韓鳳蘭

1. 上海建工建材科技集團(tuán)股份有限公司 上海 200086；2. 上海同舜混凝土有限公司 上海 200090

在混凝土在硬化過(guò)程中，膠凝材料進(jìn)行的水化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的水化熱量。大體積混凝土結(jié)構(gòu)的截面尺寸大，加上混凝土材料本身導(dǎo)熱性能差，所以在混凝土內(nèi)部有大量熱量聚集且釋放速度慢，從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度較高，結(jié)構(gòu)表面的溫度較低，在混凝土內(nèi)部和表面形成較大溫差，會(huì)引發(fā)不均勻的溫度變形和溫度應(yīng)力，最終導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生[1-2]。

對(duì)于如何在混凝土澆筑前進(jìn)行溫升的理論判斷，朱平華等[3]研究了一維非穩(wěn)定傳熱方程來(lái)描述高層建筑基礎(chǔ)大體積混凝土的傳熱過(guò)程；苗林等[4]采用基于瞬態(tài)溫度場(chǎng)三維有限元分析方法對(duì)大體積樁承臺(tái)進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元分析；張曉飛[5]通過(guò)有限元模型Ansys軟件+Fortran語(yǔ)言溫控仿真程序計(jì)算+后處理Sufer軟件的方法，可對(duì)任意結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫控仿真計(jì)算。限于大部分混凝土攪拌站和施工單位實(shí)際軟硬件條件，采用一維差分法進(jìn)行溫升理論計(jì)算更貼近現(xiàn)實(shí)情況。

本文以某工程C50底板為對(duì)象，采用一維差分法進(jìn)行溫升理論計(jì)算，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，以指導(dǎo)工程大體積混凝土澆筑前的配合比設(shè)計(jì)。

1 工程背景

本工程屬于一級(jí)保密工程，地上3層、地下4層。

混凝土底板強(qiáng)度等級(jí)一般在C40以下，本工程底板采用了C50強(qiáng)度等級(jí)混凝土，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度較高，底板厚度1 m，面積900 m2，由于其特殊性和重要性及C50強(qiáng)度等級(jí)的應(yīng)用，對(duì)底板在質(zhì)量控制方面提出了非常高的要求。

2 原材料

1）水泥：采用海門海螺P·O 42.5水泥，滿足標(biāo)準(zhǔn)GB 175—1999《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》的要求。

2）粉煤灰：采用外高橋電廠Ⅱ級(jí)灰，滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求。

3）礦粉：為寶田S95礦渣微粉，滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18046—2008《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》的要求。

4）骨料：細(xì)骨料采用天然中粗砂，細(xì)度模數(shù)大于2.5，碎石采用5～25 mm連續(xù)級(jí)配，含泥量＜0.6%，滿足標(biāo)準(zhǔn)JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法》的要求。

5）外加劑：采用上海建工材料工程有限公司生產(chǎn)的803高效外加劑，其質(zhì)量符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 8076—2008《混凝土外加劑》的要求。

6）拌和水：自來(lái)水。

3 膠凝材料水化速率分析

對(duì)本工程所用水泥、礦粉及水泥-礦粉-粉煤灰體系、水泥-礦粉-粉煤灰-外加劑體系分別進(jìn)行了水化熱檢測(cè)，雙摻摻入活性礦物摻合料粉煤灰和礦粉后，膠凝材料體系的水化放熱速率峰值有非常明顯的降低，由P·O 42.5水泥的2.7 mW/g降低到1.6 mW/g，但對(duì)時(shí)間影響不大，均在水化14 h左右達(dá)到峰值。外加劑對(duì)膠凝材料的水化速率影響較大，加入外加劑后，放熱速率峰值降低至1.1 mW/g，并在30 h左右達(dá)到峰值（圖1）。

圖1 膠凝材料水化放熱速率

由圖1可以看出，膠凝體系加外加劑后，16 h前幾乎不發(fā)生水化，16 h后的水化曲線和未加入外加劑時(shí)的曲線幾乎一致。可以認(rèn)為加入外加劑后膠凝體系的水化整體延后了16 h。

4 混凝土配合比設(shè)計(jì)

本工程底板混凝土配合比設(shè)計(jì)主要考慮水化熱情況（表1）。

表1 本工程C50底板混凝土配合比單位：kg/m3

1）為控制水化熱，減小內(nèi)外溫差，選用P·O 42.5水泥，且較常規(guī)C50混凝土降低水泥用量。

2）提高礦粉、粉煤灰外摻料的摻入比例。

3）該底板混凝土坍落度要求為140 mm±30 mm，由于工程所處的特殊地理位置和交通管制因素，根據(jù)施工時(shí)的天氣氣溫變化和混凝土攪拌車的運(yùn)輸情況，對(duì)混凝土的出廠坍落度作適當(dāng)調(diào)整。

5 一維差分法混凝土溫升計(jì)算

按照表1的配合比，依據(jù)式（1）進(jìn)行混凝土絕熱溫升計(jì)算。

根據(jù)GB 50496—2009《大體積混凝土施工技術(shù)規(guī)范》，摻入摻合料的膠凝材料水化熱的調(diào)整系數(shù)為：摻10%時(shí)，k1為0.96，k2為1；摻20%時(shí)，k1為0.95，k2為0.93；摻30%時(shí)，k1為0.93，k2為0.92；摻40%時(shí)，k1為0.82，k2為0.84。

由本工程所用的混凝土配合比以及式（1）和式（2）可得：

k＝0.95+0.92－1＝0.87

Q＝0.87×387≈336.7 kJ/kg

水泥水化熱引起的混凝土絕熱溫升值按式（3）計(jì)算：

本文的混凝土比熱取值0.96 kJ/（kg·℃），密度為2 393 kg/m3，經(jīng)計(jì)算T(t)＝72.54(1－e－mt)。

采用一維差分法，按差分式計(jì)算該C50混凝土的溫升如下：

α——混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)，數(shù)值取0.003 5 m2/h。

取混凝土的入模溫度作為混凝土的初始溫度，假定上表面邊界溫度為大氣溫度。在t1和t2時(shí)刻之間，混凝土內(nèi)部熱源由于散熱所產(chǎn)生的溫差按式（5）計(jì)算：

一維差分法以底板厚1 m處作為研究對(duì)象，分5層，即Δx＝0.2 m。根據(jù)天氣預(yù)報(bào)，初始地基和大氣溫度為18 ℃，測(cè)得混凝土的入模溫度為25 ℃。Δt＝1.5 h，αΔt/Δx2＝0.131，取T0,0＝18 ℃，T1,0－T5,0為25 ℃，按照式（4）計(jì)算出各個(gè)層的溫度變化，如圖2所示。

圖2 各層混凝土溫度計(jì)算值變化示意

6 混凝土實(shí)體溫度檢測(cè)結(jié)果

本工程底板在2020年5月28日22：00開始測(cè)溫并記錄數(shù)據(jù)。在混凝土表面、底板中部和底部分別設(shè)置測(cè)溫裝置?；炷翝仓瓿珊? d內(nèi)每隔0.5 h測(cè)溫1次，繪制溫度-時(shí)間曲線圖（圖3），計(jì)算混凝土內(nèi)外的溫差值。

圖3 混凝土的溫度-時(shí)間曲線

根據(jù)GB 50496—2009《大體積混凝土施工規(guī)范》的規(guī)定，當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差大于25 ℃時(shí)，則混凝土的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫，需要采取一定的措施以降低混凝土內(nèi)外的溫差值。

本工程溫度監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，2020年5月29日21：00中部測(cè)點(diǎn)混凝土溫度達(dá)到峰值69.56 ℃，對(duì)應(yīng)的混凝土表面測(cè)點(diǎn)溫度為54.11 ℃，內(nèi)外溫差為15.45 ℃，混凝土內(nèi)外溫差＜25 ℃。

7 計(jì)算與實(shí)際誤差分析

通過(guò)理論計(jì)算值與工程實(shí)際測(cè)量值的比較，可以看出實(shí)際測(cè)量值的溫度峰值高于理論計(jì)算溫度峰值約15 ℃，且峰值出現(xiàn)時(shí)間提前。但在溫差方面，計(jì)算值的最大內(nèi)外溫差為19 ℃，實(shí)測(cè)值的最大內(nèi)外溫差為15.45 ℃。

在進(jìn)行理論計(jì)算時(shí)，膠凝材料的水化反應(yīng)是在恒溫（20 ℃）條件下進(jìn)行的，而在實(shí)際條件下，水化反應(yīng)的溫度是遠(yuǎn)超20 ℃的，水化環(huán)境溫度越高，則水化反應(yīng)越快。因此，實(shí)際情況下混凝土的水化加快，溫度峰值有所提前，且最高溫度高于計(jì)算溫度的峰值。但各層溫度變化的趨勢(shì)是一致的，如底部溫度后期會(huì)超過(guò)中間層溫度。而且實(shí)測(cè)最大內(nèi)外溫差小于理論最大內(nèi)外溫差，造成大體積混凝土溫度裂縫的原因正是內(nèi)外溫差，因此理論計(jì)算是具有參考價(jià)值的。

8 工程現(xiàn)場(chǎng)及評(píng)價(jià)

干縮也會(huì)導(dǎo)致混凝土裂縫的產(chǎn)生，混凝土底板內(nèi)部濕度變化一般局限于表面不深的范圍內(nèi)，如果底板混凝土養(yǎng)護(hù)不及時(shí)或者養(yǎng)護(hù)方法不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，所以在養(yǎng)護(hù)方式交底時(shí)特別要求工地進(jìn)行保水養(yǎng)護(hù)。

工地在混凝土澆筑后的4 d內(nèi)采用保水方式養(yǎng)護(hù)，之后在14 d內(nèi)覆蓋塑料薄膜并由專人灑水，使混凝土表面保持濕潤(rùn)狀態(tài)養(yǎng)護(hù)。對(duì)混凝土質(zhì)量進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)有害裂縫，效果良好。

9 結(jié)語(yǔ)

1）從水化速率來(lái)看，礦粉、粉煤灰的摻入，可以有效降低水化速率?？赏ㄟ^(guò)提高礦粉、粉煤灰的摻量來(lái)減小水化熱。

2）計(jì)算溫度值較實(shí)際溫度測(cè)量值偏低，溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間比實(shí)際測(cè)量值延后，但溫升計(jì)算結(jié)果可作為參考。計(jì)算混凝土內(nèi)外溫差和實(shí)測(cè)混凝土內(nèi)外溫差均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)。

3）為保證混凝土底板的質(zhì)量，應(yīng)重視對(duì)底板的養(yǎng)護(hù)，采用保水方式養(yǎng)護(hù)。