关于大体积混凝土冬季施工公式应用及

关于大体积混凝土冬季施工公式应用及探讨关于大体积混凝土冬季施工公式应用探讨摘要：本文主要通过大量工程实例的研究分析，针对《高层建筑施工手册》（第二版）――中国建筑工业出版社对大体积混凝土冬季施工的温度计算公式进行汇总、补充和实际应用的详细说明，以利于理解和实际使用。并针对大体积混凝土冬季施工提出探讨性公式。关键词：大体积混凝土冬季施工绝热温升表面温度主要实例：1.某市三院综合楼筏板基础施工2.某公寓基础施工3.某市污水处理厂曝气沉砂池、最终沉淀池底板施工4.某广场大体积混凝土基础主要参考文献：《高层建筑施工手册》（第二版）――中国建筑工业出版社《建筑施工手册》（第四版）――中国建筑工业出版社大体积混凝土施工中的温度及其应力计算――姚宏、张增山说明：本文主要以某市三院工程作为实例说明公式的应用，以其他工程数据作为佐证，但在下文中不列举其他工程的数据。正文部分：一、大体积混凝土定义：混凝土结构断面最小尺寸在0.80m以上；或预计会因水泥水化热引起混凝土内外温差过大（温差超过25℃）而导致裂缝的混凝土，称为大体积混凝土。二、市三院工程简介：本建筑物为某市第三医院门诊病房综合楼，位于某市长安区体育南大街15号（现某市第三医院内），工程占地面积3960.2m2，总建筑面积57366.3m2，其中地下7920.4m2，地上49445.9m2；结构为框剪结构，A－D轴为一期，D－F为二期建设，地下二层，地上十九层，建筑高度78.5米。项目等级一级，合理使用年限50年。基础为筏板基础，厚度1.0m，混凝土设计等级C40抗渗等级P6，浇筑量约3600m3。三、混凝土配合比的优化和调整此类讨论较多，在此不在赘述。本工程最终配合比确定为：施工部位混凝土配合比（KKg/m3）水泥砂子石子粉煤灰膨胀剂泵送剂水底板4006651070753519.5190注：1.本配合比所使用材料均为饱和面干态，施工时应根据材料实际含水情况随时调整。2.外加剂具有减水、保塑、缓凝、泵送、防冻等复合功能。3.水泥：采用鹿泉鼎鑫水泥有限公司生产的P.S32.5水泥，其性能应符合GB1344规定；对大体积混凝土所用的水泥，应进行水化热测定，水泥水化热的测定按现行国家标准《水泥水化热试验方法（直接法）》进行，配制混凝土所用水泥7天的水化热宜不大于250kj/kg4.泵送防冻剂：采用石家庄新星建筑防水材料厂生产的HFT-25，其性能符合JC475规定，5.膨胀剂：采用石家庄功能建材厂生产的FEA，其性能应符合JC476规定；6.砂子：采用正定中砂，其性能符合JGJ52规定；7.石子：采用鹿泉5－31.5mm碎石，其性能符合JGJ53规定；8.掺和料：采用西柏坡电厂Ⅱ级粉煤灰，其性能符合GB1596规定。9.为使早期混凝土保持良好的温度传递梯度，同时保证混凝土浇筑面的正常衔接，初凝时间确定为10～12小时；四、大体积混凝土常用温度计算公式及应用4.1、混凝土拌合温度TCTC=……………公式4－1式中TC――混凝土的拌和温度（℃）；Ti――混凝土组成材料温度（℃）；W――混凝土组成材料重量（kg）；C――混凝土组成材料比热（J/kg•K）；在本工程中根据同类工程经验最终确定材料温度如下：每m3混凝土原材料重量、温度、比热及热量，见下表：材料名称重量WKg比热CKJ/Kg℃W×CKJ/℃材料温度℃T×W×C水泥4000.973884015520砂子6650.84558.600石子10700.84898.800水1654.18689.73020691砂石含水量254.18104.500粉煤灰750.967210720FEA350.9633.610336合计=SUM(ABOVE)2745.2=SUM(ABOVE)37267由公式4－1得：TC=∑TiW•C/∑W•C=37267/2745.2=13.6(℃)4.2、混凝土出罐温度TITI=TC-0.16(TC-Td)……………….公式4－2式中TI――混凝土出罐温度（℃）；TC――混凝土的拌和温度（℃）；Td――混凝土搅拌棚温度（℃）；在本工程中:Td：搅拌棚温度(℃)，根据实测取Td=10℃故Ti=13.6-0.16×(13.6－10)=13.0(℃)4.3、混凝土浇筑温度Tj定义：混凝土浇筑温度系指混凝土振捣后，位于混凝土上表面以下50～100mm深处的温度。Tj=TC＋(Tq-TC)（A1+A2+A3+……+Ai）………公式4－3式中Tj――混凝土浇筑温度（℃）；TC――混凝土的拌和温度（℃）；Tq――室外平均气温（℃）；A1+A2+A3+……+Ai――温度损失系数，其值按下列考虑：①混凝土装、卸、转运，每次A＝0.032；②混凝土运输时A＝θτ，τ为运输时间（min），θ值见附表。③浇筑过程中A＝0.003τ，τ为运输时间（min）。在本工程中:公式4－3中:Tq－室外平均气温，根据《石家庄气象信息网》天气预报，1月份平均气温为－2.9℃，在本工程中取Tq=－2.9℃；A1－混凝土装卸温度损失系数，每次Ai=0.032，装卸3次，故A1=0.032×3=0.096；A2－本工程经测τ=30min,采用搅拌运输车运输θ=0.0042故A2=0.0042×30=0.126；A3＝０.03τ,泵送浇捣时τ=20min，则A3=0.003×20=0.6则：∑A=A1+A2+A3=0.96+0.126+0.06=0.28，故Tj=13.0+(－2.9－13.0)×0.282=8.52(℃)但是，在混凝土浇筑过程中，第一层混凝土浇筑完成至第二层混凝土浇筑完成后覆盖材料保温为止，这一段时间内混凝土会损失热量，在施工中第一层浇筑振捣后及时用塑料布覆盖减小空气流动，减少热能流失，考虑此种情况，混凝土浇筑温度取为Tj＝7(℃)达到了降低大体积混凝土内部温度的目的，并满足冬季施工入模温度不低于5℃的要求。4.4、混凝土的绝热温升Tτ定义：假定混凝土结构物与周围介质（环境）间没有任何热损失，水泥的水化热全部转化为混凝土的温升。混凝土的绝热温升的表达式主要有双曲线式、指数式、复合指数式三种。我们最常用的为下式：Tτ＝（1－e-mτ）………公式4－4-1式中Tτ――混凝土τ龄期时的绝热温升（℃）；τ――混凝土的龄期（天）；W――每立方混凝土的水泥用量（kg/m3）；c――混凝土的比热，计算时取(0.97kJ/kg•K)；Q――每公斤水泥的水化热（kJ/kg），可查表5-6-3；ρ――混凝土的密度（容重）取2400kg/m3；m――随水泥品种、比表面及浇筑温度而异，如附表5-6-4；e――常数，为2.718；每公斤水泥发热量见附表。混凝土绝热温升公式分析：①这是因为混凝土浇筑后温度的升高是水泥水化反应的放热过程，水化热的释放速率同水泥水化反应的速率成正比。在混凝土水泥反应过程中影响化学反应速率的关键因素是水泥的浓度。反应速率越快，，热量产生的速率就越快，而且反应过程中产生的热量与已经参与化学反应的水泥量成正比。②经试验表明混凝土的绝热温升与浇筑温度之间有影响关系,试验数据如下图:上图为不同浇筑温度对混凝土绝热温升的影响试验数据分析图，为了反应不同浇筑温度对混凝土绝热温升的影响提出了表5-6-4。在上式中当τ＝20d时即可认为水泥的水化反应过程结束，此时e-mτ≈0，则上式转化为T∞＝………公式4－4-2式中T∞――混凝土的最终绝热温升（℃）此时即为混凝土的最终绝热温升。在大体积混凝土优化配合比时，为降低绝热温升，应当尽量减少水泥用量，以矿物细掺料取代部分水泥。混凝土中水泥用量由于矿物细掺料的掺加而减少，但是，并不像单纯减少水泥用量那样使得绝热温升成比例降低，这是因为所掺入的矿物细掺料参加反应时也要放热，只是除硅灰外的矿物细掺料28d前反应速率很低，因而才降低了混凝土的温升。为了反应细掺料对绝热温升的影响，我们提出下式对原式进行修正：掺加混合材的混凝土的绝热温升为:Tτ＝………公式4－4-3式中Wc――混凝土中水泥（包括膨胀剂）的用量（kg/m3）；F――混凝土活性掺和料的用量（kg/m3）；K――混合材料的折减系数，对粉煤灰取0.25～0.30；其他同前；在本工程中:跟据公式4－4－3，其中:Ｗ＝400＋35＝435（Ｋg）（包括FEA含量）；K取0.25；Q＝335KJ/Kg；c＝0.97KJ/Kg℃；ρ－混凝土容量，根据试验室提供的数据取2450Kg/m3。则T∞=64(℃)4.5、混凝土内部实际最高温度Tmax=Tj+Tτ•ξ………公式5式中Tmax――混凝土内部的最高温度；ξ――不同浇筑块厚度、不同龄期时的降温系数，见附表5-6-5；其他符号意义同前；4.6、混凝土表面温度Tb(τ)Tb(τ)=Tq+ΔT(τ)………公式6式中Tb(τ)――龄期τ时混凝土的表面温度(℃)；Tq――龄期τ时，大气的平均温度(℃)；H――混凝土的计算厚度（m），H=h+2h′;h――混凝土的实际厚度（m）；h′――混凝土的虚厚度（m），h′＝K；K――计算折减系数，可取0.666；β――模板及保温层的传热系数（W/m2•K）,β=δi――各种保温材料的厚度(m);λi――各种保温材料的导热系数（W/m•K），见附表5－6－6βq――空气层传热系数，可取23W/m2•K；ΔT(τ)――龄期τ时，混凝土内最高温度与外界气温之差(℃)，ΔT(τ)＝Tmax-Tq。在实际大体积混凝土温度计算中，利用表面温度计算通常有以下三种方法：假定混凝土不覆盖保温计算是否满足混凝土温差标准。这时h`＝0.0675m。这是应为，此时β＝βq＝23W/m2•K又K＝0.666，λ＝2.33W/m•K，代入h`＝Kλ/β则：h`＝0.0675m假定覆盖保温物质，推算混凝土表面温度，比较混凝土表面温度与混凝土内最高温度是否满足温差标准。根据：混凝土的中心温度与表面温度之间的差值（Tmax–Tb），基底面温差以及混凝土表面温度与室外空气中最低温度之间的差值（Tb–Tq），均应小于20°C；经过计算确认结构物混凝土具有足够的抗裂能力时，允许不大于25～30℃。（我国规范规定为25℃）。保险起见这时我们一般取Tmax－Tb(τ)＝15~20℃4.7在本工程中的温差公式理解偏差计算㈠在本工程中的计算1）混凝土内部实际最高温度（按3d计算）：由前面计算知：T∞=64(℃)；查表5－6―5得ξ此时取值为0.36；查表5－6－4利用查分法得：m＝0.3042；则Tmax=Tj+Tτ×ξ=20.8(℃)2）混凝土表面温度Tb(t)假定浇筑后用一层塑料膜、两层草袋覆盖养护,查表5－6－6和表5－6－7得，草袋厚δ1=0.015m,Kb＝1.6（此基础深10m又四周均有楼，基坑内基本无风，故Kb不取2.0）；λ1=0.14W/mk,βq－空气层传导系数，取为23W/㎡k则β=1/(0.015*2.0/0.14*1.6+1/23)=5.64；h/=0.666*2.33/5.64=0.27(m)；H=h+2h/=1.54(m)；ΔT=Tmax-Tq=20.8-(-2.9)=24.7(℃)。代入公式6中Tb(t)=11.4℃结论:混凝土中心最高温度与表面温度之差为:Tmax-Tb(t)=20.8-11.4=9.4(℃)＜25℃，满足规定要求,混凝土表面温度与室外气温(0℃)之差为Tb(t)-Tq=11.4-(-2.9)＜25℃;亦满足要求。故采用一层塑料膜及两层草袋覆盖能满足要求。㈡对㈠的计算过程分析根据类似大体积混凝土施工温度监测数据和同兄弟公司经验，可知㈠的计算过程是不复合实际的。㈠的计算过程中主要存在的问题为:忽略了公式Tmax=Tj+Tτ×ξ的应用条件；其一是：本公式复合在浇筑温度在20～30℃的情况；其二是本公式的边界条件是自然对流的边界条件。不同的浇筑温度对混凝土温升影响是不一样的。这是因为浇筑温度越高，水泥水化反应就越快，试验数据分析如下图：又在本工程中混凝土处于冬季施工，而冬季施工的混凝土覆盖保温又是必须的，这是因为：保温养护是大体积混凝土施工的关键环节，其目的主要是降低大体积混凝土浇筑块体的内外温差值以降低混凝土块体的自约束应力；其次是降低大体积混凝土浇筑块体的降温速度，充分利用混凝土的抗拉强度，以提高混凝土块体承受约束应力的抗裂能力，达到防止或控制温度裂缝的目的；同时，在养护过程中保持良好的湿度和抗风条件，使混凝土在良好的环境下养护。又，在㈠中若仅仅看混凝土内部最大温度20.8℃，而混凝土表面温度会大于0℃，那么温差是满足温差标准的；但是混凝土表面会受到环境的昼夜温差骤变，这极易引起混凝土表面裂缝的产生，所以必须覆盖保温。由上分析可以看出公式5在本工程中的应用是不符的；在㈠中公式5和公式6是在不同边界条件下得出的，那么所得的结论则是不符合实际的。㈢本工程中温度监测数据图㈣大体积混凝土温差计算的经验公式的提出1）、根据混凝土表面温度Tb(τ)中虚厚度的概念作为理论依据，为了便于理解我们先明确虚厚度的概念：虚厚度：当混凝土与空气接触时，表面热流量与混凝土表面温度Tb和气温Tq之差成正比。即--λ*(эTb/эn)=β*(Tb–Tq)(*)式中：λ：导热系数(w/m.k)；n：表面法线方向；β：传热系数(w/m2.k)；э：求导符号；将（*）式改写成эTb/эn=--(Tb–Tq)/(λ/β)式中：Tb-Tq为变量，λ/β为常数，当表面温度从T1变到T2时，温度梯度分别为tagθ1=(T1-Tq)/(λ/β)及tagθ2=(T2-Tq)/(λ/β)，从下图可知，温度曲线在混凝土表面的切线通过B点，且B点至边界的距离为λ/β。将温度曲线T1和T2向外延长，经过水平距离h`后，即等于外界气温Tq。根据这一原理，在处理上述边界条件时，可引入一个新的概念，即在真实边界向外延拓一个“虚厚度”h`，得到一个虚边界，在虚边界上，固体的表面温度等于外界的介质（环境）温度。若混凝土的实际厚度为h，则在表面温度计算时采用的计算厚度为H=h+2*h`。根据同样的原理，我们认为混凝土内部温度与混凝土虚厚度有一定的关系。透过㈠㈡㈢的分析和对大量类似工程的数据分析，我们认为：当混凝土达到某一厚度时，混凝土中心混凝土块体的散热可以忽略，这时混凝土的水化热全部转化为混凝土的温升。我们根据虚厚度的定义并经实际施工监测当混凝土厚度达到2.5m或当h/2+h/=1.25m时，即可认为3d混凝土绝热温升全部转化为了混凝土的温升。这时混凝土的内部实际最高温度为：Tmax=Tj+Tτ•ηη――h/2+h/不同时的经验系数；因试验数据不足，暂时推论数据如下表；Tmax、Tj、Tτ意义同前h/2+h/值0.80.91.01.11.21.25η值0.920.940.960.980.9912）、3~5d混凝土绝热温升简单计算可用以下经验公式一Tτ=+注：式中符号同前。3）、在自然对流边界条件下可用以下经验公式二Tτ=ξ+注：式中符号同前。ξ――不同混凝土厚度3d龄期时的散热系数，其值如下表：混凝土厚度（m）1.01.52.02.53.03.54.0ξ0.230.350.480.610.730.830.95注：在大体积混凝土计算中2）或3）与公式5－6－5的结合使用会更加符合实际温差。㈤在本工程中的应用㈠在本工程中的计算混凝土内部实际最高温度（按3d计算）：由前面计算知：T∞=64(℃)；假定浇筑后用一层塑料膜、两层草袋覆盖养护，查表5－6－6和表5－6－7得，草袋厚δ1=0.015m,Kb＝1.6（此基础深10m又四周均有楼，基坑内基本无风，故Kb不取2.0）；λ1=0.14W/mk,βq－空气层传导系数，取为23W/㎡k则β=1/(0.0115*2.00/0.144*1.6++1/23))=5.644；h/=0.666*22.33/55.64=00.27(mm)；H=h+22h/=1.544(m)；查表得η取值为0.9；查表5－6－4利用查分法法得：m＝0.30442；则：3d的绝热温升Tτ==38℃则Tmax=Tj+Tτ•η=41.55(℃)ΔT=Tmaxx-Tq=441.5-((-2.9))=44.44(℃)代入公式6中Tbb(t)=22.8℃结论:混凝土中心最高温温度与表面温温度之差为:Tmax-TTb(t)=441.4-222.8=118.6(℃℃)＜25℃，满足规定定要求,混凝土表面温温度与覆盖塑塑料的温度接接近肯定＜20℃。故采用一一层塑料膜及及两层草袋覆覆盖能满足要要求。4.8、混凝土所所需保温材料料厚度计算公式δi=式中(其他符号同前)Tq――混凝土浇筑后3～～5d内平均大气气气温(℃)；Kb――传热系数修正值，见见附表。本公式应用的方法法：因为本公公式中要计算算的厚度与混混凝土表面温温度、混凝土土内部温度间间是相互影响响的关系，所所以如果想计计算其保温厚厚度，就必须须先假定Tmax-TTb(t)和Tb(t)-Tq的值，我们根据温温差标准在计计算中可结合合设计及施工工情况假定：：Tmax-Tb((t)＝20～25℃；Tb(t)-Tq＝15～20℃，然后根据据保温材料再再算表面温度度，核对温差差。注：Tmax和TTb(t)可按3d计算。五、结束语由于混凝土散热的的外部条件相相当复杂，严严格计算出混混凝土的内部部最高温度是是相当困难的的，那么在实实际工程施工工中我们就必必须严格控制制原材料质量量，优化混凝凝土配比，控控制混凝土的浇筑筑温度，尽量量降低混凝土土的绝热温升升，加强混凝凝土的施工控控制和混凝土土的测温监控控。保温养护护的措施应能能使混凝土的温差差满足温度指指标的要求，保保温养护的持持续时间，应应根据温度应应力（包括收收缩应力）加加以控制、确确定，但不得得少于15d，保温覆盖盖层的拆除应应分层逐步进进行；在保温温过程中应保保持混凝土表面的的湿润。附录（详见《高层建筑施施工手册》（第第二版）――中国建筑工工业出版社；；《建筑施工工手册》（第第四版）――中国建筑工工业出版社中中数据）表5-6-2运输工具混凝土容积（m33）θ运输工具混凝土容积（m33）θ搅拌运输车60.0042保温手推车0.150.007开敞式自卸汽车1.40.0037不保温手推车0.750.01封闭式自卸汽车2.00.0017吊车1.00.0015表5-66-3水泥品种水泥发热量（kJJ/kg）225275325425525普通水泥201243289377461矿渣水泥188205247335――计算水化热温升时时的m值表5-6-44浇筑温度51015202530M(1/d)0.2950.3180.3400.3620.3840.406各种保温材料的导导热系数