大體積混凝土冬期施工案例分析

丁大勇 陳和福 楊 鑫

混凝土澆筑后，在硬化過程中，水泥水化產生大量的水化熱，導致內部溫度急劇上升，而混凝土表面散熱較快，就形成內外的較大溫差，較大的溫差造成內部與外部熱脹冷縮的程度不同，使混凝土表面產生一定的拉應力，對于大體積混凝土施工，尤其容易產生溫差裂縫。因此，溫度應力控制是大體積混凝土施工的重點及難點?；炷炼谑┕?，由于外界溫度過低，混凝土在養護硬化過程中容易造成凍害，致使混凝土強度無法達到設計標準值，從而影響結構安全。本工程通過對混凝土配合比、施工過程及養護條件的控制，有效解決了大體積混凝土溫度應力問題，并通過混凝土自身水化熱防止混凝土凍害，達到了雙贏目的。

1 工程概況

本工程位于東北某地，該地區自然條件惡劣，冬季寒冷，冰凍期從11月至次年3月，長達4個月，凍結深度多年平均值為0.94 m，年平均溫度8.7℃，1月份氣溫最低達-19℃。工程建筑面積2 000 m2，鋼筋混凝土結構，采用筏板式基礎，基礎設計厚度1 000 mm，屬于大體積混凝土施工。結構混凝土要求:設計強度C30，抗滲等級S8，抗凍等級F250。

本工程于11月上旬開工，氣溫已至零下，全面進入冬期施工。

2 施工方案

2.1 混凝土配合比選擇

根據規范及施工經驗，冬季大體積混凝土配合比的選擇應注意以下幾個問題:水泥優先使用硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥，水泥標號不應低于425號，水灰比不應大于0.6[1];混凝土冬期施工，為提高混凝土早期強度，不宜加入粉煤灰等外加劑，但對于大體積混凝土施工，加入適當的粉煤灰有利于混凝土溫度控制并能降低成本。本工程采用425號普通硅酸鹽水泥，水灰比0.43，每立方米摻入52 kg粉煤灰(見表1，表2)。

表1 混凝土技術條件

表2 每立方米混凝土材料用量 kg

2.2 施工工藝

施工過程中，混凝土攪拌站采用熱水攪拌，砂石采取保溫措施，保證混凝土出罐溫度不低于10℃，入模溫度不低于5℃?；炷羵鳠崮Ｐ褪疽鈭D見圖1。為減少混凝土溫度損失，同時確保大體積混凝土振搗質量，澆筑過程中，采取分區分層澆筑(見圖2)。本工程利用混凝土拌合物的初始熱量，加之水泥初期水化時產生的水化熱，外側采用保溫材料進行保溫蓄熱，養護期間不再額外加熱?？紤]到大體積混凝土澆筑，為防止出現溫差裂縫，養護期間應控制混凝土內外溫差，一般控制在25℃以內。因此，混凝土澆筑后硬化過程中須采取有效措施保溫及保濕，且要充分考慮其經濟性和可操作性。

混凝土最高溫升Tmax(℃)采用以下經驗公式確定:

其中，T0為混凝土澆筑溫度，℃;W 為單位水泥用量，kg/m3;F為單位磨細粉煤灰摻量，kg/m3。

近似采用一維穩態導熱模型[2]，并簡化其邊界條件，估算保溫蓄熱層所需的厚度。

其中，H為底板厚度;λ1為蓄熱層導熱系數，取0.05 W/(m?℃);λ2為混凝土導熱系數，取 2.3 W/(m?℃);Ta為混凝土表面溫度，Ta=Tmax-ΔT(ΔT為控制溫差);Tb為施工時日平均氣溫，此處取值-10℃;δ為蓄熱層厚度，m。δ=0.5Hλ1(Ta-Tb)/[λ2(Tmax-Ta)]=0.5×0.08×(12.64+10)/(2.3×25)=0.016 m。

根據以上理論計算，并結合施工經驗，分區澆筑完畢后表面立即采用塑料薄膜進行覆蓋，防止養護過程中水分散發過快，有利于保濕;然后覆蓋一層土工布，最后加蓋兩層草簾被。

混凝土內預埋測溫管，每組兩根，一根埋入混凝土厚度一半的位置，一根埋入混凝土表面下50 mm處。根據對稱的特點，測溫區的測點布置成“X”形。共布置24組測點，48個測溫管(如圖 3所示)。

測溫管每組平面間距6 m。管上口露出底板表面200 mm左右，測溫用紅外測溫儀測讀，為能精確體現混凝土內部溫度，測溫管上口必須用棉包塞嚴，測完溫度繼續塞好棉包?；炷吝M入養護期后，進行溫度測量，記錄環境、混凝土表面溫度及混凝土中心溫度，以便掌握保溫、養護情況，施工過程中備留2組同條件養護試件，分析混凝土強度增長情況。

3 數據分析

混凝土澆筑于11月25日完成，養護前7天內每2 h測溫一次，此處取其中三組測點(W1，W6，W12)的數據進行分析。

由圖4～圖 6分析可以看出，3組測點溫度變化曲線相似，且基本在澆筑后第3天溫度升至最高，這與混凝土水化熱增長的基本規律是一致的，說明混凝土養護狀態良好;溫度下降曲線平緩，有利于控制總拉應力不超過同齡期的混凝土抗拉強度，防止出現收縮裂縫;混凝土內部及表面溫度差較小，控制在25℃以內，保溫措施有效。值得一提的是，實際的溫差較理論計算值偏小，此種情況下，可以適當減少保溫蓄熱層，加快散熱，但應加強測溫，注意溫度變化，防止溫降過快。

另外，可以通過對同條件養護試件的抗壓強度分析來驗證混凝土強度增長是否正常，是否達到臨界受凍強度值。

一組同條件養護試件養護 3 d后進行試壓，強度代表值18.2 MPa，占設計強度值的61%;另一組同條件養護試件達到等效養護齡期[3]后進行試壓，強度代表值 36.9 MPa，占設計強度值的123%(見表3，表4)?？梢娀炷翉姸仍鲩L情況良好，最終狀態滿足設計要求。

養護期結束后，經檢查，混凝土表面未出現裂縫，外觀質量良好。

表3 同條件養護試件抗壓強度值(3 d)

表4 同條件養護試件抗壓強度值(600℃?d)

4 結語

本文通過大體積混凝土冬季施工的某一案例，闡述了大體積混凝土冬期配合比的選用，混凝土溫升及保溫蓄熱層厚度的估算方法，并對混凝土溫度變化情況的實測數據及強度試驗值進行了分析。結果表明，大體積混凝土冬期施工僅采用蓄熱法養護是切實可行的，在理論計算的基礎上，采取有效的溫度監控措施，可以保證混凝土施工質量，并能降低冬期施工成本。

[1] JGJ 104-97，建筑工程冬期施工規程[S].

[2] 章熙民.傳熱學[M].北京:高等教育出版社，2001.

[3] GB 50204-2002，混凝土結構工程施工質量驗收規范[S].

[4] 焦啟文，魯曉均.冬季混凝土施工技術[J].山西建筑，2009，35(20):159-160.