關(guān)于大體積混凝土中心溫度計(jì)算的探討

趙恒樹，吳學(xué)艷，何世欽，趙娟

（1. 山東億辰混凝土有限公司，山東 臨沂 276033；2. 臨沂市惠江混凝土有限公司，臨沂 276033）

0 引言

隨著高層建筑的拔地而起，大體積混凝土的澆筑任務(wù)也越來越多；而大體積混凝土的突出問題是：水化熱積聚使得澆筑體的中心溫度過高，容易導(dǎo)致大體積混凝土表面產(chǎn)生裂縫。在大體積混凝土施工前，大多數(shù)施工單位都比較重視，會(huì)先編制施工方案，然后施工、澆筑混凝土。在編制施工方案時(shí)都必須進(jìn)行混凝土的熱工計(jì)算。但是往往計(jì)算出的大體積混凝土的中心最高溫度都比實(shí)際測量到的中心最高溫度低很多。針對(duì)這個(gè)問題，我們在此展開研討。

1 混凝土拌合物的溫度 T0（理論計(jì)算）

1.1 在計(jì)算前首先要實(shí)測各種原材料的溫度

在測量砂、石前先把表面部分鏟去 200mm 厚，然后再插入溫度計(jì)，五分鐘以后讀取溫度值；測量水和外加劑時(shí)可把溫度計(jì)直接吊入液體中，五分鐘以后提起立即讀取溫度值；測量水泥、礦粉、粉煤灰和膨脹劑等粉料時(shí)可在粉料罐車上將溫度計(jì)直接插入粉料中，待五分鐘后拔出并在罐口以內(nèi)讀數(shù)，若粉料表面離罐口距離太大時(shí)可將粉料取至取樣桶內(nèi)立即測溫。

1.2 不同季節(jié)和天氣情況下原料溫的選取

在進(jìn)行熱工計(jì)算時(shí)對(duì)所測的溫度要根據(jù)當(dāng)時(shí)所處的季節(jié)和天氣預(yù)報(bào)的趨勢進(jìn)行選取。

（1）若大體積混凝土澆筑在一周內(nèi)進(jìn)行，所處季節(jié)為夏季，可按實(shí)測溫度進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)所處季節(jié)為冬季時(shí)，砂、石、水、外加劑可按實(shí)測溫度，粉料可按實(shí)測溫度值降低10～15℃ 計(jì)算（寒冷地區(qū)降低 10℃，嚴(yán)寒地區(qū)降低 15℃）；當(dāng)所處季節(jié)為初春和深秋時(shí)，砂、石、水、外加劑可按實(shí)測溫度，粉料可按實(shí)測溫度值降低 5～10℃ 計(jì)算（寒冷地區(qū)降低 5℃，嚴(yán)寒地區(qū)降低 10℃）；當(dāng)所處季節(jié)為晚春或初秋時(shí)，粉料可按實(shí)測溫度值降低 3～6℃ 計(jì)算（寒冷地區(qū)降低3℃，嚴(yán)寒地區(qū)降低 6℃）。

（2）若大體積混凝土澆筑自計(jì)算時(shí)起長于一周時(shí)，應(yīng)根據(jù)天氣預(yù)報(bào)的趨勢和往年的氣溫資料對(duì)當(dāng)前實(shí)測的溫度作適當(dāng)調(diào)整。如果當(dāng)時(shí)所處季節(jié)為春季，可將溫度上調(diào)；當(dāng)時(shí)所處季節(jié)為秋季，則可將溫度下調(diào)；具體調(diào)整幅度根據(jù)天氣預(yù)報(bào)的情況而定。

（3）熱工計(jì)算最好在大體積混凝土澆筑前的一至二天再次進(jìn)行復(fù)核，以便更準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)大體積混凝土的中心溫度。

1.3 混凝土拌合物溫度的計(jì)算方法

每種原材料的重量、溫度、比熱容的乘積的代數(shù)和，與每種原材料的重量、比熱容的乘積之和的比值，即得出混凝土拌合物的溫度（砂、石和膠凝材料的比熱容為 0.92 kJ/(kg·K)，水的比熱容為 4.2kJ/(kg·K)）。本文沿用的計(jì)算公式詳見 JGJ/T104－2011《建筑工程冬期施工規(guī)程》中附錄 A 的A.1.1 條。

2 混凝土拌合物的出機(jī)溫度 T1

沿用的公式為：T1=T0-0.16(T0-Ti)

Ti——攪拌樓的平均溫度，應(yīng)改為主機(jī)下料口處的平均溫度，由于現(xiàn)在大體積混凝土的生產(chǎn)都采用 3 立方的主機(jī)，下料時(shí)間在 30 至 40 秒間完成，在此期間降溫幅度較小，故可將系數(shù) 0.16 改為 0.08 更合適。應(yīng)為：T1=T0-0.08(T0-Ti)

3 混凝土拌合物的澆注溫度T2

沿用的公式為： T2=T1+(at1+0.032n)（Ta-T1）

t1——混凝土拌合物從攪拌到澆筑時(shí)的時(shí)間，h；

n ——混凝土拌合物的運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)（一般情況 n=3）；

Ta——混凝土拌合物運(yùn)輸時(shí)環(huán)境溫度，℃；

a——溫度損失系數(shù)，使用罐車運(yùn)輸時(shí)取 a=0.0042。

混凝土拌合物的澆注溫度與周圍環(huán)境的溫度有關(guān)。采用塔吊運(yùn)輸與泵送又有很大區(qū)別，采用塔吊運(yùn)輸時(shí)混凝土拌合物溫度會(huì)有所降低，而混凝土拌合物采用泵送時(shí)，澆注到模板內(nèi)的混凝土拌合物的溫度明顯比泵斗內(nèi)混凝土拌合物的溫度要高（在冬季時(shí)會(huì)升高 1℃，春秋季可升高 2℃，夏季將升高 3～4℃）。由于大體積混凝土拌合物大部分采用泵送施工，因此可忽略用塔吊運(yùn)輸?shù)目赡苄浴?/p>

混凝土拌合物在運(yùn)輸過程中的溫度變化有以下幾種情況（大體積混凝土常用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C30～C40，運(yùn)輸時(shí)間按 40min 考慮 )：

在冬季，平均氣溫在 0℃ 左右時(shí)，C30～C40 混凝土拌合物的溫度不會(huì)降低（罐筒外表面采用毛毯保溫），混凝土所產(chǎn)生的水化熱與散失掉的熱量基本相抵。

在春秋季平均氣溫在 15℃ 左右時(shí)，C30～C40 混凝土拌合物的溫度將會(huì)提高 0.5℃ 左右。

當(dāng)夏季平均氣溫在 25℃ 以上時(shí)，C30～C40 混凝土拌合物的溫度將會(huì)提高 1～2℃。

以前沿用的公式所計(jì)算出的混凝土拌合物的溫度在運(yùn)輸和澆筑過程中多數(shù)情況下是降低的，但是實(shí)際情況是升溫的，因此有必要對(duì)以前沿用的公式進(jìn)行改進(jìn)：

T2冬=T1+(Ta-T1)/10+2 （適用于冬季）

T2春秋=T1+(Ta-T1)/10+3 （適用于春秋季節(jié)）

T2夏=T1+(Ta-T1)/10+4 （適用于夏季）

上述公式中最后的 2、3、4 是考慮不同季節(jié)在運(yùn)輸和泵送時(shí)所增加的溫度。如此修正后，所計(jì)算出的溫度將更接近實(shí)際情況。

4 混凝土的絕熱溫升 T(t)

混凝土的絕熱溫升值可按下式計(jì)算：

式中：

T(t)——齡期為 t(d) 時(shí)，混凝土的絕熱溫升，℃；夏季取t=3d，春秋季取 t=5d，冬季取 t=7d；

W——每立方米混凝土的膠凝材料用量，kg/m3 ；

c——混凝土的比熱容，可取 0.97kJ/(kg·K)；

ρ——混凝土的表觀密度，可取 2400～2420 kg/m3；

m——與水泥品種、澆注溫度等有關(guān)的系數(shù)，其取值見表 1；

t——混凝土的齡期 ，d；

e——自然常數(shù)，可取 2.718。

表1 m 系數(shù)的取值

膠凝材料的水化熱 Qt可按下式計(jì)算：

式中：

Qt——某一齡期膠凝材料水化熱總量，kJ/kg；

Qot——某一齡期水泥水化熱總量，kJ/kg；P·O42.5 水泥的 Q03為 314 kJ/kg；Q05為 334kJ/kg；Q07為 354 kJ/kg。

k——不同摻量摻合料水化熱調(diào)整系數(shù)。

當(dāng)生產(chǎn)配合比中采用粉煤灰和礦渣粉雙摻時(shí)，不同摻量摻合料水化熱調(diào)整系數(shù)可按下式計(jì)算：

k1——粉煤灰產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的水化熱調(diào)整系數(shù)，可按表 2取值；

k2——礦渣粉摻量對(duì)應(yīng)的水化熱調(diào)整系數(shù)，可按表 2 取值。

表2 k1、k2 的取值

5 大體積混凝土中心最高溫度Tmax

式中：ξ——降溫系數(shù)，可按表 3 取值。

表3 ξ 的取值

通過多個(gè)工程的實(shí)踐，按 2003 年 9 月出版的《建筑施工手冊》第四版 614 頁表 10-83 所查得的降溫系數(shù)ξ值偏小，實(shí)際降溫沒有那么快，因?yàn)榇篌w積混凝土絕大多數(shù)都是在地基上，地基土的溫度在 18～20℃，向地下散熱較慢，只有其他幾個(gè)面向外散熱。經(jīng)過測算，ξ的值比施工手冊上的數(shù)值增加 0.2 較為合適。

上述表 3 是ξ已經(jīng)增加 0.2 以后的數(shù)值。

6 三河口隧道大體積混凝土底板熱工計(jì)算（按原公式計(jì)算）

下面以三河口隧道大體積混凝土工程為案例，此項(xiàng)工程底板厚度為 1.2 米，配合比按 60 天強(qiáng)度設(shè)計(jì)，如表 4 所示。

表4 配合比 kg/m3

6.1 混凝土拌合物溫度(理論計(jì)算) To

實(shí)測和預(yù)計(jì)材料溫度如下：

水泥 Tc=50℃、粉煤灰 Tf=30℃ 、砂 Ts=3℃ 、石子Tg=2℃、泵送劑 Tb=2℃、水 Tw=15℃。

砂、石含水率：砂含水率 3%、石子含水率 0%。

材料質(zhì)量：mc=270kg、mf=120kg、ms=827kg、mg=1050kg、mb=7kg、mw=155-25=130kg；

砂中含水量：ws=25kg；

比熱容：Cc=Cs=Cg=Cf=0.92kJ/(kg·K)、Cw=Cb=4.2 kJ/(kg·K)。

6.2 混凝土拌合物的出機(jī)溫度 T1

T1= T0-0.16(T0-Ti) =10.3－0.16 (10.3－4) = 9.3(℃)。

Ti——攪拌樓平均溫度，Ti取 4℃。

6.3 混凝土拌合物澆筑溫度 T2

t1——混凝土拌合物從攪拌到澆筑時(shí)的時(shí)間（t1=0.2h）；

n——混凝土拌合物運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)（n=3）；

Ta——混凝土拌合物運(yùn)輸時(shí)環(huán)境溫度，Ta 取 3℃；

6.4 水泥的水化熱理論計(jì)算

混凝土絕熱溫升：T(t)=Th(1-e-mι)+FA/50

Th——混凝土最終絕熱溫升（Th=WcQ/Cp）；

m——隨水泥品種及澆筑溫度而異，取 m=0.314；

t——齡期，t =5d；

FA——粉煤灰用量；

Q——每公斤水泥的水化熱，Q=334 kJ/kg；

Wc——每立方水泥用量，Wc=270 kg；

C——混凝土的比熱，C=0.97 kJ/(kg·K)；

P——混凝土的表觀密度，P=2410kg/m3；

6.5 混凝土內(nèi)部實(shí)際最高溫度Tmax

Tmax=Tj+T7·∫=9.1+32.9×0.35=20.6℃；

式中：

Tj——混凝土實(shí)測澆筑溫度，也可取 Tj=T2=9.1℃；

∫——底板厚度為 1.25 米時(shí)的降溫系數(shù)，取∫=0.35；

7 按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算三河口隧道大體積混凝土底板的中心溫度

7.1 混凝土拌合物溫度(理論計(jì)算) To =10.3℃ （與 6.1 相同）

7.2 混凝土拌合物出機(jī)溫度（經(jīng)驗(yàn)公式）

7.3 混凝土拌合物澆筑溫度T2 （經(jīng)驗(yàn)公式）

7.4 水泥的水化熱理論計(jì)算

按 GB50496—2009 《大體積混凝土施工規(guī)范》附錄 B 的公式計(jì)算。

7.4.1 膠凝材料水化熱總量

7.4.2 混凝土的絕熱溫升T(t)

m 取 0.334，P 取 2410 kg/m3， t 取 5d。

W 為膠凝材料用量，取 390㎏，其他符號(hào)同上。

7.5 混凝土底板內(nèi)部實(shí)際最高溫度Tmax（經(jīng)驗(yàn)公式）

查表 3，ξ取0.55。

三河口隧道大體積混凝土底板在澆筑后的實(shí)測中心最高溫度達(dá)到 36℃，與原計(jì)算公式所算的 20.6℃ 相差 15.4℃，而與我們利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的 35.3℃只差 0.7℃。因此這種結(jié)果是令我們非常滿意的。

8 結(jié)論

（1）JGJ/T104－2011《建筑工程冬期施工規(guī)程》中附錄A 的 A.1.1 條對(duì)于混凝土的攪拌溫度計(jì)算公式還是符合實(shí)際的（只要把材料溫度測量準(zhǔn)確）。

（2）GB50496—2009 《按大體積混凝土施工規(guī)范》附錄B 的公式計(jì)算出的膠凝材料的水化熱和混凝土的絕熱溫升更加符合當(dāng)前混凝土生產(chǎn)的實(shí)際情況。

（3）由于混凝土的生產(chǎn)方量大、下料快、出機(jī)溫度損失較少，因此把 0.16 的降溫系數(shù)改為 0.08 更接近實(shí)際情況。

（4）混凝土在運(yùn)輸和泵送澆筑過程中是在升溫（嚴(yán)寒地區(qū)的冬期除外），而升溫的大小與環(huán)境溫度成正比。為此把澆筑溫度的計(jì)算公式分為 T2冬、T2春秋和T2夏三個(gè)溫度段更合理。

（5）按 2003 年 9 月出版的《建筑施工手冊》第四版614 頁表 10-83 所查得的降溫系數(shù)ξ值偏小，實(shí)際降溫沒有那么快，因此把該系數(shù)提高 0.2 后所計(jì)算出的混凝土中心最高溫度更接近實(shí)際情況。

[1]JGJ/T104—2011．建筑工程冬期施工規(guī)程[S].

[2]著者建筑施工手冊(第四版)[M]，中國建筑工業(yè)出版社,2008:614.