大体积底板混凝土冬季施工技术

清华大学综合实验楼

大体积底板混凝土冬季施工技术

孙桂勇

北京城建道桥建设集团有限公司，北京市 100022

绪论：

在从事现场施工的几年之中，曾有幸先后参与过北京城建北京密码、清华大学综合实验楼以及房山区长阳镇06、07街区棚户区改造土地开发四片区项目的施工任务。在以上工程中，北京城建北京密码、清华大学综合实验楼的底板属于大体积底板混凝土。在以上两个项目的底板混凝土施工均处于冬季施工，考虑到在冬季进行大体积混凝土施工，如何在施工中控制混凝土水化热及混凝土的内部、表面及外部的温差，控制混凝土的收缩，防止温度裂缝的产生以确保底板混凝土的抗渗性能及混凝土的质量是摆在我们面前的重要课题。

摘要：针对高层建筑底板大体积混凝土冬季施工存在的问题、防止裂缝、针对性的技术措施以及施工方法等进行了全面的阐述，提高了砼底板的施工质量，保障了高层建筑的安全基础。

关键词：大体积 底板混凝土 冬季施工 技术

一、大体积混凝土的特点

大体积混凝土是指，混凝土结构物中实体最小尺寸大于或等于1m的部位所用的混凝土。这种混凝土的施工，必须采取措施以解决水化热及随之引起的体积变形问题，以保证最大限度的减少开裂。

由于高层建筑的发展，其基础多采用箱基、筏基等大体积混凝土，这种大体积混凝土具有以下几个特点：

2. 块体较厚，体积较小

3. 混凝土设计强度较高，单方水泥用量较多，水化热引起的混凝土内部温度较一般混凝土大的多。

4. 结构断面内配筋较多，整体性要求较高，一次性浇筑量大。

5. 基础结构大多埋置地下虽然受外界温度变化的影响较小，但要求抗渗性能较高。

因此，对于这类混凝土，如何控制混凝土的内外温差和温度变形造成的裂缝，以保证混凝土的抗渗、抗侵蚀性能，是建筑工程中大体积混凝土施工中的一类关键问题。

二、工程概况

在已施工程中，清华大学综合实验楼比较具有代表性。具体情况如下：其底板为大平板满堂红基础，整个底板的平面尺寸为165.6 × 45.9米，总面积为7601平方米。整个底板被两个一米宽的后浇带分成三块，（1）-（17）、（18）-（21）、（22）-（38）。

下表是底板分段情况，

由表中数据可以看出，底板混凝土属于大体积混凝土范畴。

三、大体积混凝土冬季施工中存在的问题及成因

混凝土的裂缝与其最终的质量有着紧密的联系，而导致混凝土裂缩的主要原因在于对原材料以及施工过程的控制，如水泥品种及用量、骨料、混凝土的搅拌、运输、养护条件、施工环境等几方面，以下分别从上述几方面进行分析，找出裂缝产生的机理。

1、混凝土出现裂缝的机理

（1）.水泥水化热引起的温度应力和温度变形

水泥在水化过程中产生大量的热量，每克水泥放出的热量达约500焦耳，因而使混凝土内部的温度升高，一般在30℃左右，有时会更高，它在1～3天放出的热量是总热量的一半。混凝土内部的最高温度多数发生在浇筑后的3～5天内，当混凝土内部于表面温差过大时，就会产生温度应力和温度变形。温差越大，温度应力也越大，当这种温度应力超过混凝土内外约束力时，就会产生裂缝。而混凝土内部的温度与混凝土厚度及水泥用量有关，混凝土越厚，水泥用量越大，内部温度越高，所形成的温度应力与混凝土结构尺寸有关，在一定尺寸范围内，混凝土结构尺寸越大，温度应力也越大，因而引起裂缝的可能性也越大。这就是大体积混凝土为什么容易产生裂缝的主要原因。因此，防止混凝土出现裂缝的关键就是控制混凝土内部与表面的温差。

（2）内外约束条件的影响

各种结构在变形变化中，必然受到一定的约束或抑制而阻碍变形，阻碍变形的因素称为约束条件。大体积混凝土因温度变化而发生变形也要受到不同程度的约束，限制其变形，因而产生了约束应力。

大体积钢筋混凝土与地基浇筑在一起，当温度变化时，受到下部地基的限制，因而产生外部约束应力。混凝土在早期温度上升时，产生的膨胀变形受到约束而形成压应力，此时混凝土的弹性模量小，徐变和应力松弛度大，使混凝土与基层连接不牢固，因而压应力较小。但当温度下降，则产生较大的拉应力，若超过混凝土的抗拉强度，混凝土将会出现垂直裂缝。混凝土内部由于水泥的水化热而形成中心温度高，因而在中心产生压应力，在表面产生拉应力。当拉应力超过混凝土的抗拉强度值和钢筋的约束作用时，同样产生裂缝。

（3）外界气候的影响

由于综合实验楼工程底板的浇筑时间在12月中旬左右，此时北京的气候正值寒冷、干燥，而且昼夜的温差较大，这会对混凝土的收缩有较大的影响。同时，低温、大风、干燥的环境极不利于混凝土的运输、浇筑以及养护工作。昼夜温差的大幅度变化，会增加混凝土内部与周围环境的温差而产生更大的附加温度应力，从而导致裂缝的产生。因此控制混凝土表面温度与外界气温温差，也是防止裂缝的重要一环。

5. 混凝土的收缩变形

a.混凝土的塑型收缩变形

塑性收缩裂缝发生在混凝土硬化之前，混凝土仍处于塑性状态。它的产生主要是上部混凝土的均匀沉降受到了限制，如遇有钢筋或大的混凝土骨料，或者平面面积较大的混凝土，其水平方向的减缩比垂直方向更难时，这样就会形成不规则的深裂缝。这种裂缝通常是相互平行的，且相当深。防止这种裂缝的最好办法是，连续浇筑与修整抹面，并立即养护，保护混凝土免受风吹日晒。

b.混凝土的体积变形

混凝土终凝以后会发生体积变化，温度较高，水泥用量较大，变形将增大。

c.干燥收缩

在混凝土凝结硬化过程中，80%水分要蒸发，约20%的水分是水泥硬化所必需的，而最初失去的30%自由水不会引起混凝土的收缩干裂。但随着混凝土的继续干燥，而使20%的吸附水逸出，出现干燥收缩。由于表面干燥收缩快，中心干燥收缩慢，表面的干燥收缩受到中心部位混凝土的约束，因而表面产生拉应力而出现裂缝。

大量的施工证明，混凝土收缩变形引起的裂缝是不可忽视的。影响混凝土收缩的因素很多，主要是水泥品种和数量、混凝土的配合比、外加剂以及施工工艺，特别是养护条件。

d.混凝土匀质性的影响

在混凝土的拌合或浇筑过程中，由于坍落度不同，采用的外加剂不同，骨料的粒径与品种不同，以及混凝土的搅拌和运输过程中造成混凝土不均匀或产生了离析，或由于浇筑过程中振捣不密实而导致混凝土的成品不均匀，即混凝土的弹性模量不均匀，因而在硬化过程中，收缩不均匀，应力过于集中，而产生的裂缝。

e.设计造型的影响

造型复杂的工程，如结构上有预留洞、槽的大体积混凝土工程，会造成应力集中，在薄弱部位形成裂缝。

四、防止大体积混凝土裂缝的主要措施

1、合理选择混凝土的配合比，尽量选用水化热低安定性好的水泥，并在满足设计强度的前提下，尽量减少水泥用量，以减少水泥的水化热。

2、控制石子、砂子的含泥量不超过1%和3%。

3、根据季节情况采取不同的保温措施。对于冬季的大体积混凝土施工，应采取保温法施工，利用模板和保温材料防止冷空气侵袭，以达到减小混凝土内外温差的目的。

4、采取分段浇筑混凝土的方法。分层振捣密实以保证混凝土的初期水化热尽可能的消失，增加混凝土密度，提高抗裂能力。施工过程中保证分层浇筑的上下两层混凝土结合密实。

5、现场施工中作好测温工作，控制混凝土内部温度与表面温度、以及表面温度与环境温度之差不超过25℃。

6、掺入适量的微膨胀剂，使混凝土得到收缩补偿，同时掺入适量的缓凝剂，推迟混凝土水化热的峰值的时间。

7、考虑到结构超长，与结构设计沟通后，设置后浇带以减小大体积混凝土的外约束力及温度应力，并有利于散热降低混凝土内部温度。

8、在底板面层设置抗裂钢筋，提高混凝土表面的抗裂性能。

五、针对性技术措施

1.从以上的分析我们可以看出，主观因素即人为因素是十分重要的。施工队伍的选择、技术准备是否到位、施工员的交底是否详细，以及在执行过程中是否坚决、责任心等问题都直接影响到混凝土的成品质量。为此，我所在的项目部在施工前进行了充分的准备和详细的交底并建立了岗位责任制，责任落实到人，各负其职。

2.考虑到水泥品种和水泥用量对混凝土的影响，在配合比的设计上，经过多次的讨论，我们采用保水性好、干缩小的425^#普通硅酸盐水泥，并掺入一定数量的粉煤灰以减少水泥用量，降低水化热。外加剂采用FS-H缓凝型外加剂（含有引气成分和减水成分）。同时为降低混凝土的热峰值，我们采用60天的强度增长值，这样可以使混凝土的热峰值较为均匀，利于大体积混凝土在冬季施工时的控制。

3.考虑到底板比较厚，依靠1.6米厚的底板自身的水化热完全可以保证混凝土免遭冻涨，因此混凝土中可不加抗冻剂。养护期间通过蓄热法进行养护。（确保混凝土入模温度不底于10℃，上下层混凝土温差不至过大）

4.由于施工期间温度较低，混凝土表面的水分丢失较快，为减少表面的干缩裂缝，混凝土浇筑完毕后，及时用刮杠找平，终凝前进行二次抹压，并用木抹子拍实。最后覆盖塑料薄膜及阻燃草被。保证混凝土的表面温度与外界的大气温度及混凝土的内部温度的温差控制在允许范围之内。

5.混凝土终凝后开始进行测温工作，每两小时进行一次，两天后每四小时测温一次，直至观测到混凝土的内部温度降为0℃为止（混凝土的出罐温度及入模温度在施工时进行抽测）。在测温工作中发现温差有超过25℃的趋势时,立即加盖阻燃草被。

6、经与设计沟通后底版表面加铺一层ф8-200抗裂筋，提高大体积混凝土的抗裂性能。

7、沿结构短向设置通长后浇带，宽度为1米以减少外约束力。

六、施工方法

1、现场采用商品混凝土进行浇筑，使用2台地泵、1台汽车泵形成泵送规模，确保24小时内混凝土的供应量达到1500立方米。

2、混凝土的浇筑顺序是西段在先，中段在后，以后浇带为界。西段浇筑时，应由西向东全断面分层分条浇筑。中段施工时，由南向北全断面分层分条浇筑。

3、施工过程中，混凝土的布料呈斜面薄层状，确保上下层的浇筑间歇不超过混凝土的初凝时间（必要时塔吊加以配合）。同时上层混凝土浇筑时下层混凝土的温度不低于2℃。

4、凝土连续浇筑，不留设施工缝，外墙浇筑高度高于底板200mm。由于底板为全断面分层浇筑，因此混凝土的振捣必须密实，保证混凝土的防水性能及成品质量。

七、热工计算

2. 砼的入模温度入模温度定为+10℃。

3. 砼的绝热升温，3天时水化热温度最大，故计算龄期3天时的绝热温升。砼的浇筑厚度1.6m,普硅水泥425^#每公斤水泥发热量377KJ,用量假设为320Kg/m³，则砼最终绝热升温为（粉煤灰不予考虑）。

T_τ=(WQ/Cρ)×(1-e^-mτ)=(320×377/0.97×2400)×0.615=31.87℃

浇筑厚度为1.6m

T_τ=T_τ×ξ=31.87×0.506=16.13℃

砼内部最高温度

T_max=T_i+T_τ× ξ=16.13+10=26.13℃

砼表面温度计算：

用3cm阻燃保温被加一层薄膜覆盖，大气平均温度取-7℃

砼的虚铺厚度：

β=1/(Σδ_i/λ_i+1/β_ξ)=1/0.03+0.04=4

h’=kλ/β=0.666×2.23/4=0.338m

砼的计算厚度

H=h+2h'=1.6+2×0.388=2.376m

ΔT_(τ)=T_max-T_q=26.13-(-7)=33.13℃

砼的表面温度:

T_ζ(τ)=T_q+(4/H) ×h'×(H-h')×ΔT_ζ

=-7+(4/2.376²) ×0.388×(2.376-0.388) ×33.13=11.11℃

结论：最高温度与表面温度之差

T_max-T_bt=29.15-11.11=18.04℃<25℃

表面温度与大气温度之差为11.11℃+7℃=18.11℃

均未超过25℃的规定，故加盖一层塑料薄膜与一层3cm厚的阻燃保温被即可保证砼的质量。

八、实施效果

在施工过程中，作为项目部严格执行预定的施工方案，人员到位、措施到位、管理到位、监控到位。从施工质量上得到充分的保障，从现场的实际情况来看也获得了较好的质量效果。

九、结束语

随着经济的发展，高层建筑大量出现，基础大体积混凝土的施工也越来越多，对于它的认识和理解，我们在实际工作的摸索中逐步深入。北京市建委、规委联合下发关于预防混凝土工程碱集料反映技术管理规定。其中考虑到为有效的控制和减少混凝土工程质量，延长结构寿命，对于混凝土碱集料反应是指混凝土中的碱和环境中可能掺入的碱与混凝土集料中的碱活性矿物成分，在混凝土固化后缓慢发生的化学反应，产生胶凝物质因吸收水分后发生膨胀，最终导致混凝土从内向外延伸开裂和损毁的现象。在今后的工作中还需要通过实践更好的掌握关于碱集料反应的控制。

参考文献

GB50496-2018 大体积混凝土施工标准 中华人民共和国住房和城乡建设部 2018.12.1

JGJ/T104-2011 建筑工程冬期施工规程 中华人民共和国住房和城乡建设部 2011.12.1