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摘要:温度裂缝的控制一直是混凝土施工中的难题，尤其是大体积混凝土不易散热，内外温差过大易引起裂缝，甚至会破坏混凝土结构。因此，加强对大体积温度裂缝的控制具有重要意义。本文以地下室底板大体积混凝土施工为例，通过采用冷却管对混凝土内部进行通水降温、加强温度监测及信息化施工等方面的控制措施，取得了较好的温度裂缝控制效果。
关键词:大体积混凝土；温度裂缝；降温；测温；信息化施工
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
随着我国社会经济建设步伐的不断加快，越来越多的建筑应用了大体积混凝土。大体积混凝土主要的特点就是体积大,一般实体最小尺寸大于或等于1m。它的表面系数比较小,水泥水化热释放比较集中,内部温升比较快。混凝土内外温差较大时，会使混凝土产生温度裂缝。如果不进行合理的控制，不仅会影响到底板基础大体积混凝土结构的耐久性和稳定性，同时也不利于高层建筑投入使用后的功能发挥。因此，在大体积混凝土施工中合理控制混凝土温度，采取科学温度裂缝控制措施是减少温度裂缝和提高混凝土浇筑质量的关键因素。
1 工程概况
某建筑工程，总建筑面积约90000m2，其中地上约65000m2，地下约25000m2。主楼采用现浇钢筋混凝土框剪结构，裙房采用现浇钢筋混凝土框架结构。地下室底板混凝土设计强度等级C35P10，混凝土最大浇注部位为主楼大体积承台，截面尺寸：长12.5m，宽12.5m，厚2.5m，混凝土浇注量分别为390m3，属大体积混凝土。
2 工程特点及控制目标
本工程对地下室人防级别要求较高，且基础埋深较深，抗渗也有较高要求，因此对混凝土裂缝的控制尤为重要。为此，必须控制大体积混凝土的内外温差在规范规定的允许范围内，保证大体积混凝土施工不会产生温度裂缝和收缩裂缝，这是本工程施工的主要目标，在施工过程中应加以重点控制。
3 大体积混凝土水化温升和内、外温度变化情况计算分析
本工程大体积混凝土配合比按最大程度减少水化热的原则进行配置，具体配合比设计为每方混凝土材料用量为：水泥325kg,粉煤灰87kg，砂693kg，碎石1039kg，水175kg。
(1)混凝土绝热温升：
(1)
式(1)中:T(t)—混凝土龄期为t时的绝热温升(℃)；W—混凝土的胶凝材料用量(kg/m3)；Q—胶凝材料水化热总量(kJ/kg)，Q=kQ0，其中k为不同掺量掺合料水化热调整系数，取k=0.936；Q0—水泥水化热总量(kJ/kg)，由查施工规范及施工计算手册计算Q0=391kJ/kg；C—混凝土的比热，取0.97kJ/(kg·K)；ρ—混凝土的重力密度，取2400kg/m3；m—与水泥品种、浇筑温度等有关的系数，取入模温度为21℃，则系数取0.3664。根据上述公式计算所得不同龄期绝热温升见表1。T(1)=21.14℃。
(2)混凝土内部中心温度:
T1(t)=To+T(t)ξ(t) (2)
式(2)中：T1(t)—龄期混凝土内部中心最高温度(℃)；To—混凝土的浇筑入模温度(℃)；T(t)—混凝土最终绝热温升(℃)；ξ(t)—t龄期温降系数。
从上述公式可知，降低入模温度可显著降低混凝土内部中心温度。因此，本工程选择在晚上温度较低时浇筑混凝土，降低混凝土的入模温度，将入模温度控制在21℃以内。根据上述公式并查施工计算手册计算得不同龄期混凝土中心温度见表1。
(3)蓄水养护深度：
本工程根据实际情况，混凝土表面收水拉毛后，立即覆盖一层塑料薄膜，待混凝土初凝后利用核心筒内电梯井坑进行畜水保温养护，直至温差降至安全范围内。具体蓄水深度由以计算确定：
(3)
式(3)中：X—蓄水养护时间，取X=336h；Tmax-T2=20℃；Kb传热系数修正值，取1.3；λw—水的导热系数，取0.58；M—混凝土结构表面系数，。根据上述公式计算所得蓄水养护深度为：Hw=3.6cm。
(4)混凝土表层温度：
T2(t)=Tq+4h′(H-h′)[T1(t)-Tq］/H2 (4)
式(4)中：T2(t)—t龄期混凝土表面温度(℃)；Tq—施工期大气平均温度(℃)，取15.2℃；h′—混凝土虚厚度(m)，h′—=K′·λ/β，K′为折减系数，取2/3，λ为混凝土导热率，取2.33W/m·K；β为混凝土表面模板及保温层传热系数(W/m2·K)，β=1/［δw/λw+1/βq］，δw—蓄水保温层厚度(m)，λw—水的导热系数，取0.58，βq—空气层的传热系数，取23(W/m2·K)；查施工计算手册并计算得：h′=0.118m。H—混凝土计算厚度(m)，H=h+2h′，h—混凝土实际厚度(m)。根据上述公式计算所得不同龄期混凝土表层温度见表1。
表1 不同龄期混凝土表层温度
从表中数据可看出，本工程大体积混凝土浇筑体内部中心温度从开始浇筑起到第9天为温升阶段，前3天温升速度较快，第3至6天渐缓爬升，6天过后渐渐趋于最高值，第9天达到最高值，而后开始降温。总体上在入模温度基础上的最大温升值为39.3℃，小于50℃，符合《大体积混凝土施工规范》要求。混凝土表层温度从开始浇筑起到第8天缓慢爬升，9天过后开始降温。当混凝土内部中心温度达到60.3℃时，混凝土内外温差可达35.27℃，高于常规规定25℃。因此，必须采取必要措施控制混凝土内外温差，确保混凝土不开裂。
4 混凝土内部布置冷管通水降温
由上述计算过程可知，混凝土浇筑后内部温升较快而表面温度温升较平缓，只要对混凝土内部进行主动降温，就能很好控制内外温差，进而控制裂缝产生。内部通水降温法特别适用于较厚的大体积混凝土施工，通水降温后混凝土水化产生的热量大部分经由通入混凝土内部的水带走，相当于降低了厚度，可显著降低混凝土内部温度和缩小内外温差，避免冷却后的混凝土拉应力过大而产生温差裂缝；与其它方法相比，内部通水降温具有主动性，更容易控制混凝土内部温度，具有明显的优越性。
因此，本工程决定采用“内部通水降温，外部蓄水养护”水循环施工技术，将混凝土内外温差控制在20℃内，确保不出现温差裂缝。根据工程经验，沿混凝土厚度中心的水平面均匀布置三个回路的规格为Φ50循环水管，每个水管设进水口和出水口各一个(见图1)。混凝土浇筑完毕后12h开始通水。由上述计算知，1d的绝热温升为21.14℃，而混凝土入模温度为21℃，考虑降温系数的影响，则此时的混凝土内部中心温度不会超过42℃，将开始进水温度控制在19℃左右可保证水温与接触面的混凝土温差不超過25℃。利用核心筒内电梯井坑进行畜水养护，初始蓄水深度取20cm(水泵正常工作所需最小深度)。利用水泵的工作原理，将电梯井坑内的冷水抽进已布置的冷却管内，同时将水管内的热水排出到基坑内，建立水循环，利用物质热交换原理，带走混凝土内部水化热，降低混凝土内部温度。施工过程应注意选择水泵型号，合理控制水流速度，将进出口水温差控制在2℃以内；同时进出水口每天应交换一次，使得混凝土内部温度比较均匀，降低温度裂缝出现的可能性。
图1 冷凝水管布置图
根据物质热交换原理，水带走的热量等于混凝土降温需排出的热量，则可推导出冷却水管中水的流速为：
(5)
式(5)中：V流—水的流速；t—冷却水管通水时间；ρ水—水的密度；△T水—进出水口水的温差，取2℃；C水—水的比热；V混—混凝土体积；C混—混凝土比热；ρ混—混凝土密度；△T混—混凝土降温值。
本工程大体积混凝土内外温差控制在20℃内，则混凝土浇筑后3d、4d、5d、6d、7d、8d、9d时需降低度数分别为：8.1、11.2、13.16、14.33、15、15.25和15.27℃；由上式计算得出混凝土浇筑后3d、4d、5d、6d、7d、8d、9d时冷却水管中的水流速度分别为:0.58、0.6、0.56、0.51、0.46、0.41和0.36m/s。因此，本工程的冷却水管中水的流速取0.6m/s，就能够保证将内外温差控制在20℃以内，确保混凝土不开裂。
5 测温及信息化施工
(1)测温点布置及监测：上述计算是按混凝土内部须排出的水化热全部由降温水管中的水带走考虑，实际上混凝土向降温水管传递热量的影响因素较多，对计算结构可能产生较大影响，因此必须加强测温工作，发现问题及时纠正。
(2)信息化施工：混凝土从浇筑到硬化有一个升温和降温的过程，特别降温至环境温度的过程比较缓慢，为此，测温从混凝土浇筑后马上开始监测，1次/2h。主要监测混凝土浇筑及固化过程中，混凝土水化热即时温度、内表温差、降温速率及蓄水温度(即水管进水温度)。
6 工程实施效果
通过对大体积混凝施工的具体温控措施进行分析，以及对施工过程全面监控和管理，实施信息化施工完成后，选择具有代表性的中心测温杆第3天至第9天测温数据与不通水理论计算数据画曲线图如图2。
图2 通水降温与不通水降温计算数据对比图
从图3中可看出：①通水降温后，中心温度整体明显回落，特别是第5天以后，下降更为明显；②通水降温后，中心温度第5天时达到峰值为53.5℃，而不通水理论计算状态下的第5天温度及温度峰值分别为57.6℃、60.3℃，前后相比分别少4.1℃、6.8℃；③采用水循环蓄水养护，表层温度明显提高，温水养护效果好；④在不通水理论计算状态下，曲线随时间的推移呈上升扩大开口状态，即温升持续提高、温差持续加大；而在通水降温状态下，曲线随时间的推移平行小起伏后呈缩口状态，温差在第5天时达到最大值18.3℃后持续下降，即温升小幅升高后持续回落，温差稳定保持在20℃以内。上述情况表明，所采取的内外温差控制技术措施得当，通水降温后，混凝土内部降温效果明显，成功地将温差控制在预定的20℃以内，满足设计和施工验收规范要求，达到了预期的目的。经检查，各基础外观质量良好，无任何裂缝，取得良好的效果。
7 结束语
实践证明，本工程的地下室底板大体积混凝土施工温度裂缝控制措施是有效的，在底板混凝土浇筑完毕至今未出现有害裂缝，混凝土强度、抗裂性能满足设计要求，其温度控制经验为类似工程的施工有著重要价值。
参考文献
[1] 姜小虎;乐德山.地下室底板大体积混凝土裂缝控制技术[J].山西建筑,2008年18期
[2] 何淑芸;张高峰.大体积混凝土降温施工措施[J].科技致富向导,2010年29期
关键词:大体积混凝土；温度裂缝；降温；测温；信息化施工
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
随着我国社会经济建设步伐的不断加快，越来越多的建筑应用了大体积混凝土。大体积混凝土主要的特点就是体积大,一般实体最小尺寸大于或等于1m。它的表面系数比较小,水泥水化热释放比较集中,内部温升比较快。混凝土内外温差较大时，会使混凝土产生温度裂缝。如果不进行合理的控制，不仅会影响到底板基础大体积混凝土结构的耐久性和稳定性，同时也不利于高层建筑投入使用后的功能发挥。因此，在大体积混凝土施工中合理控制混凝土温度，采取科学温度裂缝控制措施是减少温度裂缝和提高混凝土浇筑质量的关键因素。
1 工程概况
某建筑工程，总建筑面积约90000m2，其中地上约65000m2，地下约25000m2。主楼采用现浇钢筋混凝土框剪结构，裙房采用现浇钢筋混凝土框架结构。地下室底板混凝土设计强度等级C35P10，混凝土最大浇注部位为主楼大体积承台，截面尺寸：长12.5m，宽12.5m，厚2.5m，混凝土浇注量分别为390m3，属大体积混凝土。
2 工程特点及控制目标
本工程对地下室人防级别要求较高，且基础埋深较深，抗渗也有较高要求，因此对混凝土裂缝的控制尤为重要。为此，必须控制大体积混凝土的内外温差在规范规定的允许范围内，保证大体积混凝土施工不会产生温度裂缝和收缩裂缝，这是本工程施工的主要目标，在施工过程中应加以重点控制。
3 大体积混凝土水化温升和内、外温度变化情况计算分析
本工程大体积混凝土配合比按最大程度减少水化热的原则进行配置，具体配合比设计为每方混凝土材料用量为：水泥325kg,粉煤灰87kg，砂693kg，碎石1039kg，水175kg。
(1)混凝土绝热温升：
(1)
式(1)中:T(t)—混凝土龄期为t时的绝热温升(℃)；W—混凝土的胶凝材料用量(kg/m3)；Q—胶凝材料水化热总量(kJ/kg)，Q=kQ0，其中k为不同掺量掺合料水化热调整系数，取k=0.936；Q0—水泥水化热总量(kJ/kg)，由查施工规范及施工计算手册计算Q0=391kJ/kg；C—混凝土的比热，取0.97kJ/(kg·K)；ρ—混凝土的重力密度，取2400kg/m3；m—与水泥品种、浇筑温度等有关的系数，取入模温度为21℃，则系数取0.3664。根据上述公式计算所得不同龄期绝热温升见表1。T(1)=21.14℃。
(2)混凝土内部中心温度:
T1(t)=To+T(t)ξ(t) (2)
式(2)中：T1(t)—龄期混凝土内部中心最高温度(℃)；To—混凝土的浇筑入模温度(℃)；T(t)—混凝土最终绝热温升(℃)；ξ(t)—t龄期温降系数。
从上述公式可知，降低入模温度可显著降低混凝土内部中心温度。因此，本工程选择在晚上温度较低时浇筑混凝土，降低混凝土的入模温度，将入模温度控制在21℃以内。根据上述公式并查施工计算手册计算得不同龄期混凝土中心温度见表1。
(3)蓄水养护深度：
本工程根据实际情况，混凝土表面收水拉毛后，立即覆盖一层塑料薄膜，待混凝土初凝后利用核心筒内电梯井坑进行畜水保温养护，直至温差降至安全范围内。具体蓄水深度由以计算确定：
(3)
式(3)中：X—蓄水养护时间，取X=336h；Tmax-T2=20℃；Kb传热系数修正值，取1.3；λw—水的导热系数，取0.58；M—混凝土结构表面系数，。根据上述公式计算所得蓄水养护深度为：Hw=3.6cm。
(4)混凝土表层温度：
T2(t)=Tq+4h′(H-h′)[T1(t)-Tq］/H2 (4)
式(4)中：T2(t)—t龄期混凝土表面温度(℃)；Tq—施工期大气平均温度(℃)，取15.2℃；h′—混凝土虚厚度(m)，h′—=K′·λ/β，K′为折减系数，取2/3，λ为混凝土导热率，取2.33W/m·K；β为混凝土表面模板及保温层传热系数(W/m2·K)，β=1/［δw/λw+1/βq］，δw—蓄水保温层厚度(m)，λw—水的导热系数，取0.58，βq—空气层的传热系数，取23(W/m2·K)；查施工计算手册并计算得：h′=0.118m。H—混凝土计算厚度(m)，H=h+2h′，h—混凝土实际厚度(m)。根据上述公式计算所得不同龄期混凝土表层温度见表1。
表1 不同龄期混凝土表层温度
从表中数据可看出，本工程大体积混凝土浇筑体内部中心温度从开始浇筑起到第9天为温升阶段，前3天温升速度较快，第3至6天渐缓爬升，6天过后渐渐趋于最高值，第9天达到最高值，而后开始降温。总体上在入模温度基础上的最大温升值为39.3℃，小于50℃，符合《大体积混凝土施工规范》要求。混凝土表层温度从开始浇筑起到第8天缓慢爬升，9天过后开始降温。当混凝土内部中心温度达到60.3℃时，混凝土内外温差可达35.27℃，高于常规规定25℃。因此，必须采取必要措施控制混凝土内外温差，确保混凝土不开裂。
4 混凝土内部布置冷管通水降温
由上述计算过程可知，混凝土浇筑后内部温升较快而表面温度温升较平缓，只要对混凝土内部进行主动降温，就能很好控制内外温差，进而控制裂缝产生。内部通水降温法特别适用于较厚的大体积混凝土施工，通水降温后混凝土水化产生的热量大部分经由通入混凝土内部的水带走，相当于降低了厚度，可显著降低混凝土内部温度和缩小内外温差，避免冷却后的混凝土拉应力过大而产生温差裂缝；与其它方法相比，内部通水降温具有主动性，更容易控制混凝土内部温度，具有明显的优越性。
因此，本工程决定采用“内部通水降温，外部蓄水养护”水循环施工技术，将混凝土内外温差控制在20℃内，确保不出现温差裂缝。根据工程经验，沿混凝土厚度中心的水平面均匀布置三个回路的规格为Φ50循环水管，每个水管设进水口和出水口各一个(见图1)。混凝土浇筑完毕后12h开始通水。由上述计算知，1d的绝热温升为21.14℃，而混凝土入模温度为21℃，考虑降温系数的影响，则此时的混凝土内部中心温度不会超过42℃，将开始进水温度控制在19℃左右可保证水温与接触面的混凝土温差不超過25℃。利用核心筒内电梯井坑进行畜水养护，初始蓄水深度取20cm(水泵正常工作所需最小深度)。利用水泵的工作原理，将电梯井坑内的冷水抽进已布置的冷却管内，同时将水管内的热水排出到基坑内，建立水循环，利用物质热交换原理，带走混凝土内部水化热，降低混凝土内部温度。施工过程应注意选择水泵型号，合理控制水流速度，将进出口水温差控制在2℃以内；同时进出水口每天应交换一次，使得混凝土内部温度比较均匀，降低温度裂缝出现的可能性。
图1 冷凝水管布置图
根据物质热交换原理，水带走的热量等于混凝土降温需排出的热量，则可推导出冷却水管中水的流速为：
(5)
式(5)中：V流—水的流速；t—冷却水管通水时间；ρ水—水的密度；△T水—进出水口水的温差，取2℃；C水—水的比热；V混—混凝土体积；C混—混凝土比热；ρ混—混凝土密度；△T混—混凝土降温值。
本工程大体积混凝土内外温差控制在20℃内，则混凝土浇筑后3d、4d、5d、6d、7d、8d、9d时需降低度数分别为：8.1、11.2、13.16、14.33、15、15.25和15.27℃；由上式计算得出混凝土浇筑后3d、4d、5d、6d、7d、8d、9d时冷却水管中的水流速度分别为:0.58、0.6、0.56、0.51、0.46、0.41和0.36m/s。因此，本工程的冷却水管中水的流速取0.6m/s，就能够保证将内外温差控制在20℃以内，确保混凝土不开裂。
5 测温及信息化施工
(1)测温点布置及监测：上述计算是按混凝土内部须排出的水化热全部由降温水管中的水带走考虑，实际上混凝土向降温水管传递热量的影响因素较多，对计算结构可能产生较大影响，因此必须加强测温工作，发现问题及时纠正。
(2)信息化施工：混凝土从浇筑到硬化有一个升温和降温的过程，特别降温至环境温度的过程比较缓慢，为此，测温从混凝土浇筑后马上开始监测，1次/2h。主要监测混凝土浇筑及固化过程中，混凝土水化热即时温度、内表温差、降温速率及蓄水温度(即水管进水温度)。
6 工程实施效果
通过对大体积混凝施工的具体温控措施进行分析，以及对施工过程全面监控和管理，实施信息化施工完成后，选择具有代表性的中心测温杆第3天至第9天测温数据与不通水理论计算数据画曲线图如图2。
图2 通水降温与不通水降温计算数据对比图
从图3中可看出：①通水降温后，中心温度整体明显回落，特别是第5天以后，下降更为明显；②通水降温后，中心温度第5天时达到峰值为53.5℃，而不通水理论计算状态下的第5天温度及温度峰值分别为57.6℃、60.3℃，前后相比分别少4.1℃、6.8℃；③采用水循环蓄水养护，表层温度明显提高，温水养护效果好；④在不通水理论计算状态下，曲线随时间的推移呈上升扩大开口状态，即温升持续提高、温差持续加大；而在通水降温状态下，曲线随时间的推移平行小起伏后呈缩口状态，温差在第5天时达到最大值18.3℃后持续下降，即温升小幅升高后持续回落，温差稳定保持在20℃以内。上述情况表明，所采取的内外温差控制技术措施得当，通水降温后，混凝土内部降温效果明显，成功地将温差控制在预定的20℃以内，满足设计和施工验收规范要求，达到了预期的目的。经检查，各基础外观质量良好，无任何裂缝，取得良好的效果。
7 结束语
实践证明，本工程的地下室底板大体积混凝土施工温度裂缝控制措施是有效的，在底板混凝土浇筑完毕至今未出现有害裂缝，混凝土强度、抗裂性能满足设计要求，其温度控制经验为类似工程的施工有著重要价值。
参考文献
[1] 姜小虎;乐德山.地下室底板大体积混凝土裂缝控制技术[J].山西建筑,2008年18期
[2] 何淑芸;张高峰.大体积混凝土降温施工措施[J].科技致富向导,2010年29期