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随着我国科学技术的日新月异，大型冶金钢铁企业厂房、设备基础都趋于现代化，建筑结构基础或筏形基础都有大体积的混凝土结构，还常有大型设备基础等，这些结构对混凝土的施工技术提出了更高的要求，施工企业在具体施工过程中，常常出现裂缝问题，并且近年来日趋增多。
【关键词】大体积混凝土 冬季施工防裂温度应力 蓄热保温
某矿山铁矿选矿场项目，子单位原矿堆场工程，属于地下回形通廊结构，墙体厚度1000mm~1500mm，通廊底板厚2000mm，顶板厚1200mm~2000m；通廊底板及顶板一次浇筑混凝土量1100~2400 m3左右，因此属大体积混凝土施工范围。本工程施工期为北方11月至次年2月份之间，属冬季大体积混凝土施工。
建筑工程中的大体积混凝土结构中，由于结构截面大，水泥用量多，水泥水化所释放的水化热会产生较大的温度变化和收缩作用，由此形成的温度收缩力是导致大体积混凝土产生裂缝的主要原因。因此需要从材料选择上、技术措施等有关环节做好充分的准备工作，才能保证基础底板大体积混凝土顺利施工。
一、材料选择
本工程采用商品混凝土浇筑。对主要材料要求如下：
（1）水泥：考虑普通水泥水化热较高，特别是应用到大体积混凝土中，大量水泥水化热不易散发，在混凝土内部温度过高，与混凝土表面产生较大的温度差，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，当表面拉应力超过早期混凝土抗拉强度时就会产生温度裂缝，因此确定采用水化热比较低的矿渣硅酸盐水泥，通过掺加合适的外加剂可以改善混凝土的性能，提高混凝土的抗渗能力。
（2）粗骨料：采用碎石，粒径5-25mm，含泥量不大于1%。选用粒径较大、级配良好的石子配制的混凝土，和易性较好，抗压强度较高，同时可以减少用水量及水泥用量，从而使水泥水化热减少，降低混凝土温升。
（3）细骨料：采用中砂，平均粒径大于0.5mm，含泥量不大于5%。选用平均粒径较大的中、粗砂拌制的混凝土比采用细砂拌制的混凝土可减少用水量10%左右，同时相应减少水泥用量，使水泥水化热减少，降低混凝土温升，并可减少混凝土收缩。
（4）粉煤灰：由于混凝土的浇筑方式为泵送，为了改善混凝土的和易性便于泵送，考虑掺加适量的粉煤灰。按照规范要求，采用矿渣硅酸盐水泥拌制大体积粉煤灰混凝土时，其粉煤灰取代水泥的最大限量为25%。粉煤灰对水化热、改善混凝土和易性有利，但掺加粉煤灰的混凝土早期极限抗拉值均有所降低，对混凝土抗渗抗裂不利，因此粉煤灰的掺量控制在10%以内，采用外掺法，即不减少配合比中的水泥用量。按配合比要求计算出每立方米混凝土所掺加粉煤灰量。
（5）外加剂：设计无具体要求时，通过分析比较及过去在其它工程上的使用经验，每立方米混凝土2kg，减水剂可降低水化热峰值，对混凝土收缩有补偿功能，可提高混凝土的抗裂性。
二、混凝土配合比
（1）混凝土采用实验室提供的泵送混凝土配比，因此要求实验室根据现场提出的技术要求，提前做好混凝土试配。
（2）混凝土配合比硬度按60天强度考虑，缓凝时间确定为8小时，每立方米混凝土水泥用量控制在300kg左右。
（3）粉煤灰采用外掺法时仅在砂料中扣除同体积的砂量。
三、大体积混凝土温度和温度应力计算
1.混凝土内部最高温升值：Tmax=T2+(mce/10+F/50)ηT式中：
Tmax—混凝土最高温升值(℃)；
mce—水泥用量(kg)；
F—粉煤灰用量(kg)；
T2—混凝土拌合物浇筑完成时的温度，现场实测平均值为12℃；
ηT—温度修正系数，根据施工季节及承台几何尺寸取值在1.6～1.8
Tmax=12+(313/10+50/50)×1.75=69℃
该温度为基础底板混凝土内部中心点的温升高峰值，该温升值一般都略小于绝热温升值，一般在混凝土浇筑后3d左右产生，以后趋于稳定不再升温，并且开始逐步降温。由于混凝土内部最高温升值为69℃，因此将混凝土表面的温度控制在44℃左右，这样混凝土内外温差不会超过规范规定的25℃，表面温度的控制可采取调整保温层的厚度得以实现。
2.温度应力计算：在混凝土浇筑后水化热值达到最大时，计算此时由温差和收缩差引起的温度应力。
①混凝土的最大综合温度差：
ΔT=T2+2/3Tmax-Tyt-Th式中：
ΔT—混凝土的最大综合温差(℃)；
Tmax—混凝土最高温升值(℃)
T2—混凝土拌合物经运输至浇筑完成时的温度(℃)
Tyt—各龄期混凝土收缩当量温差，按《简明施工计算手册》等相关内容可算得为5.2℃
Th—混凝土浇筑后到稳定时的外界温度，本工程施工时平均气温为-4℃
ΔT=12+2/3×69-5.2+4=56.8℃
②混凝土温度收缩应力计算：由于基础底板两个方向的尺寸都比较大，所以需考虑两个方向所受的外约束来进行计算。
σt=-E(t•)a•ΔT/(1-v)•H(t•)R
式中σt—混凝土的温度应力(N/mm2)
E(t)—混凝土从浇注后至计算时的弹性模量，可计算出E(18)=2.246×104N/mm2
V—混凝土的泊松比，取0.15；
H(t)—考虑徐变影响的松弛系数，一般取0.3～0.5，从几个工程实例中统计得出取0.35；
R—混凝土的外约束系数，当为岩石地基时，R=1；当为可滑动的垫层时，R=0；一般土地基取0.20～0.5；
σt=-2.246×104×1.0×10-5×56.8/(1-0.15)×0.35×0.2=-1.05N/mm2
采用425号硅酸盐水泥拌制的混凝土，在养护温度20℃左右，龄期18d的强度可达到设计强度的85%左右，掺加了JM-3防水剂后，龄期18d的强度可达到设计强度的95%以上。C40混凝土的抗拉强度设计值为1.71MPa/mm2，设计强度的95%为1.625N/mm2。
K=1.625/1.05=1.55>1.15满足要求。
式中K—抗裂安全度。
③基础底板温差应力计算：任一截面处应满足：a.符合平截面假定；b.∑N=0、∑M=0，可求解出σ1、σ2
σ1=αE(t)(T1-T2)/2×H(t)
α—混凝土的线性膨胀系数，1×10-5（1/℃）
T1、T2—分别为计算时所测得混凝土构件内、外的最高温度。
混凝土表面温度在18～20℃，水化热引起最高温度的天数在浇筑混凝土后3～5d，所用水泥为425硅酸盐水泥，强度为37%～50%，相当C20强度。如温差控制在：△T=T1-T2=69-44=25℃,H(t)=0.35
σ1=1.0×10-5×2.246×104×25/2×0.35=0.98<1.1(N/mm2)符合要求。
如温差△T控制在25℃以上如30℃时，H(t)=0.35
σ2=1.0×10-5×2.246×104×30/2×0.35=1.18>1.1(N/mm2)基础底板则会开裂。
四、大体积混凝土冬季施工应对措施
1.現场准备工作：
①基础底板钢筋及墙体插筋应分段尽快施工完毕，并进行隐蔽工程验收。
②将基础底板上表面标高抄测在柱、墙钢筋上，并作明显标记，供浇筑混凝土时采用。
③浇筑混凝土时预埋的测温管及保温所需的塑料薄膜、草袋应提前准备好。
④管理人员、施工人员、后勤人员、测温人员、保温人员等昼夜排班，坚守岗位，各负其责，保证混凝土连续浇筑的顺利进行。
2.混凝土浇筑施工
①基坑东北和西南分别布置一台46米和一台38米泵车，一次连续浇筑完成。
②混凝土浇筑时应采用“分区定点、一个坡度、循序推进、一次到顶”的浇筑工艺，划定浇筑区域，每台泵车负责本区域的混凝土浇筑，浇筑时先在一个部位进行，直至达到设计标高，混凝土形成扇形向前流动，然后在其坡面上继续浇筑，循序推进。这种浇筑方法能较好地适应泵送工艺，使每车混凝土均浇筑在前一车混凝土形成的坡面上，确保每层混凝土之间的浇筑间歇不超过规定的时间，同时可解决频繁移动泵车的问题，也便于浇筑完的部位进行覆盖保温。
③混凝土浇筑应连续进行，间歇时间不得超过3.5h，过时仍不能继续浇筑时，需采取应急措施，即在已浇筑的混凝土面上插φ12短钢筋，长度1m，间距500mm，呈梅花状布置，同时将混凝土表面用塑料薄膜或草袋覆盖保温，以保证混凝土表面不受冻。
④由于混凝土坍落度比较大，会在表层钢筋下部產生水分，或在表层钢筋的上部产生细小裂缝。为了防止出现这种裂缝，在混凝土初凝前采取二次抹面压实措施。
3.混凝土测温
①基础底板混凝土浇筑时应设专人配合预埋测温，测温管分别埋置在不同的部位，每组三根，即深度方向500mm、1000mm、1500mm各一根。
②测温工作应连续进行，每4h测一次，持续测温18d及混凝土强度达到设计强度的要求，并经技术部门同意后方可停止测温。
③测温时发现混凝土内部最高温度与表面温度之差达到25℃或温度异常时，应及时采取应对措施。
3.混凝土养护
①混凝土浇筑及二次抹面压实后应立即覆盖保温，经计算得出先在混凝土表面覆盖一层塑料薄膜，然后在上面覆盖四层草袋内含二层塑料薄膜，顶上再盖一层塑料薄膜。
②新浇筑的混凝土水化速度比较快，盖上塑料薄膜后进行保湿养护，防止混凝土表面因脱水而产生干缩裂缝，同时可避免草袋因吸水受潮降低保温性能。
③墙体插筋及后浇带部位是保温的难点，要特别注意盖严，防止造成温差较大或局部受冻。
4.蓄热保温、控制内外温差
混凝土浇筑完成后(终凝前)应对混凝土进行蓄热保温，控制混凝土表面温度，控制降温速率，减少温度梯度(温度梯度控制按JBJ224-91规程规定，混凝土底板的降温速度不宜大于1.5℃/d，因混凝土总体降温缓慢，可充分发挥混凝土徐变特性降低温度应力)，使混凝土内外温差控制在25℃以内。为达到此目的要及时对混凝土温度进行测量，随时测量内外温差，以调整覆盖保温材料厚度，当内外温差小于25℃时，可逐步撤除保温层。
①覆盖保温材料厚度计算：
d=0.5Hλ1(Ta-Tb)K/λ2(Tmax-Ta)
d—保温层厚度；H—混凝土底板厚度(m)
λ1—保温材料导热系数(W/HK)，草袋取0.055
λ2—混凝土导热系数(W/HK)，取2.5；Tmax-混凝土最高温度
Ta—混凝土表面温度；Tb—大气温度(可按平均气温取值)
K—传导系数修正值，取1.0
d=0.5×2×0.055×(44-5)×1.0/2.5×(69-44)=0.034(m)
所以应采用一层塑料薄膜和三层草袋覆盖养护。
②蓄热保温时间计算
按混凝土最高温度69℃计算，混凝土浇筑后半个月内以日平均温度5℃计算，拆除保温层时间以混凝土底板中心温度与外界温差小于25℃为标准，则混凝土底板中心最高温度应降到25+5=30℃以内。最高温度降温数为69-30=39℃，按日平均降温1.5℃计算，则需要39/1.5=26d，故保温时间不得少于26d，具体应以实测温度计算温差决定。
【关键词】大体积混凝土 冬季施工防裂温度应力 蓄热保温
某矿山铁矿选矿场项目，子单位原矿堆场工程，属于地下回形通廊结构，墙体厚度1000mm~1500mm，通廊底板厚2000mm，顶板厚1200mm~2000m；通廊底板及顶板一次浇筑混凝土量1100~2400 m3左右，因此属大体积混凝土施工范围。本工程施工期为北方11月至次年2月份之间，属冬季大体积混凝土施工。
建筑工程中的大体积混凝土结构中，由于结构截面大，水泥用量多，水泥水化所释放的水化热会产生较大的温度变化和收缩作用，由此形成的温度收缩力是导致大体积混凝土产生裂缝的主要原因。因此需要从材料选择上、技术措施等有关环节做好充分的准备工作，才能保证基础底板大体积混凝土顺利施工。
一、材料选择
本工程采用商品混凝土浇筑。对主要材料要求如下：
（1）水泥：考虑普通水泥水化热较高，特别是应用到大体积混凝土中，大量水泥水化热不易散发，在混凝土内部温度过高，与混凝土表面产生较大的温度差，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，当表面拉应力超过早期混凝土抗拉强度时就会产生温度裂缝，因此确定采用水化热比较低的矿渣硅酸盐水泥，通过掺加合适的外加剂可以改善混凝土的性能，提高混凝土的抗渗能力。
（2）粗骨料：采用碎石，粒径5-25mm，含泥量不大于1%。选用粒径较大、级配良好的石子配制的混凝土，和易性较好，抗压强度较高，同时可以减少用水量及水泥用量，从而使水泥水化热减少，降低混凝土温升。
（3）细骨料：采用中砂，平均粒径大于0.5mm，含泥量不大于5%。选用平均粒径较大的中、粗砂拌制的混凝土比采用细砂拌制的混凝土可减少用水量10%左右，同时相应减少水泥用量，使水泥水化热减少，降低混凝土温升，并可减少混凝土收缩。
（4）粉煤灰：由于混凝土的浇筑方式为泵送，为了改善混凝土的和易性便于泵送，考虑掺加适量的粉煤灰。按照规范要求，采用矿渣硅酸盐水泥拌制大体积粉煤灰混凝土时，其粉煤灰取代水泥的最大限量为25%。粉煤灰对水化热、改善混凝土和易性有利，但掺加粉煤灰的混凝土早期极限抗拉值均有所降低，对混凝土抗渗抗裂不利，因此粉煤灰的掺量控制在10%以内，采用外掺法，即不减少配合比中的水泥用量。按配合比要求计算出每立方米混凝土所掺加粉煤灰量。
（5）外加剂：设计无具体要求时，通过分析比较及过去在其它工程上的使用经验，每立方米混凝土2kg，减水剂可降低水化热峰值，对混凝土收缩有补偿功能，可提高混凝土的抗裂性。
二、混凝土配合比
（1）混凝土采用实验室提供的泵送混凝土配比，因此要求实验室根据现场提出的技术要求，提前做好混凝土试配。
（2）混凝土配合比硬度按60天强度考虑，缓凝时间确定为8小时，每立方米混凝土水泥用量控制在300kg左右。
（3）粉煤灰采用外掺法时仅在砂料中扣除同体积的砂量。
三、大体积混凝土温度和温度应力计算
1.混凝土内部最高温升值：Tmax=T2+(mce/10+F/50)ηT式中：
Tmax—混凝土最高温升值(℃)；
mce—水泥用量(kg)；
F—粉煤灰用量(kg)；
T2—混凝土拌合物浇筑完成时的温度，现场实测平均值为12℃；
ηT—温度修正系数，根据施工季节及承台几何尺寸取值在1.6～1.8
Tmax=12+(313/10+50/50)×1.75=69℃
该温度为基础底板混凝土内部中心点的温升高峰值，该温升值一般都略小于绝热温升值，一般在混凝土浇筑后3d左右产生，以后趋于稳定不再升温，并且开始逐步降温。由于混凝土内部最高温升值为69℃，因此将混凝土表面的温度控制在44℃左右，这样混凝土内外温差不会超过规范规定的25℃，表面温度的控制可采取调整保温层的厚度得以实现。
2.温度应力计算：在混凝土浇筑后水化热值达到最大时，计算此时由温差和收缩差引起的温度应力。
①混凝土的最大综合温度差：
ΔT=T2+2/3Tmax-Tyt-Th式中：
ΔT—混凝土的最大综合温差(℃)；
Tmax—混凝土最高温升值(℃)
T2—混凝土拌合物经运输至浇筑完成时的温度(℃)
Tyt—各龄期混凝土收缩当量温差，按《简明施工计算手册》等相关内容可算得为5.2℃
Th—混凝土浇筑后到稳定时的外界温度，本工程施工时平均气温为-4℃
ΔT=12+2/3×69-5.2+4=56.8℃
②混凝土温度收缩应力计算：由于基础底板两个方向的尺寸都比较大，所以需考虑两个方向所受的外约束来进行计算。
σt=-E(t•)a•ΔT/(1-v)•H(t•)R
式中σt—混凝土的温度应力(N/mm2)
E(t)—混凝土从浇注后至计算时的弹性模量，可计算出E(18)=2.246×104N/mm2
V—混凝土的泊松比，取0.15；
H(t)—考虑徐变影响的松弛系数，一般取0.3～0.5，从几个工程实例中统计得出取0.35；
R—混凝土的外约束系数，当为岩石地基时，R=1；当为可滑动的垫层时，R=0；一般土地基取0.20～0.5；
σt=-2.246×104×1.0×10-5×56.8/(1-0.15)×0.35×0.2=-1.05N/mm2
采用425号硅酸盐水泥拌制的混凝土，在养护温度20℃左右，龄期18d的强度可达到设计强度的85%左右，掺加了JM-3防水剂后，龄期18d的强度可达到设计强度的95%以上。C40混凝土的抗拉强度设计值为1.71MPa/mm2，设计强度的95%为1.625N/mm2。
K=1.625/1.05=1.55>1.15满足要求。
式中K—抗裂安全度。
③基础底板温差应力计算：任一截面处应满足：a.符合平截面假定；b.∑N=0、∑M=0，可求解出σ1、σ2
σ1=αE(t)(T1-T2)/2×H(t)
α—混凝土的线性膨胀系数，1×10-5（1/℃）
T1、T2—分别为计算时所测得混凝土构件内、外的最高温度。
混凝土表面温度在18～20℃，水化热引起最高温度的天数在浇筑混凝土后3～5d，所用水泥为425硅酸盐水泥，强度为37%～50%，相当C20强度。如温差控制在：△T=T1-T2=69-44=25℃,H(t)=0.35
σ1=1.0×10-5×2.246×104×25/2×0.35=0.98<1.1(N/mm2)符合要求。
如温差△T控制在25℃以上如30℃时，H(t)=0.35
σ2=1.0×10-5×2.246×104×30/2×0.35=1.18>1.1(N/mm2)基础底板则会开裂。
四、大体积混凝土冬季施工应对措施
1.現场准备工作：
①基础底板钢筋及墙体插筋应分段尽快施工完毕，并进行隐蔽工程验收。
②将基础底板上表面标高抄测在柱、墙钢筋上，并作明显标记，供浇筑混凝土时采用。
③浇筑混凝土时预埋的测温管及保温所需的塑料薄膜、草袋应提前准备好。
④管理人员、施工人员、后勤人员、测温人员、保温人员等昼夜排班，坚守岗位，各负其责，保证混凝土连续浇筑的顺利进行。
2.混凝土浇筑施工
①基坑东北和西南分别布置一台46米和一台38米泵车，一次连续浇筑完成。
②混凝土浇筑时应采用“分区定点、一个坡度、循序推进、一次到顶”的浇筑工艺，划定浇筑区域，每台泵车负责本区域的混凝土浇筑，浇筑时先在一个部位进行，直至达到设计标高，混凝土形成扇形向前流动，然后在其坡面上继续浇筑，循序推进。这种浇筑方法能较好地适应泵送工艺，使每车混凝土均浇筑在前一车混凝土形成的坡面上，确保每层混凝土之间的浇筑间歇不超过规定的时间，同时可解决频繁移动泵车的问题，也便于浇筑完的部位进行覆盖保温。
③混凝土浇筑应连续进行，间歇时间不得超过3.5h，过时仍不能继续浇筑时，需采取应急措施，即在已浇筑的混凝土面上插φ12短钢筋，长度1m，间距500mm，呈梅花状布置，同时将混凝土表面用塑料薄膜或草袋覆盖保温，以保证混凝土表面不受冻。
④由于混凝土坍落度比较大，会在表层钢筋下部產生水分，或在表层钢筋的上部产生细小裂缝。为了防止出现这种裂缝，在混凝土初凝前采取二次抹面压实措施。
3.混凝土测温
①基础底板混凝土浇筑时应设专人配合预埋测温，测温管分别埋置在不同的部位，每组三根，即深度方向500mm、1000mm、1500mm各一根。
②测温工作应连续进行，每4h测一次，持续测温18d及混凝土强度达到设计强度的要求，并经技术部门同意后方可停止测温。
③测温时发现混凝土内部最高温度与表面温度之差达到25℃或温度异常时，应及时采取应对措施。
3.混凝土养护
①混凝土浇筑及二次抹面压实后应立即覆盖保温，经计算得出先在混凝土表面覆盖一层塑料薄膜，然后在上面覆盖四层草袋内含二层塑料薄膜，顶上再盖一层塑料薄膜。
②新浇筑的混凝土水化速度比较快，盖上塑料薄膜后进行保湿养护，防止混凝土表面因脱水而产生干缩裂缝，同时可避免草袋因吸水受潮降低保温性能。
③墙体插筋及后浇带部位是保温的难点，要特别注意盖严，防止造成温差较大或局部受冻。
4.蓄热保温、控制内外温差
混凝土浇筑完成后(终凝前)应对混凝土进行蓄热保温，控制混凝土表面温度，控制降温速率，减少温度梯度(温度梯度控制按JBJ224-91规程规定，混凝土底板的降温速度不宜大于1.5℃/d，因混凝土总体降温缓慢，可充分发挥混凝土徐变特性降低温度应力)，使混凝土内外温差控制在25℃以内。为达到此目的要及时对混凝土温度进行测量，随时测量内外温差，以调整覆盖保温材料厚度，当内外温差小于25℃时，可逐步撤除保温层。
①覆盖保温材料厚度计算：
d=0.5Hλ1(Ta-Tb)K/λ2(Tmax-Ta)
d—保温层厚度；H—混凝土底板厚度(m)
λ1—保温材料导热系数(W/HK)，草袋取0.055
λ2—混凝土导热系数(W/HK)，取2.5；Tmax-混凝土最高温度
Ta—混凝土表面温度；Tb—大气温度(可按平均气温取值)
K—传导系数修正值，取1.0
d=0.5×2×0.055×(44-5)×1.0/2.5×(69-44)=0.034(m)
所以应采用一层塑料薄膜和三层草袋覆盖养护。
②蓄热保温时间计算
按混凝土最高温度69℃计算，混凝土浇筑后半个月内以日平均温度5℃计算，拆除保温层时间以混凝土底板中心温度与外界温差小于25℃为标准，则混凝土底板中心最高温度应降到25+5=30℃以内。最高温度降温数为69-30=39℃，按日平均降温1.5℃计算，则需要39/1.5=26d，故保温时间不得少于26d，具体应以实测温度计算温差决定。