關(guān)于大體積混凝土冬季施工公式應(yīng)用及

關(guān)于大體積混凝土冬季施工公式應(yīng)用及探討關(guān)于大體積混凝土冬季施工公式應(yīng)用探討摘要：本文主要通過大量工程實例的研究分析，針對《高層建筑施工手冊》（第二版）――中國建筑工業(yè)出版社對大體積混凝土冬季施工的溫度計算公式進行匯總、補充和實際應(yīng)用的詳細說明，以利于理解和實際使用。并針對大體積混凝土冬季施工提出探討性公式。關(guān)鍵詞：大體積混凝土冬季施工絕熱溫升表面溫度主要實例：1.某市三院綜合樓筏板基礎(chǔ)施工2.某公寓基礎(chǔ)施工3.某市污水處理廠曝氣沉砂池、最終沉淀池底板施工4.某廣場大體積混凝土基礎(chǔ)主要參考文獻：《高層建筑施工手冊》（第二版）――中國建筑工業(yè)出版社《建筑施工手冊》（第四版）――中國建筑工業(yè)出版社大體積混凝土施工中的溫度及其應(yīng)力計算――姚宏、張增山說明：本文主要以某市三院工程作為實例說明公式的應(yīng)用，以其他工程數(shù)據(jù)作為佐證，但在下文中不列舉其他工程的數(shù)據(jù)。正文部分：一、大體積混凝土定義：混凝土結(jié)構(gòu)斷面最小尺寸在0.80m以上；或預(yù)計會因水泥水化熱引起混凝土內(nèi)外溫差過大（溫差超過25℃）而導(dǎo)致裂縫的混凝土，稱為大體積混凝土。二、市三院工程簡介：本建筑物為某市第三醫(yī)院門診病房綜合樓，位于某市長安區(qū)體育南大街15號（現(xiàn)某市第三醫(yī)院內(nèi)），工程占地面積3960.2m2，總建筑面積57366.3m2，其中地下7920.4m2，地上49445.9m2；結(jié)構(gòu)為框剪結(jié)構(gòu)，A－D軸為一期，D－F為二期建設(shè)，地下二層，地上十九層，建筑高度78.5米。項目等級一級，合理使用年限50年?；A(chǔ)為筏板基礎(chǔ)，厚度1.0m，混凝土設(shè)計等級C40抗?jié)B等級P6，澆筑量約3600m3。三、混凝土配合比的優(yōu)化和調(diào)整此類討論較多，在此不在贅述。本工程最終配合比確定為：施工部位混凝土配合比（KKg/m3）水泥砂子石子粉煤灰膨脹劑泵送劑水底板4006651070753519.5190注：1.本配合比所使用材料均為飽和面干態(tài)，施工時應(yīng)根據(jù)材料實際含水情況隨時調(diào)整。2.外加劑具有減水、保塑、緩凝、泵送、防凍等復(fù)合功能。3.水泥：采用鹿泉鼎鑫水泥有限公司生產(chǎn)的P.S32.5水泥，其性能應(yīng)符合GB1344規(guī)定；對大體積混凝土所用的水泥，應(yīng)進行水化熱測定，水泥水化熱的測定按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《水泥水化熱試驗方法（直接法）》進行，配制混凝土所用水泥7天的水化熱宜不大于250kj/kg4.泵送防凍劑：采用石家莊新星建筑防水材料廠生產(chǎn)的HFT-25，其性能符合JC475規(guī)定，5.膨脹劑：采用石家莊功能建材廠生產(chǎn)的FEA，其性能應(yīng)符合JC476規(guī)定；6.砂子：采用正定中砂，其性能符合JGJ52規(guī)定；7.石子：采用鹿泉5－31.5mm碎石，其性能符合JGJ53規(guī)定；8.摻和料：采用西柏坡電廠Ⅱ級粉煤灰，其性能符合GB1596規(guī)定。9.為使早期混凝土保持良好的溫度傳遞梯度，同時保證混凝土澆筑面的正常銜接，初凝時間確定為10～12小時；四、大體積混凝土常用溫度計算公式及應(yīng)用4.1、混凝土拌合溫度TCTC=……………公式4－1式中TC――混凝土的拌和溫度（℃）；Ti――混凝土組成材料溫度（℃）；W――混凝土組成材料重量（kg）；C――混凝土組成材料比熱（J/kg?K）；在本工程中根據(jù)同類工程經(jīng)驗最終確定材料溫度如下：每m3混凝土原材料重量、溫度、比熱及熱量，見下表：材料名稱重量WKg比熱CKJ/Kg℃W×CKJ/℃材料溫度℃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合計=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、混凝土出罐溫度TITI=TC-0.16(TC-Td)……………….公式4－2式中TI――混凝土出罐溫度（℃）；TC――混凝土的拌和溫度（℃）；Td――混凝土攪拌棚溫度（℃）；在本工程中:Td：攪拌棚溫度(℃)，根據(jù)實測取Td=10℃故Ti=13.6-0.16×(13.6－10)=13.0(℃)4.3、混凝土澆筑溫度Tj定義：混凝土澆筑溫度系指混凝土振搗后，位于混凝土上表面以下50～100mm深處的溫度。Tj=TC＋(Tq-TC)（A1+A2+A3+……+Ai）………公式4－3式中Tj――混凝土澆筑溫度（℃）；TC――混凝土的拌和溫度（℃）；Tq――室外平均氣溫（℃）；A1+A2+A3+……+Ai――溫度損失系數(shù)，其值按下列考慮：①混凝土裝、卸、轉(zhuǎn)運，每次A＝0.032；②混凝土運輸時A＝θτ，τ為運輸時間（min），θ值見附表。③澆筑過程中A＝0.003τ，τ為運輸時間（min）。在本工程中:公式4－3中:Tq－室外平均氣溫，根據(jù)《石家莊氣象信息網(wǎng)》天氣預(yù)報，1月份平均氣溫為－2.9℃，在本工程中取Tq=－2.9℃；A1－混凝土裝卸溫度損失系數(shù)，每次Ai=0.032，裝卸3次，故A1=0.032×3=0.096；A2－本工程經(jīng)測τ=30min,采用攪拌運輸車運輸θ=0.0042故A2=0.0042×30=0.126；A3＝０.03τ,泵送澆搗時τ=20min，則A3=0.003×20=0.6則：∑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，在混凝土澆筑過程中，第一層混凝土澆筑完成至第二層混凝土澆筑完成后覆蓋材料保溫為止，這一段時間內(nèi)混凝土?xí)p失熱量，在施工中第一層澆筑振搗后及時用塑料布覆蓋減小空氣流動，減少熱能流失，考慮此種情況，混凝土澆筑溫度取為Tj＝7(℃)達到了降低大體積混凝土內(nèi)部溫度的目的，并滿足冬季施工入模溫度不低于5℃的要求。4.4、混凝土的絕熱溫升Tτ定義：假定混凝土結(jié)構(gòu)物與周圍介質(zhì)（環(huán)境）間沒有任何熱損失，水泥的水化熱全部轉(zhuǎn)化為混凝土的溫升?；炷恋慕^熱溫升的表達式主要有雙曲線式、指數(shù)式、復(fù)合指數(shù)式三種。我們最常用的為下式：Tτ＝（1－e-mτ）………公式4－4-1式中Tτ――混凝土τ齡期時的絕熱溫升（℃）；τ――混凝土的齡期（天）；W――每立方混凝土的水泥用量（kg/m3）；c――混凝土的比熱，計算時取(0.97kJ/kg?K)；Q――每公斤水泥的水化熱（kJ/kg），可查表5-6-3；ρ――混凝土的密度（容重）取2400kg/m3；m――隨水泥品種、比表面及澆筑溫度而異，如附表5-6-4；e――常數(shù)，為2.718；每公斤水泥發(fā)熱量見附表。混凝土絕熱溫升公式分析：①這是因為混凝土澆筑后溫度的升高是水泥水化反應(yīng)的放熱過程，水化熱的釋放速率同水泥水化反應(yīng)的速率成正比。在混凝土水泥反應(yīng)過程中影響化學(xué)反應(yīng)速率的關(guān)鍵因素是水泥的濃度。反應(yīng)速率越快，，熱量產(chǎn)生的速率就越快，而且反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量與已經(jīng)參與化學(xué)反應(yīng)的水泥量成正比。②經(jīng)試驗表明混凝土的絕熱溫升與澆筑溫度之間有影響關(guān)系,試驗數(shù)據(jù)如下圖:上圖為不同澆筑溫度對混凝土絕熱溫升的影響試驗數(shù)據(jù)分析圖，為了反應(yīng)不同澆筑溫度對混凝土絕熱溫升的影響提出了表5-6-4。在上式中當(dāng)τ＝20d時即可認(rèn)為水泥的水化反應(yīng)過程結(jié)束，此時e-mτ≈0，則上式轉(zhuǎn)化為T∞＝………公式4－4-2式中T∞――混凝土的最終絕熱溫升（℃）此時即為混凝土的最終絕熱溫升。在大體積混凝土優(yōu)化配合比時，為降低絕熱溫升，應(yīng)當(dāng)盡量減少水泥用量，以礦物細摻料取代部分水泥?；炷林兴嘤昧坑捎诘V物細摻料的摻加而減少，但是，并不像單純減少水泥用量那樣使得絕熱溫升成比例降低，這是因為所摻入的礦物細摻料參加反應(yīng)時也要放熱，只是除硅灰外的礦物細摻料28d前反應(yīng)速率很低，因而才降低了混凝土的溫升。為了反應(yīng)細摻料對絕熱溫升的影響，我們提出下式對原式進行修正：摻加混合材的混凝土的絕熱溫升為:Tτ＝………公式4－4-3式中Wc――混凝土中水泥（包括膨脹劑）的用量（kg/m3）；F――混凝土活性摻和料的用量（kg/m3）；K――混合材料的折減系數(shù)，對粉煤灰取0.25～0.30；其他同前；在本工程中:跟據(jù)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，根據(jù)試驗室提供的數(shù)據(jù)取2450Kg/m3。則T∞=64(℃)4.5、混凝土內(nèi)部實際最高溫度Tmax=Tj+Tτ?ξ………公式5式中Tmax――混凝土內(nèi)部的最高溫度；ξ――不同澆筑塊厚度、不同齡期時的降溫系數(shù)，見附表5-6-5；其他符號意義同前；4.6、混凝土表面溫度Tb(τ)Tb(τ)=Tq+ΔT(τ)………公式6式中Tb(τ)――齡期τ時混凝土的表面溫度(℃)；Tq――齡期τ時，大氣的平均溫度(℃)；H――混凝土的計算厚度（m），H=h+2h′;h――混凝土的實際厚度（m）；h′――混凝土的虛厚度（m），h′＝K；K――計算折減系數(shù)，可取0.666；β――模板及保溫層的傳熱系數(shù)（W/m2?K）,β=δi――各種保溫材料的厚度(m);λi――各種保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)（W/m?K），見附表5－6－6βq――空氣層傳熱系數(shù)，可取23W/m2?K；ΔT(τ)――齡期τ時，混凝土內(nèi)最高溫度與外界氣溫之差(℃)，ΔT(τ)＝Tmax-Tq。在實際大體積混凝土溫度計算中，利用表面溫度計算通常有以下三種方法：假定混凝土不覆蓋保溫計算是否滿足混凝土溫差標(biāo)準(zhǔn)。這時h`＝0.0675m。這是應(yīng)為，此時β＝βq＝23W/m2?K又K＝0.666，λ＝2.33W/m?K，代入h`＝Kλ/β則：h`＝0.0675m假定覆蓋保溫物質(zhì)，推算混凝土表面溫度，比較混凝土表面溫度與混凝土內(nèi)最高溫度是否滿足溫差標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)：混凝土的中心溫度與表面溫度之間的差值（Tmax–Tb），基底面溫差以及混凝土表面溫度與室外空氣中最低溫度之間的差值（Tb–Tq），均應(yīng)小于20°C；經(jīng)過計算確認(rèn)結(jié)構(gòu)物混凝土具有足夠的抗裂能力時，允許不大于25～30℃。（我國規(guī)范規(guī)定為25℃）。保險起見這時我們一般取Tmax－Tb(τ)＝15~20℃4.7在本工程中的溫差公式理解偏差計算㈠在本工程中的計算1）混凝土內(nèi)部實際最高溫度（按3d計算）：由前面計算知：T∞=64(℃)；查表5－6―5得ξ此時取值為0.36；查表5－6－4利用查分法得：m＝0.3042；則Tmax=Tj+Tτ×ξ=20.8(℃)2）混凝土表面溫度Tb(t)假定澆筑后用一層塑料膜、兩層草袋覆蓋養(yǎng)護,查表5－6－6和表5－6－7得，草袋厚δ1=0.015m,Kb＝1.6（此基礎(chǔ)深10m又四周均有樓，基坑內(nèi)基本無風(fēng)，故Kb不取2.0）；λ1=0.14W/mk,βq－空氣層傳導(dǎo)系數(shù)，取為23W/㎡k則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℃結(jié)論:混凝土中心最高溫度與表面溫度之差為:Tmax-Tb(t)=20.8-11.4=9.4(℃)＜25℃，滿足規(guī)定要求,混凝土表面溫度與室外氣溫(0℃)之差為Tb(t)-Tq=11.4-(-2.9)＜25℃;亦滿足要求。故采用一層塑料膜及兩層草袋覆蓋能滿足要求。㈡對㈠的計算過程分析根據(jù)類似大體積混凝土施工溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)和同兄弟公司經(jīng)驗，可知㈠的計算過程是不復(fù)合實際的。㈠的計算過程中主要存在的問題為:忽略了公式Tmax=Tj+Tτ×ξ的應(yīng)用條件；其一是：本公式復(fù)合在澆筑溫度在20～30℃的情況；其二是本公式的邊界條件是自然對流的邊界條件。不同的澆筑溫度對混凝土溫升影響是不一樣的。這是因為澆筑溫度越高，水泥水化反應(yīng)就越快，試驗數(shù)據(jù)分析如下圖：又在本工程中混凝土處于冬季施工，而冬季施工的混凝土覆蓋保溫又是必須的，這是因為：保溫養(yǎng)護是大體積混凝土施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其目的主要是降低大體積混凝土澆筑塊體的內(nèi)外溫差值以降低混凝土塊體的自約束應(yīng)力；其次是降低大體積混凝土澆筑塊體的降溫速度，充分利用混凝土的抗拉強度，以提高混凝土塊體承受約束應(yīng)力的抗裂能力，達到防止或控制溫度裂縫的目的；同時，在養(yǎng)護過程中保持良好的濕度和抗風(fēng)條件，使混凝土在良好的環(huán)境下養(yǎng)護。又，在㈠中若僅僅看混凝土內(nèi)部最大溫度20.8℃，而混凝土表面溫度會大于0℃，那么溫差是滿足溫差標(biāo)準(zhǔn)的；但是混凝土表面會受到環(huán)境的晝夜溫差驟變，這極易引起混凝土表面裂縫的產(chǎn)生，所以必須覆蓋保溫。由上分析可以看出公式5在本工程中的應(yīng)用是不符的；在㈠中公式5和公式6是在不同邊界條件下得出的，那么所得的結(jié)論則是不符合實際的。㈢本工程中溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)圖㈣大體積混凝土溫差計算的經(jīng)驗公式的提出1）、根據(jù)混凝土表面溫度Tb(τ)中虛厚度的概念作為理論依據(jù)，為了便于理解我們先明確虛厚度的概念：虛厚度：當(dāng)混凝土與空氣接觸時，表面熱流量與混凝土表面溫度Tb和氣溫Tq之差成正比。即--λ*(эTb/эn)=β*(Tb–Tq)(*)式中：λ：導(dǎo)熱系數(shù)(w/m.k)；n：表面法線方向；β：傳熱系數(shù)(w/m2.k)；э：求導(dǎo)符號；將（*）式改寫成эTb/эn=--(Tb–Tq)/(λ/β)式中：Tb-Tq為變量，λ/β為常數(shù)，當(dāng)表面溫度從T1變到T2時，溫度梯度分別為tagθ1=(T1-Tq)/(λ/β)及tagθ2=(T2-Tq)/(λ/β)，從下圖可知，溫度曲線在混凝土表面的切線通過B點，且B點至邊界的距離為λ/β。將溫度曲線T1和T2向外延長，經(jīng)過水平距離h`后，即等于外界氣溫Tq。根據(jù)這一原理，在處理上述邊界條件時，可引入一個新的概念，即在真實邊界向外延拓一個“虛厚度”h`，得到一個虛邊界，在虛邊界上，固體的表面溫度等于外界的介質(zhì)（環(huán)境）溫度。若混凝土的實際厚度為h，則在表面溫度計算時采用的計算厚度為H=h+2*h`。根據(jù)同樣的原理，我們認(rèn)為混凝土內(nèi)部溫度與混凝土虛厚度有一定的關(guān)系。透過㈠㈡㈢的分析和對大量類似工程的數(shù)據(jù)分析，我們認(rèn)為：當(dāng)混凝土達到某一厚度時，混凝土中心混凝土塊體的散熱可以忽略，這時混凝土的水化熱全部轉(zhuǎn)化為混凝土的溫升。我們根據(jù)虛厚度的定義并經(jīng)實際施工監(jiān)測當(dāng)混凝土厚度達到2.5m或當(dāng)h/2+h/=1.25m時，即可認(rèn)為3d混凝土絕熱溫升全部轉(zhuǎn)化為了混凝土的溫升。這時混凝土的內(nèi)部實際最高溫度為：Tmax=Tj+Tτ?ηη――h/2+h/不同時的經(jīng)驗系數(shù)；因試驗數(shù)據(jù)不足，暫時推論數(shù)據(jù)如下表；Tmax、Tj、Tτ意義同前h/2+h/值0.80.91.01.11.21.25η值0.920.940.960.980.9912）、3~5d混凝土絕熱溫升簡單計算可用以下經(jīng)驗公式一Tτ=+注：式中符號同前。3）、在自然對流邊界條件下可用以下經(jīng)驗公式二Tτ=ξ+注：式中符號同前。ξ――不同混凝土厚度3d齡期時的散熱系數(shù)，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：在大體積混凝土計算中2）或3）與公式5－6－5的結(jié)合使用會更加符合實際溫差。㈤在本工程中的應(yīng)用㈠在本工程中的計算混凝土內(nèi)部實際最高溫度（按3d計算）：由前面計算知：T∞=64(℃)；假定澆筑后用一層塑料膜、兩層草袋覆蓋養(yǎng)護，查表5－6－6和表5－6－7得，草袋厚δ1=0.015m,Kb＝1.6（此基礎(chǔ)深10m又四周均有樓，基坑內(nèi)基本無風(fēng)，故Kb不取2.0）；λ1=0.14W/mk,βq－空氣層傳導(dǎo)系數(shù)，取為23W/㎡k則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取值為0.9；查表5－6－4利用查分法法得：m＝0.30442；則：3d的絕熱溫升Tτ==38℃則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℃結(jié)論:混凝土中心最高溫溫度與表面溫溫度之差為:Tmax-TTb(t)=441.4-222.8=118.6(℃℃)＜25℃，滿足規(guī)定定要求,混凝土表面溫溫度與覆蓋塑塑料的溫度接接近肯定＜20℃。故采用一一層塑料膜及及兩層草袋覆覆蓋能滿足要要求。4.8、混凝土所所需保溫材料料厚度計算公式δi=式中(其他符號同前)Tq――混凝土澆筑后3～～5d內(nèi)平均大氣氣氣溫(℃)；Kb――傳熱系數(shù)修正值，見見附表。本公式應(yīng)用的方法法：因為本公公式中要計算算的厚度與混混凝土表面溫溫度、混凝土土內(nèi)部溫度間間是相互影響響的關(guān)系，所所以如果想計計算其保溫厚厚度，就必須須先假定Tmax-TTb(t)和Tb(t)-Tq的值，我們根據(jù)溫溫差標(biāo)準(zhǔn)在計計算中可結(jié)合合設(shè)計及施工工情況假定：：Tmax-Tb((t)＝20～25℃；Tb(t)-Tq＝15～20℃，然后根據(jù)據(jù)保溫材料再再算表面溫度度，核對溫差差。注：Tmax和TTb(t)可按3d計算。五、結(jié)束語由于混凝土散熱的的外部條件相相當(dāng)復(fù)雜，嚴(yán)嚴(yán)格計算出混混凝土的內(nèi)部部最高溫度是是相當(dāng)困難的的，那么在實實際工程施工工中我們就必必須嚴(yán)格控制制原材料質(zhì)量量，優(yōu)化混凝凝土配比，控控制混凝土的澆筑筑溫度，盡量量降低混凝土土的絕熱溫升升，加強混凝凝土的施工控控制和混凝土土的測溫監(jiān)控控。保溫養(yǎng)護護的措施應(yīng)能能使混凝土的溫差差滿足溫度指指標(biāo)的要求，保保溫養(yǎng)護的持持續(xù)時間，應(yīng)應(yīng)根據(jù)溫度應(yīng)應(yīng)力（包括收收縮應(yīng)力）加加以控制、確確定，但不得得少于15d，保溫覆蓋蓋層的拆除應(yīng)應(yīng)分層逐步進進行；在保溫溫過程中應(yīng)保保持混凝土表面的的濕潤。附錄（詳見《高層建筑施施工手冊》（第第二版）――中國建筑工工業(yè)出版社；；《建筑施工工手冊》（第第四版）――中國建筑工工業(yè)出版社中中數(shù)據(jù)）表5-6-2運輸工具混凝土容積（m33）θ運輸工具混凝土容積（m33）θ攪拌運輸車60.0042保溫手推車0.150.007開敞式自卸汽車1.40.0037不保溫手推車0.750.01封閉式自卸汽車2.00.0017吊車1.00.0015表5-66-3水泥品種水泥發(fā)熱量（kJJ/kg）225275325425525普通水泥201243289377461礦渣水泥188205247335――計算水化熱溫升時時的m值表5-6-44澆筑溫度51015202530M(1/d)0.2950.3180.3400.3620.3840.406各種保溫材料的導(dǎo)導(dǎo)熱系數(shù)