大体积混凝土施工温度计算与抗裂技术分析应用
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摘要：本文结合工程实例，分析介绍了大体积混凝土施工时温度控制的详细计算方法；并依照混凝土原理，在科学计算的基础上，提出了降低现浇混凝土内外温差的具体技术措施，防止因温度控制不当使现浇混凝土内部温度应力过大而产生结构裂缝，并对施工处理措施效果进行了总结和评价。
关键词：大体积混凝土；温度控制；温度应力；温差；抗裂
中图分类号：TU755.6
文献标识码：B
文章编号：1008-0422（2008）08-0188-02
1工程概况
湖南某工程地下3层，上部25层，总建筑面积为3800 0m2，框架-剪力墙结构。该工程中部分地下室底板与桩承台合一为满堂式基础桩台，厚度2.6m（局部1.5m），基础桩台平面面积1369m2，混凝土量3341 m3，每两条后浇带成3个施工段，混凝土量分别为1183 m3、1129 m3及929 m3，见平面见图1。
现浇混凝土强度等级C30，抗渗等级S8：基础桩台下C15混凝土垫层15cm，钻孔灌注桩共230根（已施工完成），直径800mm、施工期3月份，日平均气温Tq=20℃，湿度90%。
2混凝土温升的初步计算
基础桩台在施工前进行了初步计算，经计算调整混凝土配合比和采取技术措施、初步计算时，用41.68MPa普通硅酸盐水泥，混凝土配合比按表1设计，混凝土浇灌后表面按厚度δ=0.01m草袋覆盖考虑，混凝土拌合温度计算式：
Tr=∑Ti・W・C/∑W・C （1）
按表1有关数据代入式1得Tr=19.1℃。由于搅拌棚为敞开式。故混凝土出柄温度T1=Tr，考虑混凝土装卸影响。经过计算其浇灌温度Tj=19.5℃。2.6m厚基础桩台中心混凝土最高温度可从下计算：
Tmax= Ti+W・Q（1-e-ml）ξ／（cρ） （2）
式中：c为混凝土比热，取0.97kJ/(kg・K.)；ρ为混凝土密度，取2400kg/m3，1-e-ml，ξ为降温系数，与混凝土龄期和厚度有关，可从有关图表查得。
把有关数据代入式2可得：
Tmax=19.5+67.37(1-e-ml)ξ (2a)
混凝土表面温度计算式：
Th=Tq+4h1(h+h1)(Tmax-Tq)/(h+2h′)2（3）
式中：h1为混凝土虚厚度，与保温材料厚度段混凝土与保温材料相对导热系数有关。采用 =0.01m草袋保温。则h=0.18m
把有关数据代入式3可得：
Th=20.0+0.228(Tmax-20.0) （3a）
取龄期t的各个数值，代入式（2a）及式（3a），结果列于表2。
由表2可知：2.6m基础桩台浇灌后中心混凝土最大温度58.2℃。比气温高38.2℃，即使用了 =0.01m草袋覆盖，混凝土内外最大温差仍达29.5℃。比常规规定25℃高，须采取妥善的技术措施。
3现浇混凝土内部温度应力控制的具体方法措施分析
由于大体积混凝土释放出水化热，会产生较大的温度变化和伸缩效应，其产生的温度应力是导致混凝土开裂的主要因素。因此，为做好2.6m厚基础桩台的温控抗裂问题，着重从水泥水化热及混凝土内外温差的影响因素分析，主要采取了以下几项技术措施：
3.1原材料与配合比设计
改用41.68MPa粉煤灰水泥，其发热量Q=335kJ/kg，比41.68MPa普通硅酸盐水泥少42kJ/kg。利用混凝土60d的强度作为设计强度，混凝土配合比设计见表3。
另外中砂与碎石保证其含泥量分别少于3%与1%，在使用前喷凉水，覆盖，以降低投料时温度。这样，从表3及式1可得混凝土拌合温度了T′c=18.7。
3.2阶梯式浇灌并加强覆盖养护
搭设遮阳通风的混凝土搅拌棚，尽量缩短混凝土运输距离，同时浇灌时按插入式振捣器大小每30cm阶梯式分层推进，使浇灌混凝土有利于散热。混凝土浇灌入模温度可控制为Tj=19℃左右。
混凝土浇灌后其外表面及拆模后侧面用塑料薄膜夹草袋覆盖，其厚度计算式：
δi=0.5hλi(Tb-Tq)Kb/[λ(Tmax-Tb)]（4）
式中：混凝土厚度h=2.6m，保温材料导热系数λi=0.1W/（m・K），混凝土导热系数λ=2.33 W/（m・K），传热系数修正值取Kb=1.65。
把混凝土温升初步计算结果及以上数据代入式4得 i=0.03m，因此采用两层塑料薄膜夹两层草袋作为保温层。
3.3埋设循环水管以降低混凝土内部温度
基础桩台浇灌混凝土之前，内部埋设循环水管（采用薄壁钢管），管径D15mm，横向间隔1.0m。竖向间隔0.5m。2.6m基础桩台埋设4排循水管，1.5m基础桩台埋设2排，循环水管的水平埋设坡度1%。
循环水的时间控制，可参考混凝土温升的计算结果，基础桩台各施工段浇灌混凝土后即加水，初始水温15℃，水温达到20℃～25℃时排放，另加水量，混凝土浇灌后18d停止循环水。
3.4改善约束防止温度裂缝
基础垫层浇筑后，用水泥砂浆找平2cm，然后铺一毡二油，以改善地基对基础桩台的约束。同时在基础桩台深度及厚度变化处，浆砌砖地模后设置可压缩层。
对于各施工段之间的后浇带，由于基础桩台的设计厚度较大，底部纵横向配置钢筋又密，设计后浇带宽度为下部1.5m、上部2.0m-浇混凝土垫层时。后浇带局部加宽为2.5m。且垫层局部加厚为30cm，并铺二毡三油。在后浇带填灌补偿膨胀混凝土之前，后浇带两侧钢筋一直保持分离，以防止钢筋导热，并消除两侧桩台之间的约束。
4混凝土内外温差计算
把W=356kg，Q=335kJ/kg及行关数据代入式2可得：
Tmax=19.0+51.23+(1-e-ml)ξ （2b）
采用δi=0.03m两层塑料薄膜夹两层草袋作保温层。经计算虚厚度h'=0.45m，把有关数据代入式3可得：
Th=20.0+0.448(Tmax-20.0)（3b）
取龄期t的各个数值，代入式（2b）及式（3b）。结果列于表4中，并绘温度曲线图，将表4与表层比较可见，采取改善混凝土原材料与配合比设计。加强覆盖养护等措施，能有效地降低混凝土内部温升，并将混凝土内外温差控制在常规规定25℃以内。
5结束语与注意事项
5.1从以上计算结果及工程实践证明，采取可靠的技术措施，能在一定程度上控制大体积混凝土施工的内外温差，避免混凝土贯穿裂缝的出现。
5.2该工程基础桩台施工完成已有三年了，经过多次检查，从未发现混凝土贯穿裂缝，满堂式桩台面浇15cm细石混凝土防水层后作为地下室底板，其抗渗性能良好。
5.3基础桩台浇灌混凝土后，在侧面抹灰前发现，其侧面在循环水管与混凝土的接触处有微小裂缝，裂缝沿水管中心向外扇形发展，经实测缝宽在0.5mm以下，大小不等，尤其循环水管的进水管处较为严重，幸好循环水管是水平埋设的，对整体影响极少。
从施工结果说明，采取的温控抗裂技术措施获得一定的成功，但是采取埋设循环水管以降低混凝土内部温度的方法存在一定的利弊。
参考文献:
[1] 混凝土结构设计规范GB 50010-2002. 北京：中国建筑工业出版社，2002.
[2] 迟陪云.大体积混凝土裂缝的起因及防治措施.混凝土.2001,12.
[3] 富文权. 混凝土工程裂缝分析与控制. 中国铁道出版社, 2002.
[4] 建筑地基基础工程施工质量验收规范.GB0202-2002.中国建筑工业出版社，2002.
[5] 李国胜. 建筑结构裂缝及加固疑难问题的处理附实例. 中国建筑工业出版社，2006.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”