大體積混凝土施工的溫度控制

李琨

0 引言

“恒印智慧城市”項目1#樓及裙房工程是一在施公共建筑，其1#主樓基礎筏板最大厚度3m，在大體積混凝土施工過程中，水化熱使混凝土內部積蓄熱量，且由于截面厚大，內部熱量不易散發(fā)，很容易造成與外部過大的溫度應力破壞混凝土，控制內部溫度、使內外部溫度不超過規(guī)范要求是施工中的控制關鍵，該工程從混凝土原材料的選擇、試配的確定以及入模溫度的預控，將前期溫度過快的增長風險降低，在施工中采取薄層澆筑的方法，將分層澆筑厚度控制在400mm，使得水化熱得到了一定的釋放，減少后期的溫度過高增長。混凝土成型后，通過保溫覆蓋養(yǎng)護，保證整體的溫度過快流失而造成混凝土本身內外部溫差過大。本工程Ⅱ、Ⅲ段中埋置了金屬冷卻水管，利用冷卻水系統(tǒng)對Ⅱ、Ⅲ段大體積混凝土進行內部循環(huán)水冷降溫，此方法保證了混凝土的質量，與Ⅰ段進行對比，使溫度更快地在相對低的溫度中趨于平穩(wěn)。此一系列的溫度控制措施，更好地保證了大體積混凝土的質量。

1 工程背景

“恒印智慧城市”項目1#樓（辦公）及部分北地塊裙房、南地塊裙房（商業(yè)裙房），位于河北省石家莊市新火車站東廣場CBD 區(qū)域，在石家莊新火車站東北方向約1km 處。該工程總建筑面積91 644.7m，主樓建筑高度150m，地下4 層、地上33 層。基礎埋深-19.87m，1#樓（主樓）基礎筏板厚度為3m、2.8m?；A筏板混凝土等級采用C40P10。1#樓基礎筏板平面圖如圖1 所示。

圖1 1#樓基礎筏板平面圖

2 混凝土原材料控制

大體積混凝土，既要符合設計對混凝土自身性能指標的要求，又要盡量減少水化熱量、降低混凝土內部最高溫度而防止溫度裂縫的產(chǎn)生，因此在施工前期，就要與攪拌站密切合作，通過對混凝土原材料的選用、配合比試配的選擇，入模溫度的要求來加以控制。

2.1 原材料的選用

（1）水泥。水泥選用優(yōu)質低熱普通硅酸鹽水泥，根據(jù)攪拌站提供，所采用的水泥為金隅鼎鑫生產(chǎn)的P.O 42.5 水泥，3d水化熱為236kJ/kg，7d 水化熱為277kJ/kg。

（2）摻合料?？紤]夏季氣溫高所產(chǎn)生的膠凝材料水化快的特點，采用摻加一定數(shù)量的摻合料減少水泥用量，本工程采取摻加Ⅰ級粉煤灰及S95 級礦渣粉。

（3）粗骨料。粒徑5～25mm 碎石，級配連續(xù)，含泥量1%。

（4）細骨料。Ⅱ區(qū)中砂，細度模數(shù)2.5，平均粒徑0.4mm，含泥量2%。

（5）拌合水。采用酸堿值為6.5～7.5 的中性自來水。

（6）外加劑。LD-02A 聚羧酸系高性能減水劑。

2.2 混凝土配合比

2.2.1 配合比原則及要求

（1）以60d 強度作為C40 評判標準。

（2）混凝土拌合物坍落度160～180mm。

（3）拌合水用量不大于170kg/m。

（4）粉煤灰摻量不大于膠凝材料用量的50%；礦渣粉摻量不大于膠凝材料用量的40%；粉煤灰與礦渣粉摻量總和不大于膠凝材料用量的50%。

（5）水膠比不大于0.45 。

（6）砂率在38%～45%范圍內。

（7）初凝時間10～15h。

（8）混凝土的含堿量不超過3kg/m。

2.2.2 配比確定

根據(jù)大體積混凝土的配比原則及原材料的性能，施工單位與攪拌站共同確定了本次施工的混凝土配合比。

2.3 入模溫度控制

此大體積混凝土施工正值夏季，因此在常規(guī)混凝土攪拌及運輸中，采取降溫措施，以滿足《大體積混凝土施工標準》（GB50496-2018）中對“混凝土的入模溫度宜控制在5～30℃”的參考值，盡量將混凝土入模溫度控制在30℃以內。在施工中采取如下措施：

（1）拌和混凝土時對水和碎石冷卻降溫以降低混凝土的拌和溫度。

（2）通過混凝土罐車保溫用水沖降溫和混凝土罐車加冰以降低混凝土運輸過程中的升溫（加冰考慮在配合比用水量以內）。

（3）做好混凝土運輸車調配，不過分囤積運輸車數(shù)量，避免混凝土在運輸車中經(jīng)過長時間儲存而增長水化熱量。

3 混凝土內部升溫狀況預判

在配合比試配確定后，需要計算出混凝土升溫的估算判斷，一是為進一步計算混凝土應力提供基礎依據(jù)，二是確定澆筑后混凝土的保溫養(yǎng)護及降溫的方法。

3.1 混凝土絕熱升溫

3.1.1 水泥水化熱總量

式中：—水泥水化熱總量kJ/kg；

—7 天累計水化熱277kJ/kg（根據(jù)攪拌站提供數(shù)據(jù)）；

—3 天累計水化熱236kJ/kg（根據(jù)攪拌站提供數(shù)據(jù)）。

3.1.2 膠凝材料水化熱總量

式中：—膠凝材料水化熱總量kJ/kg；

—不同摻量摻合料水化熱調整系數(shù)。

3.1.3 混凝土的水化絕熱溫升值

式中：—混凝土的絕熱溫升（℃）；

—每立方米混凝土中的膠凝材料用量，按450kg/m計算；

—每千克水泥水化熱量，293kJ/kg；

—混凝土的比熱，取0.94kJ/（kg·K）；

—混凝土密度，根據(jù)配合比計算為2400 kg/m；

—常數(shù)，=2.718；

—與水泥品種、用量、入模溫度等有關單方膠凝材料對應系數(shù)，取=0.406；

—混凝土澆筑后至計算時的天數(shù)（d）。

經(jīng)計算得出t 齡期時絕熱溫升值，如表1 所示。

表1 t 齡期時絕熱溫升值T（t）

3.2 混凝土內部中心溫度估算

式中：—t 齡期混凝土中心計算溫度（℃）；

—混凝土澆筑溫度（根據(jù)當?shù)厍闆r，取34℃）；

—在t 齡期時混凝土的絕熱溫升（℃）；

—不同澆筑厚度的溫降系數(shù)，按下表2 取值：

表2 不同澆筑厚度的溫降系數(shù)

經(jīng)計算，不同齡期混凝土內部中心溫度如下表3 所示：

表3 不同齡期混凝土內部中心溫度T（1t）

3.3 混凝土表面溫度與溫差估算

表面溫度計算：

式中：—t 齡期時混凝土表面溫度；

T— 齡期t 時，大氣平均溫度（取34℃）；

—混凝土計算厚度（m）；

—混凝土實際厚度（m）；

′—混凝土虛厚度（m）；

3.4 計算結論

各齡期混凝土內最高溫度與表面溫差不大于25℃、混凝土表面與外界溫差均不大于20℃。因此，采取在混凝土表面鋪一層塑料薄膜，塑料薄膜表面再覆蓋礦棉被的養(yǎng)護方式，可以滿足本工程大體積混凝土的養(yǎng)護要求。但考慮當?shù)貧夂蛟?，實際溫度有可能大于計算中的取值溫度，且估算的混凝土內部最高溫度較高，在70℃以上，因此決定在體積相對較大的Ⅱ、Ⅲ段基礎筏板中采用布置冷卻水管的方法進行內部降溫。

4 澆筑方法

大體積混凝土采用“分段分層、薄層澆筑、逐漸倒退”的原則組織澆筑施工。其中的“薄層澆筑”可使單層混凝土水化熱量減少，在上一層澆筑前下層水化熱在初凝時間內充分散發(fā)，是減少混凝土內部熱量積蓄的必要方法。

本工程分層厚度按不大于400mm 控制，上層混凝土必須在底層混凝土初凝前澆筑完成。

5 水冷卻系統(tǒng)溫度控制

根據(jù)本工程實際情況，決定采取單循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，對Ⅱ、Ⅲ段筏板混凝土進行冷卻水系統(tǒng)降溫，其施工流程為：

選擇系統(tǒng)所需材料→冷卻水管安裝→冷卻管壓力試驗→系統(tǒng)其他設備安裝→混凝土澆筑（冷卻水管滿水帶壓）→冷卻系統(tǒng)運行→溫度測量。

5.1 冷卻水管的布置

冷卻管布置在中部溫度筋上，呈“U”型往復排布，最外側冷卻管距混凝土邊緣2～3m，管與管間距2～3m 之間；每段冷卻管總長度在200～300m。冷卻水管豎向位置布置在底板中部1.5m 位置，與溫度筋及上層鋼筋骨架做綁扎固定。

5.2 冷卻水溫度

冷卻水在澆筑完成24h 后啟動循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，進水溫度35℃。進水溫度根據(jù)混凝土內部溫度隨時進行補水調整，水溫低于混凝土溫度20℃以內。隨著混凝土內部溫度升高，循環(huán)水溫度在澆筑完成后第三天升至49℃，此時出水溫度達到58℃。

6 保溫養(yǎng)護措施

6.1 保溫層的厚度計算

根據(jù)本工程的實際情況，大體積混凝土的保溫材料選用礦棉被，其覆蓋厚度通過下列公式獲得。

式中：—混凝土表面的保溫層厚度（m）；

—混凝土的導熱系數(shù)［W/（m·k）］；

λ—保溫材料的導熱系數(shù)［W/（m·k）］；

T—混凝土澆筑體表面溫度（℃）；

—混凝土達到最高溫度時（澆筑后3d～5d）的大氣平均溫度（℃）；

—混凝土澆筑體內的最高溫度（℃）；

—混凝土結構的實際厚度（m）；

T?T—可取15℃～20℃；

?T—可取20℃～25℃；

—傳熱系數(shù)修正值，取2 。

經(jīng)計算：=0.06（m）

6.2 覆蓋保溫

（1）本工程覆蓋材料為礦棉被，單層礦棉被按30mm 計，覆蓋兩層可滿足保溫養(yǎng)護要求。

（2）在混凝土表面上做塑料薄膜覆蓋后，再做礦棉保溫覆蓋，覆蓋時對測溫點進行位置標識。

7 溫度控制效果

通過在混凝土澆筑過程中預埋的測溫傳感器，我們得到了溫度變化的規(guī)律，從中選取四個點，將10 天的溫度變化做成了折線圖。此四個點分別是Ⅰ段中的5、8 號點以及Ⅱ段的3、7 號點。如圖2～5 所示。

圖2 Ⅰ段5 號點溫度折線圖

圖3 Ⅰ段8 號點溫度折線圖

圖4 Ⅱ段3 號點溫度折線圖

圖5 Ⅱ段7 號點溫度折線圖

由以上折線圖可以看出大體積混凝土溫度在澆筑完成后第2～3d 溫度達到峰值，之后每天降溫1～2℃，保持一定的下降速率。最上層的溫度變化受天氣與氣溫的影響較大，澆筑后第2～3d 由于蓄水養(yǎng)護溫度下降較快，之后溫度趨于平穩(wěn)。

在施工中，二段采取加冷凝管對混凝土降溫，一段未采取降溫措施，經(jīng)對比兩段的溫度，二段混凝土在第十天混凝土的中部溫度為66.1℃、66.2℃，一段為70.8℃、70.9℃，可以看出加入冷凝管后的降溫效果良好。

8 結論

大體積混凝土的溫度控制需要綜合考慮。雖然可以根據(jù)前期計算得到升溫值，但計算值只是前期的預判值，實際施工中還應考慮各種因素的影響而導致偏離預判值的情況，尤其正值盛夏季節(jié)的施工，需要適當增加溫度控制措施來保證混凝土溫度不超出國家規(guī)范要求。通過在該公建工程中的實施可以發(fā)現(xiàn)，冷卻水管降溫是經(jīng)濟、便捷的方法，有利于混凝土內部溫度在7 天后更早地趨于平穩(wěn)，在大體積混凝土夏季施工以及混凝土厚度在2.5m 以上的情況下，應預防性地采用。