大體積混凝土熱工計算與實測溫度對比分析

陳飛，張學(xué)兵，張先博

（黑龍江宇輝新型建筑材料有限公司，黑龍江 哈爾濱 150025）

1 大體積混凝土熱裂縫產(chǎn)生機(jī)理

大體積混凝土結(jié)構(gòu)尺寸比較厚大，混凝土在凝結(jié)硬化過程中，水泥水化時會釋放出大量水化熱。由于混凝土是熱的不良導(dǎo)體，散熱很慢，會導(dǎo)致其在澆筑后的幾天里溫度大幅度上升，因此造成混凝土內(nèi)外溫差很大，形成溫度梯度，有時可達(dá) 30～60℃，這將使混凝土產(chǎn)生內(nèi)脹外縮。根據(jù)“熱脹冷縮”的原理，混凝土在升溫期，體積會有所膨脹，這時混凝土不會開裂。混凝土內(nèi)部溫度大約在 3 天左右達(dá)到峰值，隨后便進(jìn)入降溫階段?；炷猎诮禍仄隗w積開始收縮，然而，此時混凝土早已凝結(jié)硬化，混凝土在收縮時會受到地基、梁柱以及鋼筋骨架和變形結(jié)構(gòu)等的約束，表面將產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。當(dāng)變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過其抵抗斷裂的能力時，就會引起開裂，出現(xiàn)宏觀可見裂縫。因此，控制大體積混凝土裂縫的關(guān)鍵在于控制溫度梯度和提高混凝土早期抗拉強(qiáng)度。這就要求在原材料選擇、配合比設(shè)計、生產(chǎn)過程控制、施工工序、養(yǎng)護(hù)方案等多個環(huán)節(jié)上加以控制。

2 工程概況

哈爾濱香港衛(wèi)視東北亞總部基地項目總建筑面積約為 169600m2，由地上和地下兩部分組成。地下為負(fù)兩層，主要由車庫及設(shè)備用房與人防構(gòu)成，總建筑面積約 60594 m2；地上部分由四棟商業(yè)綜合體、兩棟公寓式住宅和一棟寫字樓構(gòu)成。其中 A 棟為主體獨(dú)立建筑，高度 107.6m，主樓大體積基礎(chǔ)由基礎(chǔ)承臺和核心筒基礎(chǔ)筏板組成，截面高度為 2000mm。該工程基礎(chǔ)采用 C40 P8 抗?jié)B混凝土。施工期在 8 月中旬，平均氣溫約 20℃。

3 混凝土配合比設(shè)計及熱工計算

3.1 原材料的選擇

根據(jù)大體積混凝土結(jié)構(gòu)的特點，所選原材料在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量要求的同時，還應(yīng)滿足以下要求：

（1）采用水化熱較低的 P·O42.5 水泥。

（2）礦物摻合料采用 S95 級礦粉和 Ⅱ 級粉煤灰。

（3）細(xì)骨料采用中砂，細(xì)度模數(shù)大于 2.3。

（4）粗骨料采用 5.0～31.5mm 連續(xù)級配的機(jī)制碎石，無堿活性。

（5）采用緩凝型泵送劑，凝結(jié)時間宜大于 24h，以使水泥緩慢水化，充分釋放水化熱。

（6）采用混凝土膨脹劑 UEA，其性能應(yīng)滿足 GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》的要求，用以補(bǔ)償混凝土的收縮。

3.2 配合比設(shè)計

配合比設(shè)計應(yīng)滿足如下要求：

（1）降低水泥摻量，增加礦物摻合料用量。

（2）混凝土坍落度宜為 (180±20)mm。

（3）拌合水用量不宜大于 170kg/m3。

（4）水膠比不宜大于 0.40。

（5）砂率宜為 38%～45%。

經(jīng)多次試配調(diào)整，最終確定混凝土配合比見表1。

表1 大體積混凝土配合比 kg/m3

3.3 混凝土熱工計算

該工程 8 月中旬施工，混凝土入模溫度約為 25℃，現(xiàn)進(jìn)行熱工計算如下：

（1）混凝土最大絕熱溫升

因膨脹劑摻量比較少，可按水泥用量近似計算。

式中：

T(t)——混凝土齡期為 t 時的絕熱溫升，℃；

W ——每立方米混凝土中膠凝材料用量，kg/m3；

Q ——膠凝材料水化熱總量，kJ/kg；

C——混凝土比熱容，可取 0.92～1.00kJ/(kg·℃)，此處取 0.93；

ρ ——混凝土的容重，kg/m3；

e ——為常數(shù)，取 2.718；

其中：

式中：

Q0——水泥水化熱總量，此處取 335kJ/kg；

k ——不同摻量摻合料水化熱調(diào)整系數(shù)。

當(dāng)采用粉煤灰與礦粉雙摻時，不同摻量摻合料水化熱調(diào)整系數(shù)可按下式計算：

式中：

k1——粉煤灰摻量對應(yīng)的水化熱調(diào)整系數(shù)；

k2——礦渣粉摻量對應(yīng)的水化熱調(diào)整系數(shù)。

k1和 k2取值見表2。

表2 不同摻量摻合料水化熱調(diào)整系數(shù)

根據(jù)摻合料摻量，由表2 得：k1=0.94，k2=0.95，求得 Q=298kJ/kg。

式中：

m0——等效硅酸鹽水泥對應(yīng)的系數(shù)；

W——等效硅酸鹽水泥用量，kg；

A、B——與混凝土施工入模溫度相關(guān)的系數(shù)，按表3 取內(nèi)插值；當(dāng)入模溫度低于 10℃ 或高于 30℃ 時，按 10℃ 或 30℃ 選??；

表3 不同入模溫度對 m 的影響值

WC——單方其他硅酸鹽水泥用量，kg；λ——修正系數(shù)。

當(dāng)使用不同品種水泥時，可按表4 的系數(shù)換算成等效硅酸鹽水泥的用量。

表4 不同硅酸鹽水泥的修正系數(shù)

假設(shè)入模溫度為 25℃，計算得：m=1.178，由公式 (1) 計算得混凝土各齡期絕熱溫升見表5。

表5 各齡期混凝土絕熱溫升 T(t)

（2）混凝土中心計算溫度

微課平臺的開發(fā)可與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，以增強(qiáng)學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)環(huán)境的體驗性和對知識的感知認(rèn)知。虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供的沉浸式場景可以模仿真實復(fù)雜場景，使學(xué)習(xí)者跨越時空限制獲得同樣的學(xué)習(xí)體驗。

式中：

T1(t)—— t 齡期混凝土中心計算溫度，℃；

Tj——混凝土澆筑溫度，℃；

ξ(t)—— t 齡期降溫系數(shù)（亦叫散熱系數(shù)），查表6

表6 降溫系數(shù) ξ

取混凝土厚度為 2.0m，經(jīng)公式 (7) 計算得各齡期混凝土內(nèi)部實際最高溫度，見表7。

表7 各齡期混凝土內(nèi)部實際最高溫度 T1(t)

由表7 可知，混凝土澆筑體在入模溫度基礎(chǔ)上溫升值不大于 50℃，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）混凝土表層（表面下 50～100mm 處）溫度

混凝土澆筑體表面建議采用聚苯板蓄熱保溫養(yǎng)護(hù)，并在聚苯板下鋪一層不透風(fēng)的塑料薄膜。

保溫材料厚度計算

式中：

δ——混凝土表面的保溫層厚度，m；

h——混凝土結(jié)構(gòu)的實際厚度，m；

λ0——混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)，此處取 2.33；

λi——第i 層保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)，聚苯板取 0.042；

Tb——混凝土澆筑體表面溫度，℃；

Tq——混凝土達(dá)到最高溫度（澆筑后 3～5d）的大氣平均溫度，℃，取 20；

Tmax——混凝土澆筑體內(nèi)的最高溫度，℃。

計算時可取 Tb- Tq=15～20℃，此處取 15℃，

Tmax- Tb= 20～25℃，此處取 25℃；

Kb——傳熱系數(shù)修正值，取 1.3～2.0，查表8。此處取 1.3。

表8 傳熱系數(shù)修正值

經(jīng)計算，當(dāng)混凝土厚度為最大時，保溫材料厚度得：δ=0.014m，故可采用 2cm 厚聚苯板覆蓋，即可滿足保溫養(yǎng)護(hù)要求。

混凝土保溫層的傳熱系數(shù)

式中：

β——混凝土保溫層的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

δi——各保溫材料厚度，m，此處取 0.02；

λi——各保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)，此處取 0.042；

βq——空氣層的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)，此處取 23；

計算得：β = 1.92W/(m2·K)

1）混凝土虛厚度

式中：

h′——混凝土虛厚度，m；

k——折減系數(shù)，取 0.667；

λ——混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)，取 2.33。

計算得：h′=0.8 m

2）混凝土計算厚度

式中：

H——混凝土計算厚度，m；

h——混凝土實際厚度，m。

計算得：H= 3.6m

3）混凝土表層溫度

式中：

T2(t)—— t 齡期混凝土表面溫度，℃；

Tq——施工期大氣平均溫度，取 20℃；

T1(t)—— t 齡期混凝土中心溫度，℃。

計算結(jié)果見表9。

表9 不同齡期 T1(t) 和 T2(t) 計算結(jié)果

由表9 計算結(jié)果可知，混凝土內(nèi)外溫差＜25℃，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 大體積混凝土現(xiàn)場測溫

4.1 測溫點設(shè)置

該樓大體積基礎(chǔ)由基礎(chǔ)承臺和核心筒基礎(chǔ)筏板組成，其中基礎(chǔ)筏板規(guī)格 (23700×18347×2000)mm3。選擇基礎(chǔ)筏板進(jìn)行測溫，測溫點布置如圖 1 和圖 2。

圖1 橫向測溫點布置示意圖

圖2 豎向測溫點布置示意圖

4.2 測溫結(jié)果分析

以最具代表性的 A-4 基礎(chǔ)中心測溫點為例，其測溫結(jié)果如表10。

表10 基礎(chǔ)中心測溫點 A-4 測溫數(shù)據(jù) ℃

由表9 和表10 中的數(shù)據(jù)對比可見，實測結(jié)果與理論計算結(jié)果基本相符。從實測結(jié)果可以看出，中心溫度 3d 和 6d 溫度比計算值偏高 2～4℃，而后期溫度趨于一致。估計是因為所用水泥細(xì)度較細(xì)，加快了水泥早期水化硬化速度，產(chǎn)生較多的水化熱，從而使混凝土的溫升增高。

從表10 的數(shù)據(jù)可知，頂部溫度低于底部溫度，說明頂部散熱速度比底部快。

從圖 3 可見，水化溫升在第4 天時達(dá)到峰值，比理論預(yù)期值延后了 1 天左右。這是由于采用了緩凝型泵送劑，凝結(jié)時間大于 24h，有效地延緩了水泥水化速度，使充分釋放水化熱。

圖3 混凝土中心溫度實測值與計算值的對比

5 結(jié)語

（1）本工程大體積混凝土是依據(jù) GB 50496—2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行熱工計算的，其混凝土中心溫度計算值與實測值基本相吻合，均滿足要求。

（2）中心溫度 3d 和 6d 溫度的實測值比計算值偏高 2～4℃，而后期溫度趨于一致。

（3）頂部溫度低于底部溫度，說明頂部散熱速度比底部快。

（4）水化溫升在第4 天時達(dá)到峰值，比理論預(yù)期值延后了 1 天左右。