大体积砼循环水降温系统应用技术

谢仁良

[中铁二局第一工程有限公司]

摘要：结合本工程实例，在凝结硬化过程中产生高水化热的大体积混凝土结构中预埋循环水管，通过管内流动的低温水带走由于混凝土凝结硬化产生的水化热，通过对混凝土里表温度进行监控，实时调整内循环水水量，从而缩小混凝土里表温差，预防和控制混凝土因温度应力和变形而产生的有害裂缝。

关键词：大体积混凝土；筏板基础；冷却循环水降温系统、温度监控、裂缝控制 0 引言

大体积混凝土结构是土木工程施工中最常见的结构构件，由于混凝土属于脆性材料，且大体积混凝土具有设计强度等级较高、体积量大、水化热引起的混凝土内部温度较高、施工工艺和施工方法随意性大、施工作业人员技术知识相对匮乏、容易产生有害裂缝等特点。因此，合理选择混凝土原材料、优化施工配合比、有效的控制施工工艺、做好混凝土里表温差监测、温度应力和变形观测工作是提高混凝土抗渗、抗裂、抗侵蚀性能的关键。 1 大体积混凝土工程概况

该工程上部由8个单体建筑构成，下部整体地下室，单体框架剪力墙结构落地，无转换结构，占地面积为3.5万m2，建筑面积约18.7万m2，建筑高度为96.2m。该工程持力层为中风化薄层泥质白云岩夹薄层泥岩，地基承载力为1200KPa，场地内有浅层地下水，岩质遇水软化，且容易受扰动。设计基础形式主要为：C1、C2、C5栋为柱下独基和墙下条基，C3、C4栋筏板基础，C6 ～ C7、C8 ～ C9、C10 ～ C12栋为人工挖孔桩基础，其中C3、C4栋筏板基础长32.2m，宽28.9m，板厚1.7 m，电梯筒体周边混凝土厚度约5m，混凝土强度等级C35，混凝土量约1900m3，设计基础混凝土原槽一次性浇注。

根据《大体积混凝土施工规范》（GB50496-2009）相关规定，该工程C3、C4筏板基础结构为大体积混凝土结构，混凝土有害裂缝预防和控制是本基础工程施工重点，经过众多方案的比选和优化，该工程决定采用冷却循环水降温系统。 2 冷却循环水降温系统的构成

2.1 工作原理：大体积混凝土浇筑完成后，对混凝土进行保温保湿养护过程

中，通过对混凝土里表温度进行监测，当混凝土里表温差超过25℃时，因温度应力导致混凝土产生裂缝。在混凝土结构内部埋设冷却循环水管，通过水循环将混凝土凝结硬化过程中产生的部分热量带走，从而达到减小混凝土结构里表温差的目的。

2.2 主要材料设备：φ100镀锌钢管(z主管)、φ50镀锌钢管（预埋管）、直接、900弯头、控制阀、流量计、增压泵、20m3的循环水池。

2.3 辅助材料设备：电子测温仪、温度计、预埋式温测线、外露温测探头。 2.4 冷却循环水降温系统设置情况：在筏基混凝土结构中由上往下按850mm的间距设置循环水管，在进口和出口位置设置控制阀、流量计和增压泵。另在筏基混凝土混凝土结构平面内按间距约4m间距（筒体周边适当增加）设置测温点。冷却循环水降温系统如下图所示：

3 大体积混凝土施工质量控制 3.1 原材料质量控制

选用开阳紫江牌P.O 42.5级低热水泥，必须按《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）的相关规定抽样检验合格，并有相关质量证明资料；按《山砂混凝土技术规程》（DB24/016-2010）和《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52-2006）的相关规定选择好粗细骨料；按《混凝土外加剂应用技术规范》（GB50119-2013）的相关规定选择好高效缓凝型减水剂和泵送剂等外加剂；按《混凝土用水标准》（JGJ63-2006）的相关规定选择好拌合用水和养护用水；按照《普

通混凝土配合比设计规范》（JGJ55-2011）的相关规定适当参入粉煤灰、磷矿粉和钢渣粉等掺合料。 3.2 优化配合比

3.2.1 设计原则

保证混凝土设计强度和施工条件的前提下，优先采用“低热水泥、低水泥用量和低拌合水量”的方法，以合理降低混凝土水化热，减少混凝土内部孔隙率，适量掺入粉煤灰、磷矿粉和钢渣粉等掺和料，延迟混凝土水化热，增加后期强度。

3.2.2 配合比设计

经多次反复试验，确定施工配合比，本工程大体积混凝土筏板基础拟用配合如下：

混凝土施工配合比

名称 水泥 钢渣粉 64 磷矿粉 粉煤灰 48 48 砂 石 水 外加剂PC-1 9.7 单位294 （kg） 945 1385 156 3.3 混凝土拌制、运输和泵送

本工程筏基混凝土采用贵州龙山商品混凝土工程有限公司集中拌制的商品混凝土，混凝土拌制过程中派专人盯守投料顺序、电脑计量设置和拌合时间。

配合协调商品混凝土公司配置混凝土罐车10辆（其中5辆办理市区特别通行证），施工现场备有臂架泵2台、柴油输送泵1台（停电备用），并能有效的解决生产过程中的临时停电和高峰期限行等不利因素，进而保证混凝土浇筑的连续性。

3.4 混凝土进场检查

施工现场设立混凝土罐车到达检查点，检查混凝土质量证明是否完整，目测无离析现象，并检查其混凝土的温度、坍落度等符合现场施工要求后才能入泵。混凝土入模温度控制在25℃以下，并按规定留设试件。 3.5 混凝土浇筑

3.5.1 作好泵送作业前的准备工作

配置2台臂架泵和1台柴油输送泵（停电备用），保证泵机完好，并在商混凝土站内留备用泵，根据施工现场条件选择、布置好泵，特别要注意向下管成斜型，角度＜45°，管路清洁平顺，密封严实，防止离析、漏浆、堵管。

3.5.2 人员配置

合理安排好作业人员、安全员、实验员、机械设备维修人员，积极主动配合施工参与方，加强组织和协调。

3.5.3施工工序

采用“分段定点下料，一个坡度，薄层浇筑，循序渐进，一次到顶”的浇筑方案。分层厚度原则上按500mm、400mm、400mm、400mm分四层，视混凝土供应速度适当调整；根据混凝土流淌长度，布置三道振动棒，第一道至混凝土坡顶，第二道在混凝土斜坡坡中，第三道在混凝土坡脚。三道相互配合，保证覆盖整个坡面，确保不漏振。

3.5.4 混凝土浇捣时间的控制

选用有经验的捣固手，振捣棒快插慢拔，振捣棒插入点采用梅花点布置，捣固间距400mm，用二次捣固的方法，将振捣棒插入下层50～100mm深，增加混凝土的密实性和均匀性，提高混凝土界面处的粘结力和咬合力，振捣时间以表面出水泥胶浆为宜，不振捣过度，避免粗骨料下沉分层而影响混凝土质量。分层浇筑要控制好层间间歇时间，应在前层混凝土初凝之前完成次层混凝土浇捣。

3.5.5 泌水处理

大体积流动混凝土在浇筑和振捣过程中，必然有游离水析出并顺混凝土浇筑坡面流至低洼处，为此，在基坑周边设置集水坑，通过基底垫层找微坡使泌水流至集水坑内，用小型潜水泵将过滤出的泌水排出坑外。同时在混凝土下料时，保持中间的混凝土高于四周边缘的混凝土，这样经振捣后，混凝土的泌水现象得到克服。当表面泌水消去后，用木抹子压一道，减少混凝土沉陷时出现沿钢筋的表面裂纹。

3.5.6 混凝土表面处理

防止混凝土表面凝缩裂缝，混凝土浇筑时适当掺入钢丝纤维，将钢筋绑扎丝按一圈剪成四份，长度约50～80mm，在浇注时，每次振捣前将扎丝洒在混凝土表面，再进行振捣，增加混凝土表面整体性，防止混凝土裂缝开展。在进行混凝土抹面要掌握好时间，在初凝前完成第一次抹面，在终凝前（混凝土失去流动性，表面已收水）完成第二次抹面。二次抹面应注意表面裂缝，如表面出现裂缝应用木抹子在裂缝处拍打，使裂缝愈合。抹面工作完成后立即用塑料薄膜覆盖，达上

人强度后再覆盖麻袋进行保温保湿养护。 4 混凝土养护和温控措施 4.1 混凝土的最大热绝热温升计算

Tmax′=WQ/Cρ

W－-每立方米混凝土中水泥用量，取294（kg/m³）；

Q--水泥水化热总量，经试验显示，开阳紫江牌P.O 42.5级水泥，3d水化热为314（KJ/kg），7d水化热为354（KJ/kg），28d水化热为375（KJ/kg）；

C--混凝土比热,取0.96[KJ/(kg. ℃)]；

ρ--混凝土容重, 经试验显示，取2450（kg/m³）；

根据经验，混凝土凝结硬化绝热升温主要在3～7天内，Q值取354KJ/kg，则：Tmax′=294×354/（0.96×2450）=44.25℃。

故此，在混凝土入模温度（To）取21℃时，混凝土内部温度按下式计算： Tmax=To+Tmax′=21+44.25=65.25℃ 4.2 最大温差计算

ΔT= Tmax(t)- Tb(t)

Tb(t)--混凝土龄期t时的表面温度，因本工程筏基混凝土施工周期在夏季，贵阳夏季环境平均气温大约在20℃，通过薄膜麻袋保温保湿养护，混凝土表面温度可控制在20℃。

ΔT= Tmax(t)- Tb(t)=65.25-20=45.25℃ 4.3 混凝土养护和温度监测

混凝土浇筑完成后，必须在1h内对混凝土表面采用塑料薄膜覆盖，以减少自由水的蒸发，保持湿度，塑料薄膜上再盖两层麻袋保温，温差严格控制在25℃以下。

保温保湿养护时间14d，当养护过程中循环水降温速度达不到使混凝土内外温差低于25℃时，可在混凝土表面浇洒热水养护，使其内外温差控制在合理范围。

温度监测点的布置原则上按每平米不少于1个，可按温度传感线使用说明预埋，按测温仪使用说明测温和记录。混凝土高水化热期每2h测一次，其余时段可每3～4h监测一次，混凝土内外温差超过容许范围，及时采取降温措施。

5 冷却循环水管设计验算

根据本工程预埋循环水管道设置和100SG50-30管道泵参数可知，主管管径100mm，泵流量50（m³/h），泵扬程30m，32m长的50支管20根，80m长的50支管12根。由此可计算得在加压管道泵作用下，主管排完预埋在混凝土中的循环水管容量水需时间：T=（3.14×0.05×0.05/4）×(20×32+12×80)/50=226s。 5.1 循环水管容量计算

本筏板基础工程板厚1.7m，根据设计方案，普通区域设置单层循环水管，电梯筒体周边局部设置5层循环水管。以单层循环水管为例，可进行如下计算：

单根水管水容量：

Q=(πd2/4)×L=3.14×0.052/4×32=0.0628(m³) 单根水管水重量：

M1=ρQ=1.0×103×0.0628=62.8(kg) 其中：ρ—水的密度1.0×103 kg/m³ 5.2 冷却水管带走热量Q吸:

Q吸=C1M1Δt1

其中：C1--水的比热容4.2×103J/kg.℃ M1—水的质量（kg）

Δt1—水温变化值，考虑到夏季贵阳中午气温较高，进水温度约15℃，混凝土内部最高温度65.25℃，为保证混凝土不会因温度应力而产生破坏，取混凝土内外温差极限为25℃。

Q吸=C1M1Δt1

=4.2×103×62.8×（65.25-15） =13.25×106J

5.3 可冷却范围内混凝土质量M2:

φ50镀锌钢管冷却范围为周边500mm,此区域冷却混凝土体积为： V=32×3.14×0.52=25.12M3 M2=ρv

其中ρ--砼密度取2450kg/m3 M2=2450×25.12=6.15×104kg

5.4 降温效果验算

根据热量平衡：Q吸=Q放=C2M2Δt2 C2 --砼比热容 取0.96×103J/kg. ℃ Δt2=Q吸/ C2M2

=13.25×106/(0.96×103×6.15×104) =0.224℃

经验算得：在加压管道泵作用下，主管排完预埋在混凝土中的循环水管容量水需时间为226s。由此可得循环水每小时降温T=0.224×3600/226=3.57℃。

据此循环降温计算，混凝土内温度可在（65.25-25）/3.57=11.3h内将混凝土内外温差控制在25℃度以内。但因混凝土水化热高峰期虽在完成浇筑的2~7天，但循环降温措施也应在大体积混凝土养护期14d内实时降温，并设置循环水池，在自然散热情况下，可在6h内能恢复常温，施工现场需设置1个循环水池，水池大小为：6×（3.14×0.05×0.05/4）×(20×32+12×80)=18.84m3。 6 结束语

通过上述计算可知，混凝土从浇筑完成后达上人强度后就开始进行温度监测，通过水循环逐步带走混凝土内部水化热，降低混凝土内部温度，使混凝土内外温差基本保持一致，有效的抑制因混凝土凝结硬化产生的水化热而导致的有害温度裂缝，保证了混凝土的安全、适用、耐久性，降低应处理有害裂缝的施工成本。因此，在大体积混凝土施工中采用冷却循环水降温效果是明显的，可广泛应。 参考文献

[1] 《建筑工程施工质量验收统一标准》（GB50300-2013） [2]《混凝土结构工程施工规范》（GB50666—2011） [3]《大体积混凝土施工规范》（GB50496-2009） [4]《普通混凝土配合比设计规范》（JGJ55-2011）

[5]贵阳市南明区中坝路保障性住房建设工程C标段大体积混凝土施工方案