是确保混凝土工程质量的关键。优化配合比可以提高混凝土的强度、耐久性和稳定性，同时减少混凝土开裂、龟裂、渗水等问题的发生。针对大体积混凝土材料的特点，应该注重控制水灰比、砂率、骨料粒径及其配合等因素，并结合任务要求和现场实际灵活调整，以保证所得到的混凝土配合比能够满足工程要求。本研究中混凝土采用60d强度作为指标，为避免产生温度裂缝，在保证混凝土强度基础上以减少水化热及延缓放热峰为解决问题关键。这是混凝土配合比确定的技术难点。施工前结合现场施工条件，计算混凝土绝热温升。

根据本工程特点确定配合比如表2。

表2 混凝土配合比

混凝土绝热温升(Th)

其中：Th——混凝土的最终绝热温升，℃；

W——单方混凝土中水泥用量，kg／m3；

Q——水泥水化热量，kJ／kg；

C——混凝土水化热，0.95kJ／(kg·K)；

ρ——混凝土的密度2403.3kg／m3。

混凝土内部的实际最高温度(Tmax)：

其中：Tmax——各龄期混凝土内部实际最高温度℃(计算为第7d天的值)；

Tj——混凝土的浇筑温度(15℃)；

ξ——系数。

混凝土结构物表面计算温度(Tb)：

其中：Tb——龄期为t时，混凝土的表面温度℃；

Tq——龄期为t时，大气平均温度℃；

H——混凝土的计算厚度，m，H=h+2h´；

h——混凝土的实际厚度，in；

h´——混凝土的虚厚度，h´=Kλ/β；

△T——龄期为t时，混凝土内部实际最高温度和外界气温之差；

K——计算折减系数，取0.66；

λ——混凝土的导热系数，取2.41 W／(m·K)。

β=1／(∑δi／λi+1/βq)

其中：β——混凝土表面覆盖层的导热系数w／(m2·K)；

δi——各种保温材料的厚度，m；

λi——各种保温材料的导热系数。

βq——空气的传热系数23 W／(m2·k)

本工程采用棉被覆盖保温(δ棉被=0.05，λ棉被=0.06)。

混凝土内外温差：54.39-30.33=24.06(℃)

混凝土表面与大气温差：30.33-2=28.33(℃)

根据计算结果得出，混凝土中心最高温度与表面的温差为24.06℃，小于规范允许最大温差25℃。由此可见采用该配合比的水泥用量，结合现场施工保温隔热措施可以满足工程要求。

4 施工过程中控制

4.1 原材的控制

由于属于冬季施工，查询当地往年气候，气温在5℃左右，砂石料可不进行加热处理。严格控制掺合料的用量，确保搅拌机搅拌时间充足，保证外加剂完全反应，出机坍落度控制在200±20mm，入模温度控制在15℃以内。

4.2 浇筑过程控制

现场混凝土浇筑采用一台天泵加一台地泵配合浇筑，泵送能力150m³/h，混凝土罐车18辆，运输能力200m³/h，整个浇筑过程60h完成。采用斜面分层，由中心向四周浇筑，6.7m厚筏板处采用漏斗式溜槽配合浇筑，每层厚度控制在0.5m左右，分13层浇筑完成。

4.3 布置冷凝管冷却降温

利用物理原理，水的比热容较大，对混凝土内部物理直接降温[3]。其主要作用为降低混凝土绝热温升及混凝土内部温度。沿厚度方向布置间隔1.5m共四层，每层管间距2m，距混凝土边缘2m钢性冷凝管。在供水口前布置两个抽水泵，控制水流速在0.8m/s-1m/s。准备两个测温仪器，每两小时测一次温度，并与混凝土温度进行对比，保证入水温度与混凝土中心温度不超过25℃。

4.4 混凝土的保温养护

合适的养护条件对防止大体积混凝土裂缝有着很重要的作用。对大体积混凝土的养护应首先考虑保湿养护，其次保温。保温的作用为：（1）减少混凝土表面的热扩散，使混凝土温度梯度的变化趋于平缓，防止混凝土产生裂缝；（2）延缓混凝土散热时间，充分发挥混凝土的强度潜力和材料的松弛特性，使混凝土表里温差对混凝土产生的拉应力小于混凝土的抗拉强度，防止产生贯穿性裂缝。保湿养护的作用为：（1）防止混凝土表面脱水产生干缩裂缝；（2）保证足量的水分使水泥完成水化反应，尽快提高混凝土抗拉强度，提高抗裂能力。

根据计算结果，需采用5cm厚棉被进行保温。考虑到天气情况，需采取“塑料薄膜+棉被+彩条布”覆盖进行保湿保温。塑料薄膜隔绝混凝土表面的蒸发水分浸入棉被，彩条布隔绝雨水及夜间露水浸入棉被。

5 温度测量及分析

大体积混凝土温度的计算属于经验值和估算值，最终需根据实际测量的混凝土内外温度、大气温度来分析验证方案的可行性，并根据相应数值来对保温及冷却降温措施进行适当调整。

5.1 测温点布置

在筏板平面上，选择13个具有代表性的位置，沿垂直方向间隔50cm布置热电偶。共设置124个测温点。混凝土初凝后24h开始测温，每2h测一次温，14天后每12h测一次温。

5.2 测温结果分析

由图1，图2可知，混凝土中心最高温度为58.7℃，比计算值高4.3℃，出现在浇筑后第六天，混凝土表里温差19.7℃，比计算值低了4.36℃。混凝土与大气温差37℃，高于计算值8.67℃。整体分析和计算值偏差不大，说明温控措施合理有效。

图1 表面温度-大气温度曲线图

图2 A1筏板测温曲线图

11月昭通气温较低，且伴随小雨，混凝土保温层及隔水层需至混凝土表面与大气温度温差在12℃以下方可拆除。可见，环境温度对大体积混凝土的温度升高产生的影响是不可忽视的。因此在混凝土制造和应用过程中，需要采取有效的措施来控制混凝土的温度升高，以确保混凝土的质量和性能得到有效的保障。

6 结语

目前该筏板基础已施工完毕。28d、60d标准养护及同条件养护试块强度完全合格。通过上述措施，此大体积混凝土温控满足相关规范要求，混凝土未产生基础裂缝，裂缝控制基本成功。在本次工程中采取以下几点措施有助于同类工程施工借鉴：

1）选用较优质的掺料，最大限度降低水泥用量，从而降低混凝土的最高绝热温升。可多种掺合料合理配合，选择最优比例，产生多重叠加效果，改善混凝土结构密实度，可提高混凝土后期强度。

2）在混凝土中设置冷却管，物理性减少混凝土热量，降低混凝土的中心温度。

3）在不可控的天气因素方面，混凝土表面做保温层、保湿层及防潮层，防止因混凝土表面温度与大气温度温差过大造成混凝土裂缝产生。保温层厚度根据当地天气情况适当覆盖。