高溫條件下大體積混凝土施工技術研究

楊東赤

（中國鐵建國際集團有限公司，北京100000）

1 引言

伴隨著我國建筑行業近年來的迅猛發展，大體積混凝土的使用也在快速增長，各種條件下的大體積混凝土施工技術的發展也較為成熟，已然成為很多工程建筑施工中，不可代替的重要部分。但大體積混凝土的施工在不同的施工條件下，其施工方法和技術也將有所不同。卡塔爾世界杯主體育場項目存在大量大體積混凝土工程，其中支撐體育場上部鋼結構的大立柱是典型的大體積混凝土結構，在卡塔爾高溫度高濕度的環境下，其混凝土施工十分特殊，本文將其施工中的要點進行分析總結，希望對我國相似的大體積混凝土結構施工有所裨益[1]。

由中國鐵建和卡塔爾當地企業聯合承建的魯塞爾體育場是2022年世界杯主體育場，其設計容納觀眾人數達9萬人，是標準的超大單體建筑。體育場上部設計為鋼結構加玻璃幕墻，其重量主要由體育場周圍的24根大型立柱支撐，立柱寬2m，長4m，高21.67m，豎向分3段施工，屬于典型的大體積混凝土施工。大型立柱施工期間正值卡塔爾夏季，工地上空氣溫度白天約為40℃，晚上約為34℃，給大型立柱的大體積混凝土施工帶來很大困難。大型立柱內鋼筋配置極為密集，局部鋼筋含量高達136kg/m3，混凝土澆筑、振搗和觀察困難較大。由于此立柱為體育場最為重要的承重結構，因此，確保其施工質量是項目土建施工最為重要的一項要求，為此項目采取以下重要措施確保大體積混凝土的施工質量。

2 原材料設計配合比

2.1 設計施工原材料配合比的關鍵點

設計施工原材料配合比的關鍵點包括：

1）施工人員需考慮普通水泥水化熱較高的問題，尤其是對于大體積混凝土施工而言，在大量水泥水化熱無法散發的情況下，混凝土內部溫度也會隨之增高，從而出現與混凝土表面溫度差較大的情況，進一步導致混凝土內部與表面，分別出現壓應力與拉應力。若是表面拉應力大于早期混凝土抗拉強度，混凝土就會形成溫度裂縫，所以施工應盡可能使用普通硅酸鹽水泥。另外，也可以通過對礦物外加劑與化學外加劑的合理摻加，使混凝土性能出現變化，促進其抗滲性能的提升。

2）施工人員可以適當使用連續級配碎石，在確保其含泥量≤1%的情況下，使粗骨料符合有關標準。同時，相關人員在選擇石子配制混凝土時，應注重粒徑較大且級配良好等特征，若抗壓強度比較高的話，用水量與水泥用量也可以適當減少，如此不僅水泥水化熱高的問題能得到有效緩解，也能有效促進混凝土溫升降低。

3）施工人員可以使用模數2.6的II區中砂，在保證含泥量≤1%的情況下，提高細骨料的質量。盡可能選擇平均粒徑較大的中、粗砂拌制混凝土，與細砂拌制混凝土相比較來看，用水量能降低約10%，在水泥用量適當減少的同時，對混凝土溫升降低十分有利，進而緩解混凝土收縮的問題。

4）受到混凝土澆筑方式為泵送的影響，為使混凝土泵送的便利性得到保證，可以摻加適量的粉煤灰，對水化熱與混凝土和易性改善來講十分有幫助。

5）礦粉能起到改善混凝土和易性的作用，在便于泵送的同時也能替代水泥，降低混凝土水熱化對強度的影響。

2.2 原材料設計配合比

在大體積混凝土配合比設計階段，應該全面考慮工程項目施工要求，盡量降低混凝土原材料產生的熱量，從而能夠有效降低大體積混凝土絕對溫升，避免澆筑過程出現內外溫差過大的情況。

本項目中大型立柱使用的混凝土設計強度為C60，每平方米各成分含量為：普通硅酸鹽水泥157kg，粒化高爐礦渣粉270kg，微硅粉23kg，20mm粒徑粗骨料710kg，10mm粒徑粗骨料430kg，細骨料 770kg，超塑化劑HP510 3~5kg，水 140kg。

其中，普通硅酸鹽水泥水化反應速度快，早期強度高，在澆筑到立柱高位時，有利于減少混凝土對模板的壓力，該水泥后期強度高，適用于制作高強度混凝土。但普通硅酸鹽水泥水化熱較大，不符合大體積混凝土溫控的要求。為了有效減小混凝土產生的熱量，混凝土中使用了大量粒化高爐礦渣粉作為摻合料，該摻合料可產生與水泥相似的強度，且產生熱量大大減少。另外，使用礦渣粉可使混凝土的和易性提高，有利于泵送澆筑，可使混凝土初凝時間延長，有利于高溫條件下的運輸，可使混凝土的耐久性顯著提高。微硅粉的使用可以顯著提高混凝土的抗壓、抗折、抗滲、防腐、抗沖擊及耐磨性能，該體育場位置離海很近，常年處于高濕環境中，易受到氯鹽污染侵蝕、使用微硅粉可以使混凝土耐久性大大提高，微硅粉還具有保水、防止離析、泌水、大幅降低混凝土泵送阻力的作用[1]。混凝土中的粗骨料用的是20mm和10mm粒徑的石子，小粒徑的石子確保混凝土可以均勻地在高密度鋼筋之間澆筑。細骨料為模數2.6的II區中砂，在保證含泥量≤1%的情況下，提高細骨料的質量，盡可能選擇平均粒徑較大的中、粗砂拌制混凝土，與細砂拌制混凝土相比，用水量能降低約10%，在水泥用量適當減少的同時，對混凝土溫升降低十分顯著，進而緩解混凝土收縮的問題。超塑化劑使用的是來自Epsilone公司的HP510，它是一種高效的減水劑，同時可以增加混凝土強度、提高耐久性、提高和易性和改善混凝土外觀，是一種多功能的混凝土外加劑。此結構混凝土原材料中的水膠比為0.31，低水膠比可以有效降低大體積混凝土水化作用產生的熱量。

經過反復試驗，該配合比混凝土的7d養護平均強度為61.4MPa，28d養護平均強度為73.2MPa，完全符合設計要求，其他主要試驗數據如表1和表2所示，均符合卡塔爾當地標準。

表1 立柱混凝土骨料篩分試驗數據

表2 混凝土試驗主要數據

3 高溫條件下大體積混凝土施工

3.1 控制施工原材料的溫度

施工人員可以通過對原材料溫度的控制，實現高溫條件下對大體積混凝土溫度的控制。水泥與礦渣粉提前運輸進施工現場，在陰涼處放置一段時間，使其溫度與自然環境溫度（約30℃）相接近；粗細骨料進場后運送至骨料倉，并采取有效措施控制含水率，在含水率達到砂3.5%、粗細石＜1%的情況下，將其向常用骨料倉傾倒以便后續攪拌使用；制冷水機組承擔提供混凝土攪拌所需水的責任，且制備冷水溫度維持在3℃以下，按制冷水2℃控制[2]。

3.2 控制施工用水的溫度

在混凝土出機溫度已經確定的情況下，水溫控制實際上是最簡便且有效的溫控措施，在攪拌水中添加適量的冰塊，能使混凝土出機溫度得到有效降低；若自然混凝土溫度為30℃，添加溫度為3℃的100kg冷卻水進行攪拌，能夠吸收的能量大概在10 000k J，混凝土溫度也能下降約4℃。但受到大體積混凝土用水量較小的影響，在與其他措施相比較來看效果依然不足，所以僅添加冰塊是遠遠不夠的，其他原材料預冷技術也應盡可能利用。

3.3 控制骨料的溫度

高溫條件下的骨料表面都比較干燥，且通常情況下這類施工原材料的表面溫度，都要比大氣溫度高約10℃，施工人員可以將有關規范作為根據，使骨料表面的相對濕度得到提高，進而將溫度適當降低2~4℃。因此，在大體積混凝土施工的骨料儲備方面，遮陽覆蓋以及噴淋冷水也是十分有效的方法。與此同時，砂作為溫度控制的關鍵所在，也能夠在混凝土中占據1/4~1/3，在其含水率高這一優勢的影響下，其綜合比熱容也比較高，所以砂在每降低4℃的情況下，新拌混凝土溫度也能降低1℃。

3.4 控制運輸過程中的溫度

混凝土運輸車都盡可能采取配套的罐體保溫套，使運輸過程中罐車內混凝土隔熱得到最大程度上的保障。在將混凝土快速運至施工現場后，由事先設立好的調度人員，對運輸車各布料點展開調控，以在盡量短的時間內用完新到場的全部預拌混凝土，進一步降低混凝土的等待時間，使溫度升高迅速的問題得以規避。

3.5 控制澆筑過程中的溫度

在泵送混凝土的過程中，相關人員必須要注重高溫時段對泵送管道的隔熱。相關人員需將木跳板鋪設于泵送管道的支撐架上，泵管兩側100～150mm處也需要設立木跳板，并使用木方斜撐固定，如此便形成了一個泵管隔熱簡易木槽。

施工人員應在澆筑前24h，在施工現場合理鋪設帆布以起到遮陽的作用，使太陽直射的情況得以規避，帆布在澆筑過程中根據施工進度逐漸展開，并使用適量冷水以噴霧的形式，降低已揭開部位鋼筋的溫度。

3.6 通過預裝的測溫導線進行溫度檢測

在鋼筋綁扎完畢以后，將3根測溫導線豎向預埋在鋼筋籠上，其中2根預埋在立柱2個對角處，據立柱側表面100~150mm，第3根測溫導線預埋在立柱橫截面中心處，每1根測溫導線每1m設置1個測溫點。在混凝土澆筑前開始測溫，測溫裝置將每1h測量1次溫度，持續8d。現場技術人員每24h讀取1次測溫導線中的相關數據。相關管理人員必須要提高對各環節溫度檢測的重視程度，檢測混凝土表面與大氣溫差、降溫速率、最大溫升值、混凝土中心和表面的溫差，確保混凝土不會因溫差過大產生裂縫[3]。

3.7 澆筑完成后的養護

在混凝土施工結束之后，可以采用保溫方法對混凝土進行養護，避免混凝土表面溫度降低過快，從而有效降低大體積混凝土澆筑塊體的內外溫差值，進而一定程度上降低混凝土塊體的自約束應力[4]。

4 結語

綜上所述，對于大體積混凝土施工而言，溫度是其中非常關鍵的一個控制指標，特別是在高溫條件下，混凝土溫度指標控制是保證大體積混凝土性能的最為重要的因素。因此，在確保混凝土配合比合理的前提下，對影響混凝土溫度的因素進行科學干預與控制是非常必要的，這也是混凝土溫度控制方面的重中之重。除此之外，通過對溫控措施的合理運用，也能有效控制混凝土的施工溫度，進而使大體積混凝土溫度指標滿足工程要求。