卢华申
上海公路桥梁（集团）有限公司
摘 要
本文主要完成的任务如下：本课题描述了混凝土质量的概念和特性，深入分析了混凝土温度产生裂缝的主要原因和温度裂缝对建筑物的影响，并提出有效预防、管控和避免混凝土温度裂缝的形成提供了渠道。梳理了大体积混凝土的温度种类和温度应力的产生阶段，提出了大体积混凝土温度的预测计算方法。与混凝土工程实例相结合，在金琴快线项目北延段基础施工阶段，计算大体积混凝土绝热温升和混凝架构里的核心温度，计算混凝土温度应力、校核抗裂性能。对混凝土质量温度开裂的防治提出了要求和相应的举措。
关键词：大体积混凝土；温度裂缝；预防措施
第一章 工程概况
1.1.项目概况
金琴快线项目北延段（珠海-中环）的位置在珠海高新区，其开端衔接高新路口金凤路、新湾四路绿带等位置，最后的位置在珠海边境。项目范畴从K0+946.545到K3+100，全长达到2.153公里。该项目是金琴快线北延线项目（一期）扩建工程的第二个标段（JQK1+792505～JQK3+100）。关键建设内容囊括有道路项目、污水、桥梁、交通、亮化工程、安监、景观亮化项目等。
1.2.承台大体积混凝土施工概况
本工程承台有53个，承台尺寸为8200mm×8200mm×3000mm，混凝土标号为C35。为保证承台施工质量，模板采用定型化钢模板，独立的的混凝土浇筑量由泵送至201.7m3。
第二章 大体积混凝土特征、危害以及施工重难点分析
2.1.大体积混凝土的特征
大体积、大容量混凝土架构很大，具有结构尺寸密实、钢筋密实、混凝土设计显示度高、水泥用量多、一次浇筑混凝土量大、施工工期长、施工流程要求高以及功效需要具有高水平的特点。混凝土进行浇筑操作后，因为水泥的水化热，在结构中形成较高的温度，然而，因为现场放置的混凝土结构几何规格大，混凝土内部的水化热很难溶解，混凝土架构的温度场呈现出较大的温度梯度改变和外界环境的变化，由于混凝土内部强度的限制，如夏季炎热或温度突变，极易发生温度开裂（如图1所示）。因此，在散装混凝土浇筑施工运作阶段，应选取适当的技术举措以最大程度地减少裂缝产生。
.png)
2.2.大体积混凝土的危害
2.2.1 影响建筑物的系统性
若浇筑后混凝土架构形成裂缝（比方说，贯穿裂缝式等），裂缝将在极大程度上影响建筑架构的完整性，由于裂缝导致的架构损坏难以修复，所以，此类裂缝的产生对建筑物带来了巨大的危害。
2.2.2 对建筑物的功能性产生影响
如今，中国高层建筑和公寓楼的地下室根基通常是用一块大面积的混凝土来实现，当架构出现温度裂缝时，地下室将不可阻挡的会产生渗漏现象，且难以修复，严重影响对其运行产生严重影响，对建筑用户造成巨大伤害。
2.2.3 不同层级地降低建筑架构的刚度
混凝土架构浇筑后产生贯穿裂缝，建筑物的架构刚度就会降低，此类裂缝的存在某种水平上削弱了建筑物的架构刚度，削弱了建筑物架构的稳定，此外，对建筑物的日常运用和运行性能造成负面影响。
2.2.4 影响施工强度
混凝土结构开裂后，它会留下一条侵入通道，用于外部腐蚀性物质，并使这些腐蚀性物质就很方便进入到混凝土架构中来，当腐蚀性物质对混凝土架构造成干扰时，架构中的钢筋腐蚀、混凝土缓慢腐蚀、碳化等，降低了混凝土架构的强度，同时也降低了建筑物的强度和刚度。
2.3.大体积混凝土的重难点分析
2.3.1 温度应力影响
该项目位置在珠海市香洲区地段，平台建设阶段为夏季，全年气温最高，混凝土质量在施工时期形成的温度压力可能远远超出了外部载荷导致的架构压力，因而混凝土会形成温度开裂。严重影响架构的完整性、耐久性、刚度等关键特征。 所以，这种大面积混凝土的运作质量是本项目的主要质量管控环节。
2.3.2 温度控制
传统的温度监控方法为预埋冷却水管，通水后测量水温，从而反映混凝土内部温度，同时达到调控混凝土温度的效果。该方式主要选取人工手动监控，人工采集现场数据和信息，施工员工不能进行全天不间断的监督，监控数据存在一些瑕疵，例如，精确度低、控温性能低、人为因素作用大。
本工程拟在混凝土关键位置预埋测温元件，经现场检测仪器，实时采集温度数据。从而采取相应改进措施，指导后续承台施工。
第三章 大体积混凝土温度以及温度应力的计算
3.1.混凝土的拌合温度计算
依照相关文献，混凝土混合物温度计算的简便根本原理，即假设混凝土混合物的全部热量的总和由原料供应，搅拌前后没有热损耗，混合前后的总热量值是一致的，同样，按照等温原理，混合温度的计算公式如下：
上式中：T0代表混凝土搅拌温度（℃）；Tc是水泥温度（℃），Tw是搅拌水温度（℃），Ts代表混凝土沙温（℃），Tg则表示混凝土温度（℃）；mc代表水泥的质量（kg），Ms去除水分后的砂重量（kg），mg代表去除水分后的石的重量（kg）； mw代表各游离水的水泥重量（kg），ws为各游离水砂的重量（kg）、wg表示各游离水的石子重量（kg）；Cc代表水泥比热容，Cs是砂子比热容，Cg表示石头比热容，Cw表示水的比热容，单位统一为[kJ/(kgK)]
3.2.混凝土浇筑温度计算
在正常状况下，外部环境的变化对浇筑温度有显著影响。按照有关经验和研究实验表明，浇筑温度通常按以下公式表示：
其中：θ1～θn代表的是根据相关规定得到的温度损耗系数；Ta表示运输和混凝土浇筑过程中的外界气温（℃）；Tp则表示混凝土浇筑温度（℃）。
3.3.混凝土浇筑温度计算
某一龄期水泥水化热可按下式计算：
上式中，Q代表水泥的累积水化热（J/g）；at、bt 、ct、d：水泥中各水化热物质在dt的堆叠水化热，可按照有关数据求得；C3S 、C2S 、C3A 、C4AF代表了在熟料水泥中产生水化热的各种矿物质的比例。
3.4.混凝土水化热绝热温升值的计算
在真正计算阶段，通常假设混凝土架构没有热损失，水泥水化反应形成的水化热在温度升高后转变为温度值，对热损失和向外界环境的传递的热量不进行考虑。在上述状况下，其水化热绝热温升公式可表达为：
混凝土绝热温升值计算：
最大水化热温升值：
其中，C代表水泥容量，Q表示每公斤水泥的热值（J/kg），可从表 1 中获得，c代表混凝土的比热，p体现混凝土的密度， e为常数，值=2,718，m表示与水泥类型和水泥类型相关的经验系数，浇注温度通常为 0.2 至 0.4 可从表 2 中获得，年龄用t表示（控制混凝土质量温度裂缝的调查）。
表1 每千克水泥水化热量Q
.png)
混凝土的架构规模和厚度与混凝土温度的绝热升高密切相关。相关实验研究结果可以反映，混凝土架构越薄，散热速度越快，温升就会越低；架构越厚，传输路径越长。所以，混凝土的水化热溶解非常缓慢，此外，不一致的架构规模的混凝土的导热系数是不同的，ξ值经过查表可以看出不同厚度的浇筑混凝土的质量与混凝土保温隔热性能的增加之间的关系。所以，计算混凝土内枢纽峰值温度的公式如下：
其中，Tmax为混凝土内部中心最高温度（℃）；T0为混凝土浇筑温度（℃），Tt为t期间保温温升（℃），不同流动块厚度的温降系数用ξ表示，ξ = Tm / Tn；Tn 表示混凝土的最终绝对温升 (℃)；Tm 表示混凝土水化导致的实际温升(℃)。
从大体积混凝土温度的计算理论能够看出，混凝土保温性能的提高与选用的水泥种类、水泥需要的数量和配合料和混合料在混凝土中的运用有重要关联。所以，在选择水泥类型以减少混凝土保温温度上升时，应采用中热水泥，此外，如果混凝土的强度令人满意，可以用粉煤灰和矿渣替换某些水泥，以在最大程度上减少用水和水的用量。在炎热的夏季，需要利用人工冷却操作注入砂石等相关原材料，降低结构温度。
3.5.计算结果
4.5.1 配合比选择
经过试验匹配，本工程选择42.5#低水化矿渣水泥。在按设计规则混凝土配合比方案时，在混凝土中加入适量的灰分替换水泥的量，加入抗裂剂、减水剂以及缓凝剂，并选用质量上层的骨料。按照本项目采用的C40P8混凝土配合比，每立方米混凝土的原料用量如表3所示。
表3 原材料用量
.png)
4.5.2 热工计算
使用上面的公式计算混凝土绝热温度和内核温度。每个参数的值由项目的真实状态决定，金琴快线北延段项目各参数取值见表4。
表4 项目各参数取值
.png)
混凝土表面温度计算公式如下：
4.5.3 抗裂计算
各龄期混凝土收缩变形：
各龄期混凝土收缩当量温差：
各龄期混凝土最大综合温度：
混凝土各龄期弹性模量：
外约束为二维时温度应力计算：
验算抗裂度是否满足要求：
f =2.39Mpa，28 天抗拉强度设计值
计算结果见表5。
表5 计算结果
.png)
为了计算足够便捷，本方案将工期分为3个时期。上述计算数据可以得出，混凝土内外最大温差为24.7℃，在25℃范围内。浇筑后三天，混凝土内核温度达到峰值，采用了一连串的稳定性检查对策后，核心温度已经慢慢下降，室内外温差逐渐缩小。此外，研究了由于温差 9d（步骤 1）、15d（步骤 2）和 21d（步骤 3）导致的应力，以便控制抗裂性实现需要，所以，本工程的地基不存在裂纹穿透的困难。
第四章 温度监控方案
4.1.温度控制点布置
按照混凝土质量温控现场的监测需要，大体积混凝土温控单元可实际测量最大温升、内外温差、温降率和环境温度。温控布置点布设要求如下：
（1）监测点布置范畴应以主体三维平面对称轴的一半为测试区，测试区的测试点应根据平面分层安插。
（2）每条测试轴线上，测试点不应少于4点。
（3）在厚度方向，外表面（应在混凝土表面内部50mm）、地板表面（应距离混凝土表面50mm）以及中心温度测试点与测试点其余部分的距离不应超过 600mm。
按照承台为对称结构布置测点，拟在水平方向1m、1.5m、2.5m层位置均布置5个点，垂直方向布置7个点，共22个点。传感器走线沿着竖向钢筋露出承台，并按照图示编号做好标记。
.png)
图2 垂直方向温度传感器布置图
4.2.传感器选择
选用的是DS18B20温度传感器。该传感器数字温度输送经过 1-Wire总线，也称为“单电缆”总线，这种特立独行的方法使传感器网络组装多个 DS18B20 变得容易，为安装和配备完整的测量系统提供了更多的机会。与其他温度传感器相比，它在测温精度、测量距离、转换时间以及分辨率等方面的技术都已经变得很成熟。另外，这种传感器是直接输出数字温度值，无需校准。
电压存在一定的范围，具体为 3.0V 至 5.5V，无需备用电源，测量温度区间在 -55℃至 +125℃范围内，精度误差是±0.5℃。
.png)
图3 DS18B20温度传感器
4.3.显示屏选择
选择显示的屏幕为LCD1602液晶屏，该屏幕显示内容多，配备便捷，可视面积广，图像分辨率高，拨号方便简单，可将软件停机资源节约出来。系统应显示温度、温度峰值等信息，画面内容丰富。该显示屏电路识别容易，显示信息量大，能很好地达到以上标准。
4.4.数据采集
温度收集器基于预设的温度传感器编号。
测量大体积浇筑的混凝土体内部与表面的温差，浇筑后的降温速度和环境温度应不低于一天一夜4次；每班至少应测量两次入口温度；环境温度的测温点布置应能够在一定程度上代表整体，能充分体现大量热压土中各位置的温度。由工程大小决定，通常测点间距0.5m左右，测温点按比例放置。
第五章 大体积混凝土施工温度控制措施
按照《大体积混凝土制造规范》（GB50469-2009）文件：
1、混凝土浇筑体根据浇筑温度的温升不应超过50℃；
2、混凝土浇筑体内部与表面的温差（不囊括混凝土收缩等效温度）不应超过25℃。
3、混凝土的冷却速度不应超过2.0℃/天。
4、混凝土浇筑体表面与高温的温差不应超过20℃。
因此，温度控制应重点降低温升值，延迟峰值温度的形成时间，使混凝土的冷却速度下降。
5.1.优化混凝土配合比
1、由于混凝土块体水化热的蓄热性高，混凝土内外温差大，容易产生温差压力。建议选择水化热低的水泥，以减少水泥水化产生的热量。
2. 确保承台的混凝土强度后，通过在阶段中间和结束阶段最大化混凝土的强度来减少水泥用量。
3、使用合适的外加剂，如缓凝剂、减水剂等，将混凝土的性能提升。
4、筛选出质量最好的碎石成分，将混凝土的密度增加，以降低收缩变形现象产生的概率。
5、骨料在进入模具的混凝土温度降低之前冷却。
5.2.浇筑与振捣措施
（1）混凝土逐层浇筑，利用浇注面的热量熔化。每层的浇筑厚度不超20厘米，并通过额外的振动器振动。
（2）混凝土浇筑时间尽量控制在夜间或早晨，需要将高温时期避开，在进入模具之前需要在最大程度上降低模板和钢筋的温度，进入模具的混凝土温度应该小于25℃。
（3）混凝土质量应沿高度等间距浇注到层合件中，应减少段数，每段混凝土的厚度应保持在1.5-2.0m以内。
（4）新浇混凝土与相邻硬化混凝土或岩土措施的温差需要小于15℃。。
（5）混凝土浇筑阶段，混凝土必须经常振动，使其均匀致密，振动选取插入式振捣器的纵向点振。
（6）对每个振动部分，振动至该部分混凝土密实，即混凝土不再释放气泡，表层呈平整并被淹没为止。
5.3.养护措施
（1）选用补水养生的方法是用塑料薄膜裹藏起来。
（2）在混凝土养护、保养阶段，需要对混凝土的水分和温度控制方面重点强化。
（3）混凝土在保养阶段，应对其使用保温举措，避免环境因素（日晒、急速降温等情况）引起混凝土表面温度的快速改变。施工大体积混凝土时，需要检查混凝土内外温差，以实现方案需要。在无方案需要的状况下，大体积混凝土的内外温差应该小于20℃。
（4）在冬季和炎热季节混凝土拆除后天气突然改变时，选用合适的保温对策（寒冷季节）和隔热措施（夏季），避免环境因子（如暴露在阳光下、快速降温）对混凝土温度的影响，导致在养护期间发生快速变化，使芯部与混凝土表面之间以及表面与环境之间的温差小于 20℃，直至混凝土强度能够实现项目方案的需要。
（5）如果混凝土强度达到剥离强度，马上用塑料片或无纺布包裹分解后保持水分，减少结构暴露时间，防止温差开裂。
（6）采用内冷方式，可减小混凝土内外温差，这意味着可以通过将冷却剂管集成到混凝土中并引入冷却剂来下降混凝土内部的最高温度。
5.4.科学制定浇筑方法、浇筑顺序
混凝土务必持续浇筑，使混凝土架构内部非常严密，在施工时无结构冷缝。 纵向建造混凝土建筑物时，混凝土供应必须通过侧层和薄层注入的方式来保证，底层混凝土尚未进行初凝操作时，需要经过先浇筑顶层混凝土，同时不间断浇筑浇筑块的环节，避免运作是冷缝的产生。为提高混凝土浇筑质量，浇筑混凝土后应重视以下几个方面：
（1）浇筑混凝土后，可以使用塑料膜和塑料袋完全笼罩在混凝土表面以保护混凝土。
（2）混凝土经过浇筑操作，因为水化作用对水泥产生影响，能够形成非常多的热量并聚集，因此，在浇筑完成12 h后，应采取相应的举措对混凝土内部进行降温，例如，它可以通过打开嵌入混凝土中的冷却剂管来冷却。
（3）为了了解浇筑混凝土后混凝土温度的变化，有必要强化混凝土温度监测，通常，混凝土浇筑后三天左右，混凝土中心的温度会达到最大值，所以，在浇注后的前 7 天，可以每 3 小时测量一次温度，然后每 6 小时测量一次，此外，必须记录温度测量和温度，并按照温度变化曲线测量变化才能进行下一步。
（4）在测量混凝土井温度的同时，监测并记录室外温度、水流量和流量、循环冷却水管进出口温度等。