大體積混凝土熱工計算與實測溫度對比分析

陳飛，張學兵，張先博

（黑龍江宇輝新型建筑材料有限公司，黑龍江 哈爾濱 150025）

1 大體積混凝土熱裂縫產生機理

大體積混凝土結構尺寸比較厚大，混凝土在凝結硬化過程中，水泥水化時會釋放出大量水化熱。由于混凝土是熱的不良導體，散熱很慢，會導致其在澆筑后的幾天里溫度大幅度上升，因此造成混凝土內外溫差很大，形成溫度梯度，有時可達 30～60℃，這將使混凝土產生內脹外縮。根據“熱脹冷縮”的原理，混凝土在升溫期，體積會有所膨脹，這時混凝土不會開裂。混凝土內部溫度大約在 3 天左右達到峰值，隨后便進入降溫階段。混凝土在降溫期體積開始收縮，然而，此時混凝土早已凝結硬化，混凝土在收縮時會受到地基、梁柱以及鋼筋骨架和變形結構等的約束，表面將產生很大的拉應力。當變形產生的拉應力超過其抵抗斷裂的能力時，就會引起開裂，出現宏觀可見裂縫。因此，控制大體積混凝土裂縫的關鍵在于控制溫度梯度和提高混凝土早期抗拉強度。這就要求在原材料選擇、配合比設計、生產過程控制、施工工序、養護方案等多個環節上加以控制。

2 工程概況

哈爾濱香港衛視東北亞總部基地項目總建筑面積約為 169600m2，由地上和地下兩部分組成。地下為負兩層，主要由車庫及設備用房與人防構成，總建筑面積約 60594 m2；地上部分由四棟商業綜合體、兩棟公寓式住宅和一棟寫字樓構成。其中 A 棟為主體獨立建筑，高度 107.6m，主樓大體積基礎由基礎承臺和核心筒基礎筏板組成，截面高度為 2000mm。該工程基礎采用 C40 P8 抗滲混凝土。施工期在 8 月中旬，平均氣溫約 20℃。

3 混凝土配合比設計及熱工計算

3.1 原材料的選擇

根據大體積混凝土結構的特點，所選原材料在滿足相關標準質量要求的同時，還應滿足以下要求：

（1）采用水化熱較低的 P·O42.5 水泥。

（2）礦物摻合料采用 S95 級礦粉和 Ⅱ 級粉煤灰。

（3）細骨料采用中砂，細度模數大于 2.3。

（4）粗骨料采用 5.0～31.5mm 連續級配的機制碎石，無堿活性。

（5）采用緩凝型泵送劑，凝結時間宜大于 24h，以使水泥緩慢水化，充分釋放水化熱。

（6）采用混凝土膨脹劑 UEA，其性能應滿足 GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》的要求，用以補償混凝土的收縮。

3.2 配合比設計

配合比設計應滿足如下要求：

（1）降低水泥摻量，增加礦物摻合料用量。

（2）混凝土坍落度宜為 (180±20)mm。

（3）拌合水用量不宜大于 170kg/m3。

（4）水膠比不宜大于 0.40。

（5）砂率宜為 38%～45%。

經多次試配調整，最終確定混凝土配合比見表1。

表1 大體積混凝土配合比 kg/m3

3.3 混凝土熱工計算

該工程 8 月中旬施工，混凝土入模溫度約為 25℃，現進行熱工計算如下：

（1）混凝土最大絕熱溫升

因膨脹劑摻量比較少，可按水泥用量近似計算。

式中：

T(t)——混凝土齡期為 t 時的絕熱溫升，℃；

W ——每立方米混凝土中膠凝材料用量，kg/m3；

Q ——膠凝材料水化熱總量，kJ/kg；

C——混凝土比熱容，可取 0.92～1.00kJ/(kg·℃)，此處取 0.93；

ρ ——混凝土的容重，kg/m3；

e ——為常數，取 2.718；

其中：

式中：

Q0——水泥水化熱總量，此處取 335kJ/kg；

k ——不同摻量摻合料水化熱調整系數。

當采用粉煤灰與礦粉雙摻時，不同摻量摻合料水化熱調整系數可按下式計算：

式中：

k1——粉煤灰摻量對應的水化熱調整系數；

k2——礦渣粉摻量對應的水化熱調整系數。

k1和 k2取值見表2。

表2 不同摻量摻合料水化熱調整系數

根據摻合料摻量，由表2 得：k1=0.94，k2=0.95，求得 Q=298kJ/kg。

式中：

m0——等效硅酸鹽水泥對應的系數；

W——等效硅酸鹽水泥用量，kg；

A、B——與混凝土施工入模溫度相關的系數，按表3 取內插值；當入模溫度低于 10℃ 或高于 30℃ 時，按 10℃ 或 30℃ 選取；

表3 不同入模溫度對 m 的影響值

WC——單方其他硅酸鹽水泥用量，kg；λ——修正系數。

當使用不同品種水泥時，可按表4 的系數換算成等效硅酸鹽水泥的用量。

表4 不同硅酸鹽水泥的修正系數

假設入模溫度為 25℃，計算得：m=1.178，由公式 (1) 計算得混凝土各齡期絕熱溫升見表5。

表5 各齡期混凝土絕熱溫升 T(t)

（2）混凝土中心計算溫度

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式中：

T1(t)—— t 齡期混凝土中心計算溫度，℃；

Tj——混凝土澆筑溫度，℃；

ξ(t)—— t 齡期降溫系數（亦叫散熱系數），查表6

表6 降溫系數 ξ

取混凝土厚度為 2.0m，經公式 (7) 計算得各齡期混凝土內部實際最高溫度，見表7。

表7 各齡期混凝土內部實際最高溫度 T1(t)

由表7 可知，混凝土澆筑體在入模溫度基礎上溫升值不大于 50℃，滿足標準要求。

（3）混凝土表層（表面下 50～100mm 處）溫度

混凝土澆筑體表面建議采用聚苯板蓄熱保溫養護，并在聚苯板下鋪一層不透風的塑料薄膜。

保溫材料厚度計算

式中：

δ——混凝土表面的保溫層厚度，m；

h——混凝土結構的實際厚度，m；

λ0——混凝土導熱系數，W/(m·K)，此處取 2.33；

λi——第i 層保溫材料的導熱系數，W/(m·K)，聚苯板取 0.042；

Tb——混凝土澆筑體表面溫度，℃；

Tq——混凝土達到最高溫度（澆筑后 3～5d）的大氣平均溫度，℃，取 20；

Tmax——混凝土澆筑體內的最高溫度，℃。

計算時可取 Tb- Tq=15～20℃，此處取 15℃，

Tmax- Tb= 20～25℃，此處取 25℃；

Kb——傳熱系數修正值，取 1.3～2.0，查表8。此處取 1.3。

表8 傳熱系數修正值

經計算，當混凝土厚度為最大時，保溫材料厚度得：δ=0.014m，故可采用 2cm 厚聚苯板覆蓋，即可滿足保溫養護要求。

混凝土保溫層的傳熱系數

式中：

β——混凝土保溫層的傳熱系數，W/(m2·K)；

δi——各保溫材料厚度，m，此處取 0.02；

λi——各保溫材料導熱系數，W/(m·K)，此處取 0.042；

βq——空氣層的傳熱系數，W/(m2·K)，此處取 23；

計算得：β = 1.92W/(m2·K)

1）混凝土虛厚度

式中：

h′——混凝土虛厚度，m；

k——折減系數，取 0.667；

λ——混凝土導熱系數，W/(m·K)，取 2.33。

計算得：h′=0.8 m

2）混凝土計算厚度

式中：

H——混凝土計算厚度，m；

h——混凝土實際厚度，m。

計算得：H= 3.6m

3）混凝土表層溫度

式中：

T2(t)—— t 齡期混凝土表面溫度，℃；

Tq——施工期大氣平均溫度，取 20℃；

T1(t)—— t 齡期混凝土中心溫度，℃。

計算結果見表9。

表9 不同齡期 T1(t) 和 T2(t) 計算結果

由表9 計算結果可知，混凝土內外溫差＜25℃，滿足標準要求。

4 大體積混凝土現場測溫

4.1 測溫點設置

該樓大體積基礎由基礎承臺和核心筒基礎筏板組成，其中基礎筏板規格 (23700×18347×2000)mm3。選擇基礎筏板進行測溫，測溫點布置如圖 1 和圖 2。

圖1 橫向測溫點布置示意圖

圖2 豎向測溫點布置示意圖

4.2 測溫結果分析

以最具代表性的 A-4 基礎中心測溫點為例，其測溫結果如表10。

表10 基礎中心測溫點 A-4 測溫數據 ℃

由表9 和表10 中的數據對比可見，實測結果與理論計算結果基本相符。從實測結果可以看出，中心溫度 3d 和 6d 溫度比計算值偏高 2～4℃，而后期溫度趨于一致。估計是因為所用水泥細度較細，加快了水泥早期水化硬化速度，產生較多的水化熱，從而使混凝土的溫升增高。

從表10 的數據可知，頂部溫度低于底部溫度，說明頂部散熱速度比底部快。

從圖 3 可見，水化溫升在第4 天時達到峰值，比理論預期值延后了 1 天左右。這是由于采用了緩凝型泵送劑，凝結時間大于 24h，有效地延緩了水泥水化速度，使充分釋放水化熱。

圖3 混凝土中心溫度實測值與計算值的對比

5 結語

（1）本工程大體積混凝土是依據 GB 50496—2018《大體積混凝土施工標準》進行熱工計算的，其混凝土中心溫度計算值與實測值基本相吻合，均滿足要求。

（2）中心溫度 3d 和 6d 溫度的實測值比計算值偏高 2～4℃，而后期溫度趨于一致。

（3）頂部溫度低于底部溫度，說明頂部散熱速度比底部快。

（4）水化溫升在第4 天時達到峰值，比理論預期值延后了 1 天左右。