大体积混凝土冬期施工案例分析

丁大勇 陈和福 杨 鑫

混凝土浇筑后，在硬化过程中，水泥水化产生大量的水化热，导致内部温度急剧上升，而混凝土表面散热较快，就形成内外的较大温差，较大的温差造成内部与外部热胀冷缩的程度不同，使混凝土表面产生一定的拉应力，对于大体积混凝土施工，尤其容易产生温差裂缝。因此，温度应力控制是大体积混凝土施工的重点及难点。混凝土冬期施工，由于外界温度过低，混凝土在养护硬化过程中容易造成冻害，致使混凝土强度无法达到设计标准值，从而影响结构安全。本工程通过对混凝土配合比、施工过程及养护条件的控制，有效解决了大体积混凝土温度应力问题，并通过混凝土自身水化热防止混凝土冻害，达到了双赢目的。

1 工程概况

本工程位于东北某地，该地区自然条件恶劣，冬季寒冷，冰冻期从11月至次年3月，长达4个月，冻结深度多年平均值为0.94 m，年平均温度8.7℃，1月份气温最低达-19℃。工程建筑面积2 000 m2，钢筋混凝土结构，采用筏板式基础，基础设计厚度1 000 mm，属于大体积混凝土施工。结构混凝土要求:设计强度C30，抗渗等级S8，抗冻等级F250。

本工程于11月上旬开工，气温已至零下，全面进入冬期施工。

2 施工方案

2.1 混凝土配合比选择

根据规范及施工经验，冬季大体积混凝土配合比的选择应注意以下几个问题:水泥优先使用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，水泥标号不应低于425号，水灰比不应大于0.6[1];混凝土冬期施工，为提高混凝土早期强度，不宜加入粉煤灰等外加剂，但对于大体积混凝土施工，加入适当的粉煤灰有利于混凝土温度控制并能降低成本。本工程采用425号普通硅酸盐水泥，水灰比0.43，每立方米掺入52 kg粉煤灰(见表1，表2)。

表1 混凝土技术条件

表2 每立方米混凝土材料用量 kg

2.2 施工工艺

施工过程中，混凝土搅拌站采用热水搅拌，砂石采取保温措施，保证混凝土出罐温度不低于10℃，入模温度不低于5℃。混凝土传热模型示意图见图1。为减少混凝土温度损失，同时确保大体积混凝土振捣质量，浇筑过程中，采取分区分层浇筑(见图2)。本工程利用混凝土拌合物的初始热量，加之水泥初期水化时产生的水化热，外侧采用保温材料进行保温蓄热，养护期间不再额外加热。考虑到大体积混凝土浇筑，为防止出现温差裂缝，养护期间应控制混凝土内外温差，一般控制在25℃以内。因此，混凝土浇筑后硬化过程中须采取有效措施保温及保湿，且要充分考虑其经济性和可操作性。

混凝土最高温升Tmax(℃)采用以下经验公式确定:

其中，T0为混凝土浇筑温度，℃;W 为单位水泥用量，kg/m3;F为单位磨细粉煤灰掺量，kg/m3。

近似采用一维稳态导热模型[2]，并简化其边界条件，估算保温蓄热层所需的厚度。

其中，H为底板厚度;λ1为蓄热层导热系数，取0.05 W/(m◦℃);λ2为混凝土导热系数，取 2.3 W/(m◦℃);Ta为混凝土表面温度，Ta=Tmax-ΔT(ΔT为控制温差);Tb为施工时日平均气温，此处取值-10℃;δ为蓄热层厚度，m。δ=0.5Hλ1(Ta-Tb)/[λ2(Tmax-Ta)]=0.5×0.08×(12.64+10)/(2.3×25)=0.016 m。

根据以上理论计算，并结合施工经验，分区浇筑完毕后表面立即采用塑料薄膜进行覆盖，防止养护过程中水分散发过快，有利于保湿;然后覆盖一层土工布，最后加盖两层草帘被。

混凝土内预埋测温管，每组两根，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处。根据对称的特点，测温区的测点布置成“X”形。共布置24组测点，48个测温管(如图 3所示)。

测温管每组平面间距6 m。管上口露出底板表面200 mm左右，测温用红外测温仪测读，为能精确体现混凝土内部温度，测温管上口必须用棉包塞严，测完温度继续塞好棉包。混凝土进入养护期后，进行温度测量，记录环境、混凝土表面温度及混凝土中心温度，以便掌握保温、养护情况，施工过程中备留2组同条件养护试件，分析混凝土强度增长情况。

3 数据分析

混凝土浇筑于11月25日完成，养护前7天内每2 h测温一次，此处取其中三组测点(W1，W6，W12)的数据进行分析。

由图4～图 6分析可以看出，3组测点温度变化曲线相似，且基本在浇筑后第3天温度升至最高，这与混凝土水化热增长的基本规律是一致的，说明混凝土养护状态良好;温度下降曲线平缓，有利于控制总拉应力不超过同龄期的混凝土抗拉强度，防止出现收缩裂缝;混凝土内部及表面温度差较小，控制在25℃以内，保温措施有效。值得一提的是，实际的温差较理论计算值偏小，此种情况下，可以适当减少保温蓄热层，加快散热，但应加强测温，注意温度变化，防止温降过快。

另外，可以通过对同条件养护试件的抗压强度分析来验证混凝土强度增长是否正常，是否达到临界受冻强度值。

一组同条件养护试件养护 3 d后进行试压，强度代表值18.2 MPa，占设计强度值的61%;另一组同条件养护试件达到等效养护龄期[3]后进行试压，强度代表值 36.9 MPa，占设计强度值的123%(见表3，表4)。可见混凝土强度增长情况良好，最终状态满足设计要求。

养护期结束后，经检查，混凝土表面未出现裂缝，外观质量良好。

表3 同条件养护试件抗压强度值(3 d)

表4 同条件养护试件抗压强度值(600℃◦d)

4 结语

本文通过大体积混凝土冬季施工的某一案例，阐述了大体积混凝土冬期配合比的选用，混凝土温升及保温蓄热层厚度的估算方法，并对混凝土温度变化情况的实测数据及强度试验值进行了分析。结果表明，大体积混凝土冬期施工仅采用蓄热法养护是切实可行的，在理论计算的基础上，采取有效的温度监控措施，可以保证混凝土施工质量，并能降低冬期施工成本。

[1] JGJ 104-97，建筑工程冬期施工规程[S].

[2] 章熙民.传热学[M].北京:高等教育出版社，2001.

[3] GB 50204-2002，混凝土结构工程施工质量验收规范[S].

[4] 焦启文，鲁晓均.冬季混凝土施工技术[J].山西建筑，2009，35(20):159-160.