某工程大體積混凝土的水化熱分析

孫志彬，姚雪濤

（河北建設集團股份有限公司混凝土分公司，河北 保定 071000）

1 工程概況

某工程筏板基礎厚度為 1900mm、2200mm、2400mm，電梯井、集水坑局部厚度達 5050mm、6300mm。筏板基礎設計強度等級為 C35，抗滲等級為P8，混凝土用量約 7000m3。該工程屬大體積且有抗滲要求的特殊混凝土，其對混凝土密實度和耐久性要求較高，且施工期在 7 月，平均溫度為 32℃，為防止因大體積混凝土內外溫差過大而產生溫度應變裂縫就顯得尤為重要。在該工程筏板基礎澆筑前，我們分析了大體積混凝土的施工控制要素，并進行了水化熱分析，以論證施工方案的可行性。

2 配合比設計

依據 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》及 GB 50496—2018《大體積混凝土施工標準》進行原材料優選及配合比設計。

所選原材料在滿足相關標準規范質量要求的同時，還應滿足以下要求：

（1）采用低水化熱的 P·O42.5 水泥。

（2）細骨料采用中砂，細度模數宜大于 2.3，含泥量不應大于 3%。

（3）粗骨料粒徑宜為 5.0～31.5mm，并應連續級配，含泥量不應大于 1%，且為非堿活性的粗骨料。

（4）應采用緩凝型外加劑，使得混凝土初凝時間控制在 8～10h，避免出現混凝土接茬冷縫。

配合比設計應滿足如下要求：

（1）嚴格控制水泥用量，并合理摻用礦物摻合料。

（2）混凝土拌合物坍落度不宜大于 180mm。

（3）拌合水用量不宜大于 170kg/m3。

（4）水膠比不宜大于 0.45。

（5）砂率宜為 38%～45%。經反復試配調整，最終確定配合比如表 1 所示。

表 1 設計配合比 kg/m3

3 水化熱分析

為掌握混凝土澆筑、養護過程中，水化熱造成的溫度變化情況，以便于控制混凝土溫升、溫降速率，防止混凝土內外溫差過大，造成溫度應力裂縫，結合設計配合比，進行熱工計算如下：

3.1 膠凝材料的水化熱

式中：

Q——膠凝材料的水化熱總量，kJ/kg；

k1——粉煤灰摻量對應的水化熱調整系數，取0.95；

k2——礦渣粉摻量對應的水化熱調整系數，取0.93；

Q0——水泥的水化熱總量，kJ/kg，采用 P·O42.5 水泥，取值 377kJ/kg。

3.2 混凝土的絕熱溫升值

式中：

T(t)——齡期為t時，混凝土的絕熱溫升值，℃；

W——每方混凝土中膠凝材料的用量 (kg/m3)，取值 436kg/m3；

C——混凝土的比熱，J/(kg·℃)，取 0.96×103J/(kg·℃)；

ρ——混凝土的密度，kg/m3，根據配合比取 2380kg/m3；

t——混凝土齡期，d；

m——與水泥品種、用量和入模溫度等有關的單方膠凝材料對應系數，取 0.4d-1。

3.3 混凝土由水化熱引起的實際溫升（中心最高溫度）

式中：

Tm(t)——齡期為 t 時，混凝土的中心最高溫度，℃；

Tj——入模溫度，經試驗實測，取值 28℃；

ζ(t)—— t 齡期混凝土的降溫系數，按表 2 取值。

表 2 不同齡期和澆筑厚度的 ζ 值

該筏板基礎厚度 1900mm、2200mm、2400mm，按最大值選取 2.5m 厚度不同齡期時的 ζ 值。電梯井雖然厚度較大，但頂部及側面（坑內）外露，不單獨計算，加強測溫養護。

3.4 混凝土的表面溫度

式中：

Tb(t)——齡期為 t 時，混凝土的表面溫度，℃；Tq——齡期為 t 時，大氣的平均溫度，取 32℃；ΔT(t)——齡期為 t 時，混凝土中心溫度與大氣的平均溫度之差，℃；

H——混凝土的計算厚度，m。

h——混凝土的實際厚度，取 2.4m；

h ɑ——混凝土的虛厚度，m。

λ——混凝土的導熱系數，取 2.33W/(m2·k)；

K——計算折減系數，可取 0.666；

β——模板及保溫層的傳熱系數，W/(m2·k)。

δi——各種保溫材料的厚度，m；

λi——各種保溫材料的導熱系數，W/(m·k)；

βq——空氣層傳熱系數，取 23W/(m2·k)。

該筏板基礎采用木模厚 0.015m；表面蓋塑料薄膜厚度 0.0003m；表面灑水覆蓋 0.01m。保溫材料導熱系數按表 3 取值。

3.5 計算與分析

根據以上公式及取值，可計算得出不同齡期時，混凝土中心與表面的溫差和混凝土表面與大氣的溫差，具體數據見表 4。

表 3 部分保溫材料的導熱系數

表 4 不同齡期時混凝土表面溫度及內外溫差 ℃

通過分析表 4，可知：

（1）入模溫度 28.0℃＜30.0℃；

（2）最大絕熱溫升值 64.0-28.0=36.0℃＜50.0℃；

（3）混凝土中心與表面的最大溫差為 23.4℃＜25.0℃；

（4）混凝土表面與大氣最大溫差 8.6℃＜20.0℃；

（5）最大降溫速率 (58.2-46.4)/(18-12)=1.97℃＜2.0℃。

在 3～30d 齡期內，該筏板基礎混凝土各項溫度指標均滿足 GB 50496—2018《大體積混凝土施工標準》規范要求。

4 結論

通過水化熱分析，可知該施工方案中的配合比選用及保溫養護措施是可行的。但此計算結果為理論設定計算結果，為確保大體積混凝土不出現溫度應力裂縫，在實際施工時還應嚴格控制混凝土入模溫度不超過30℃，并根據氣溫變化等實際情況，參考實際測溫數據來控制保溫覆蓋材料的增減，及時對養護措施進行調整。