大體積混凝土溫控研究及施工技術

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計高度增加，混凝土結構面增大，設計強度較高，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，達到一定程度，溫度應力會大于混凝土強度未達抗拉強度，導致混凝土產生溫度裂縫，對混凝土結構耐久性具有重大危害。本文結合基礎施工實例，對大體積混凝土溫控及施工措施進行研究并應用。

1 工程概況

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

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

本工程辦公塔樓筏板屬超長結構，混凝土強度等級為C35，抗滲等級為 P8，采用混凝土60d強度作為指標[1]。設計要求均添加SY-K纖維抗裂膨脹劑。

2 大體積混凝土的溫升原因

2.1 水泥水化反應釋放的熱量

大體積混凝土的溫升主要是由水泥水化反應釋放的熱量造成的。水泥水化反應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合成為水泥膠體的過程。在過程中，水泥發生化學變化，放出大量的熱量，使混凝土升溫。混凝土的溫度升高會引起許多問題，如降低混凝土的強度、導致混凝土開裂、影響混凝土的耐久性等。當混凝土的體積較大時，水泥的用量也就更多，因此水泥水化反應也就更加劇烈，混凝土的溫度也會更高。

2.2 環境溫度的影響

環境溫度也會對大體積混凝土的溫升產生一定的影響。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進行，以確保混凝土的質量和性能能夠得到有效的保障。在制造過程中，如果出現了溫度太高或溫度太低的問題，都會直接影響混凝土的強度和耐久性。因此在混凝土制造過程中，需要進行溫度控制以確保混凝土的穩定性。在夏季高溫季節中，環境溫度比較高，大體積混凝土在硬化過程中會受到環境的影響，加速了混凝土的溫度升高。這也是為什么在夏季高溫時期，很多混凝土施工都需要在夜間或清晨進行的原因之一。

3 材料的選用及配合比的優化

選用合適的混凝土材料是保證混凝土強度和耐久性的關鍵。大量的研究表明，當混凝土的強度等級已定時，選用高性能混凝土的其強度和耐久性都比傳統混凝土更好。

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P·O 42.5水泥，水泥的復試檢測結果如下表1。

表1 水泥復試檢測結果

粉煤灰：選用貴州時代新材環保科技有限公司Ⅱ級粉煤灰，細度：0.045mm方孔篩篩余22.0%，燒失量6.5%，需水量比99%。

砂：選用國洋砂石廠機制中粗砂，細度模數3.0，顆粒級配區屬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計中，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，將在混凝土強度不變的情況下大幅減少水泥使用量。

粉煤灰水化反應速度相較水泥而言較慢，且粉煤灰水化后產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，提高混凝土密實度，從而提高混凝土抗滲性[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，這兩種原材在18：5的情況下較為合適，同時摻量范圍在25%—45%和易性較好，且對60d強度基本無影響。

3.3 配合比分析確定

配合比的優化是確保混凝土工程質量的關鍵。優化配合比可以提高混凝土的強度、耐久性和穩定性，同時減少混凝土開裂、龜裂、滲水等問題的發生。針對大體積混凝土材料的特點，應該注重控制水灰比、砂率、骨料粒徑及其配合等因素，并結合任務要求和現場實際靈活調整，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強度作為指標，為避免產生溫度裂縫，在保證混凝土強度基礎上以減少水化熱及延緩放熱峰為解決問題關鍵。這是混凝土配合比確定的技術難點。施工前結合現場施工條件，計算混凝土絕熱溫升。

根據本工程特點確定配合比如表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。

混凝土內部的實際最高溫度(Tmax)：

其中：Tmax——各齡期混凝土內部實際最高溫度℃(計算為第7d天的值)；

Tj——混凝土的澆筑溫度(15℃)；

ξ——系數。

混凝土結構物表面計算溫度(Tb)：

其中：Tb——齡期為t時，混凝土的表面溫度℃；

Tq——齡期為t時，大氣平均溫度℃；

H——混凝土的計算厚度，m，H=h+2h′；

h——混凝土的實際厚度，in；

h′——混凝土的虛厚度，h′=Kλ/β；

△T——齡期為t時，混凝土內部實際最高溫度和外界氣溫之差；

K——計算折減系數，取0.66；

λ——混凝土的導熱系數，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熱系數w／(m2·K)；

δi——各種保溫材料的厚度，m；

λi——各種保溫材料的導熱系數。

βq——空氣的傳熱系數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(℃)

根據計算結果得出，混凝土中心最高溫度與表面的溫差為24.06℃，小于規范允許最大溫差25℃。由此可見采用該配合比的水泥用量，結合現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，查詢當地往年氣候，氣溫在5℃左右，砂石料可不進行加熱處理。嚴格控制摻合料的用量，確保攪拌機攪拌時間充足，保證外加劑完全反應，出機坍落度控制在200±20mm，入模溫度控制在15℃以內。

4.2 澆筑過程控制

現場混凝土澆筑采用一臺天泵加一臺地泵配合澆筑，泵送能力150m3/h，混凝土罐車18輛，運輸能力200m3/h，整個澆筑過程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抽水泵，控制水流速在0.8m/s-1m/s。準備兩個測溫儀器，每兩小時測一次溫度，并與混凝土溫度進行對比，保證入水溫度與混凝土中心溫度不超過25℃。

4.4 混凝土的保溫養護

合適的養護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護應首先考慮保濕養護，其次保溫。保溫的作用為：（1）減少混凝土表面的熱擴散，使混凝土溫度梯度的變化趨于平緩，防止混凝土產生裂縫；（2）延緩混凝土散熱時間，充分發揮混凝土的強度潛力和材料的松弛特性，使混凝土表里溫差對混凝土產生的拉應力小于混凝土的抗拉強度，防止產生貫穿性裂縫。保濕養護的作用為：（1）防止混凝土表面脫水產生干縮裂縫；（2）保證足量的水分使水泥完成水化反應，盡快提高混凝土抗拉強度，提高抗裂能力。

根據計算結果，需采用5cm厚棉被進行保溫。考慮到天氣情況，需采取“塑料薄膜+棉被+彩條布”覆蓋進行保濕保溫。塑料薄膜隔絕混凝土表面的蒸發水分浸入棉被，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算屬于經驗值和估算值，最終需根據實際測量的混凝土內外溫度、大氣溫度來分析驗證方案的可行性，并根據相應數值來對保溫及冷卻降溫措施進行適當調整。

5.1 測溫點布置

在筏板平面上，選擇13個具有代表性的位置，沿垂直方向間隔50cm布置熱電偶。共設置124個測溫點。混凝土初凝后24h開始測溫，每2h測一次溫，14天后每12h測一次溫。

5.2 測溫結果分析

由圖1，圖2可知，混凝土中心最高溫度為58.7℃，比計算值高4.3℃，出現在澆筑后第六天，混凝土表里溫差19.7℃，比計算值低了4.36℃。混凝土與大氣溫差37℃，高于計算值8.67℃。整體分析和計算值偏差不大，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。可見，環境溫度對大體積混凝土的溫度升高產生的影響是不可忽視的。因此在混凝土制造和應用過程中，需要采取有效的措施來控制混凝土的溫度升高，以確保混凝土的質量和性能得到有效的保障。

6 結語

目前該筏板基礎已施工完畢。28d、60d標準養護及同條件養護試塊強度完全合格。通過上述措施，此大體積混凝土溫控滿足相關規范要求，混凝土未產生基礎裂縫，裂縫控制基本成功。在本次工程中采取以下幾點措施有助于同類工程施工借鑒：

1）選用較優質的摻料，最大限度降低水泥用量，從而降低混凝土的最高絕熱溫升。可多種摻合料合理配合，選擇最優比例，產生多重疊加效果，改善混凝土結構密實度，可提高混凝土后期強度。

2）在混凝土中設置冷卻管，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生。保溫層厚度根據當地天氣情況適當覆蓋。