大體積混凝土施工的養護措施及溫度應力計算

王瀟洲

(廣東交通職業技術學院，廣州 510650)

大體積混凝土［1］是指混凝土結構物實體最小幾何尺寸不小于1 m的大體量混凝土，或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土。保溫養護是大體積混凝土施工的關鍵環節。保溫養護的主要目的是通過減少混凝土表面的熱擴散，從而降低大體積混凝土澆筑體的里外溫差值，降低混凝土澆筑體的自約束應力;另外，降低大體積混凝土澆筑體的降溫速率，延長散熱時間，充分發揮混凝土強度的潛力和材料的松弛特性，以提高混凝土承受外約束應力時的抗裂能力，達到防止或控制溫度裂縫的目的。因此，選擇一種有效的保溫保濕養護方式以及采取綜合的施工技術措施，是控制混凝土內表溫差和混凝土內部溫度應力，保證大體積混凝土結構施工質量的關鍵。

1 工程概況及技術措施

1.1 工程概況

廣東某綜合大廈的28層主體塔樓采用筏板基礎，筏基底板面積為2 060 m2，板厚2.2 m，最大尺寸為58.5 m×45.5 m;筏板下設215根直徑為1.0 m的挖孔短樁。混凝土為 C35，S8泵送商品混凝土，設計要求筏板沿高度一次澆筑，水平方向不設后澆帶。筏板混凝土澆筑量超過4 500 m3，屬于大體積混凝土結構施工。

1.2 主要技術措施

1.2.1 混凝土原材料

水泥選用525號硅酸鹽Ⅱ型水泥，可提高抗硫酸鹽侵蝕性能并降低放熱速率。摻合料采用珠江電廠的Ⅰ級磨細粉煤灰。摻加適量UEA膨脹劑，從材料角度提高了混凝土抗裂能力。中砂的含泥量控制在2%以內，5～40 mm碎石的含泥量控制在1%以內。

1.2.2 混凝土配合比

水∶水泥∶砂∶石子∶粉煤灰∶UEA型膨脹劑∶DL-3型緩凝劑 =179∶298∶757∶1 046∶60∶40∶3.98(kg/m3)=0.601∶1.0∶2.54∶3.51∶0.201∶0.134∶0.013。

1.2.3 澆筑方法

混凝土的澆筑按混凝土自然流淌坡度、斜面分層、連續逐層推移、一次到頂的方法進行。澆筑方向沿橫向(短向)進行，每次澆筑工作面不超過3 m，混凝土分4層澆筑，厚550 mm。在混凝土澆筑至高程時，用刮尺刮平多余浮漿，用鐵滾筒滾壓2～3遍，控制好終凝前混凝土表面的二次抹光，以防止表面龜裂。收頭時間控制在1.5 h內，然后再實施保溫保濕養護措施。

1.2.4 混凝土筏基測溫控制

筏基底板均勻布置15個測溫點，每個測溫點沿垂直方向有1組4個測溫數據(見圖1)，包括空氣溫度(A)，混凝土表面溫度(B)，中心溫度(C)，底部溫度(D)?；炷翝仓螅瑴囟壬仙A段每2 h測溫1次，持續測溫3～4 d，待溫度下降后，每8 h測溫1次。根據事先確定的溫控指標和監測數據指導養護工作。

2 筏基養護措施的溫控分析

2.1 筏基的貯水蓄熱養護措施

經綜合分析比較，本筏基采用混凝土表面貯水蓄熱保溫保濕養護措施，如圖2所示。較之草袋養護等其它養護方法，具有施工簡單、保溫材料水資源豐富等優點，明顯降低了施工成本。

圖1 測溫斷面測點布置(單位:mm)

圖2 混凝土表面貯水保溫保濕養護示意圖(單位:mm)

在終凝后的混凝土表面用磚砌筑貯水池，分格貯水。各貯水池長3.0 m、寬2.0 m、高0.07 m，貯水高度為0.05 m。貯水的目的是利用水對混凝土進行養護和蓄熱，在混凝土表面形成一道保溫屏障，再在貯水池上面覆蓋一層厚0.5 mm的塑料薄膜，塑料薄膜一方面防止水分蒸發和熱量散失，另一方面利用貯水池水面與塑料薄膜之間架空層(約厚5 mm)的空氣保溫，并且隔離了外界雨水和大氣溫度的變化對貯水池水溫的直接影響。最后養護14 d。14 d后，繼續保持混凝土表面濕潤。

2.2 貯水蓄熱養護措施的溫控分析

2.2.1 混凝土筏基中心最高溫度Tmax

式中，Tj為入模溫度，3月上旬取26℃;Th=WQ/(Cγ)為混凝土內部最高絕熱升溫值，其中，水泥用量W=298 kg/m3，525號水泥水化熱Q=461 kJ/kg，混凝土比熱C=0.97 kJ/(kg·℃)，混凝土密度γ=2 400 kg/m3;散熱系數ξ=0.63。則Tmax=63.18℃

2.2.2 混凝土筏基表面溫度Tb(t)

式中，Tq為大氣環境溫度，取22℃，則ΔT(t)=Tmax－Tq=41.18℃;H為計算厚度(m)，按單面暴露于空氣的平板看待，H=h+h';而h'=kλ/β為混凝土虛擬厚度(m)，λ為混凝土的導熱系數，取2.33 W/(m·K);折減系數K取0.67;β為保溫層的放熱系數［W/(m2·K)］，β值按下式計算

式中，δi為第i層保溫材料厚度(m)，λi為第 i層保溫材料的導熱系數［W/(m·K)］，βq為空氣層的傳熱系數，可取 23.0［W/(m2·K)］。

2.2.3 混凝土筏基溫控分析及結論(表1)

表1 筏基里表溫差及溫控分析表

3 溫度應力計算

3.1 混凝土筏基的綜合降溫差增量

3.1.1 各齡期混凝土的溫度升降Tm(t)推算

預計筏基中心在第三天溫度升到最高值(63.18℃)，推算出30 d各齡期(臺階步距為3 d)的降溫曲線圖，各齡期降溫差的增量ΔTm(t)見圖3。

圖3 筏基中心降溫曲線圖

3.1.2 各齡期混凝土的收縮當量溫差增量ΔTy(t)各齡期混凝土的收縮值由計算。式中，ε0y為混凝土最終收縮值，取為考慮各種非標準條件的修正系數，由表2求得由此，混凝土的收縮當量溫差 Ty(t)=εy(t)/α =14.58(1 －e－0.01t)，混凝土的線膨脹系數α=1.0×10－5/℃。

表2 非標準條件的修正系數

則各齡期混凝土的收縮當量溫差增量ΔTy(t)為

3.1.3 混凝土筏基的綜合降溫差增量ΔT(t)

ΔT(t)=ΔTm(t)+ΔTy(t)，可求得臺階步距為3 d的混凝土綜合降溫差增量(見表3)。

3.2 溫度應力σx計算

式中，α =1.0 ×10－5/℃ ，泊松比 μ =0.15，各齡期混凝土彈性模量 Ei(t)=βE0(1－e－φt)，其中 φ 為混凝土中粉煤灰摻量為20%時所對應的彈性模量調整系數，取0.99。

已知C35混凝土 E0=3.15×104MPa，求得各齡期混凝土彈性模量;Hi(t)為各齡期混凝土應力松弛系數，可查有關文獻［2-3］(見表 3)。

3.2.1 混凝土外約束的約束系數Ri(t)

式中，地基水平阻力系數 Cx取 8.5×10－2N/mm3，筏基厚 H=2 200 mm，筏基最大長度尺寸 L=58 500 mm，得各齡期混凝土的約束系數Ri(t)(見表3)。

3.2.2 混凝土溫度應力計算(表3)

總降溫產生的最大拉應力σxmax為

3.2.3 混凝土筏基防裂性能判斷

混凝土控制溫度裂縫的條件為

C35混凝土的抗拉強度標準值 ftk=2.20 MPa，摻20%粉煤灰的強度影響系數λ'=1.03;其實際抗裂安全系數 K=1.03×2.20/1.264=1.79＞［K］=1.15。滿足“混凝土一次整體澆筑，不留置后澆帶”的抗裂設計要求。

本筏基采用的表面貯水蓄熱保溫保濕養護措施，同樣也延緩了混凝土內部的降溫速率，有利于控制混凝土內部的收縮裂縫。所以，降溫和收縮引起的溫度應力得到了有效控制。

4 結語

本文闡述了大體積混凝土筏基在施工方案階段應做的試算分析工作。對大體積混凝土筏基在澆筑前進行溫度、溫度應力的驗算分析，其目的是為了確定溫控指標及制訂溫控施工的技術措施，以防止或控制有害裂縫的發生，確保大體積混凝土筏基的施工質量。

本筏基施工及養護期間的測溫記錄顯示，混凝土中心最高溫度達到62.5℃，內表最大溫差為20.2℃，與計算值基本符合。本筏基采用的混凝土表面貯水蓄熱保溫保濕養護措施，不僅有效地控制了混凝土內表溫差始終在規定允許值范圍內，而且延緩了混凝土內部的降溫速率，有利于控制混凝土內部的收縮裂縫，是保證大體積混凝土筏基施工質量的關鍵性施工措施。

［1］中華人民共和國建設部．GB50496—2009 大體積混凝土施工規范［S］．北京:中國計劃出版社，2009.

［2］王鐵夢．工程結構裂縫控制［M］．北京:中國建筑工業出版社，1997.

［3］齊有軍．大體積混凝土結構裂縫控制探討［J］．鐵道建筑，2006(3):97-98．

［4］朱伯芳．大體積混凝土溫度應力與溫度控制［M］．北京:中國電力出版社，1999.

［5］吳葉瑩．大體積混凝土施工期溫度裂縫計算分析［J］．鐵道建筑，2007(9):105-107．

［6］中華人民共和國建設部．GB50204—2002 混凝土結構工程施工及驗收規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2002.