关于大体积混凝土中心温度计算的探讨

赵恒树，吴学艳，何世钦，赵娟

（1. 山东亿辰混凝土有限公司，山东 临沂 276033；2. 临沂市惠江混凝土有限公司，临沂 276033）

0 引言

随着高层建筑的拔地而起，大体积混凝土的浇筑任务也越来越多；而大体积混凝土的突出问题是：水化热积聚使得浇筑体的中心温度过高，容易导致大体积混凝土表面产生裂缝。在大体积混凝土施工前，大多数施工单位都比较重视，会先编制施工方案，然后施工、浇筑混凝土。在编制施工方案时都必须进行混凝土的热工计算。但是往往计算出的大体积混凝土的中心最高温度都比实际测量到的中心最高温度低很多。针对这个问题，我们在此展开研讨。

1 混凝土拌合物的温度 T0（理论计算）

1.1 在计算前首先要实测各种原材料的温度

在测量砂、石前先把表面部分铲去 200mm 厚，然后再插入温度计，五分钟以后读取温度值；测量水和外加剂时可把温度计直接吊入液体中，五分钟以后提起立即读取温度值；测量水泥、矿粉、粉煤灰和膨胀剂等粉料时可在粉料罐车上将温度计直接插入粉料中，待五分钟后拔出并在罐口以内读数，若粉料表面离罐口距离太大时可将粉料取至取样桶内立即测温。

1.2 不同季节和天气情况下原料温的选取

在进行热工计算时对所测的温度要根据当时所处的季节和天气预报的趋势进行选取。

（1）若大体积混凝土浇筑在一周内进行，所处季节为夏季，可按实测温度进行计算；当所处季节为冬季时，砂、石、水、外加剂可按实测温度，粉料可按实测温度值降低10～15℃ 计算（寒冷地区降低 10℃，严寒地区降低 15℃）；当所处季节为初春和深秋时，砂、石、水、外加剂可按实测温度，粉料可按实测温度值降低 5～10℃ 计算（寒冷地区降低 5℃，严寒地区降低 10℃）；当所处季节为晚春或初秋时，粉料可按实测温度值降低 3～6℃ 计算（寒冷地区降低3℃，严寒地区降低 6℃）。

（2）若大体积混凝土浇筑自计算时起长于一周时，应根据天气预报的趋势和往年的气温资料对当前实测的温度作适当调整。如果当时所处季节为春季，可将温度上调；当时所处季节为秋季，则可将温度下调；具体调整幅度根据天气预报的情况而定。

（3）热工计算最好在大体积混凝土浇筑前的一至二天再次进行复核，以便更准确地预计大体积混凝土的中心温度。

1.3 混凝土拌合物温度的计算方法

每种原材料的重量、温度、比热容的乘积的代数和，与每种原材料的重量、比热容的乘积之和的比值，即得出混凝土拌合物的温度（砂、石和胶凝材料的比热容为 0.92 kJ/(kg·K)，水的比热容为 4.2kJ/(kg·K)）。本文沿用的计算公式详见 JGJ/T104－2011《建筑工程冬期施工规程》中附录 A 的A.1.1 条。

2 混凝土拌合物的出机温度 T1

沿用的公式为：T1=T0-0.16(T0-Ti)

Ti——搅拌楼的平均温度，应改为主机下料口处的平均温度，由于现在大体积混凝土的生产都采用 3 立方的主机，下料时间在 30 至 40 秒间完成，在此期间降温幅度较小，故可将系数 0.16 改为 0.08 更合适。应为：T1=T0-0.08(T0-Ti)

3 混凝土拌合物的浇注温度T2

沿用的公式为： T2=T1+(at1+0.032n)（Ta-T1）

t1——混凝土拌合物从搅拌到浇筑时的时间，h；

n ——混凝土拌合物的运转次数（一般情况 n=3）；

Ta——混凝土拌合物运输时环境温度，℃；

a——温度损失系数，使用罐车运输时取 a=0.0042。

混凝土拌合物的浇注温度与周围环境的温度有关。采用塔吊运输与泵送又有很大区别，采用塔吊运输时混凝土拌合物温度会有所降低，而混凝土拌合物采用泵送时，浇注到模板内的混凝土拌合物的温度明显比泵斗内混凝土拌合物的温度要高（在冬季时会升高 1℃，春秋季可升高 2℃，夏季将升高 3～4℃）。由于大体积混凝土拌合物大部分采用泵送施工，因此可忽略用塔吊运输的可能性。

混凝土拌合物在运输过程中的温度变化有以下几种情况（大体积混凝土常用的混凝土强度等级为 C30～C40，运输时间按 40min 考虑 )：

在冬季，平均气温在 0℃ 左右时，C30～C40 混凝土拌合物的温度不会降低（罐筒外表面采用毛毯保温），混凝土所产生的水化热与散失掉的热量基本相抵。

在春秋季平均气温在 15℃ 左右时，C30～C40 混凝土拌合物的温度将会提高 0.5℃ 左右。

当夏季平均气温在 25℃ 以上时，C30～C40 混凝土拌合物的温度将会提高 1～2℃。

以前沿用的公式所计算出的混凝土拌合物的温度在运输和浇筑过程中多数情况下是降低的，但是实际情况是升温的，因此有必要对以前沿用的公式进行改进：

T2冬=T1+(Ta-T1)/10+2 （适用于冬季）

T2春秋=T1+(Ta-T1)/10+3 （适用于春秋季节）

T2夏=T1+(Ta-T1)/10+4 （适用于夏季）

上述公式中最后的 2、3、4 是考虑不同季节在运输和泵送时所增加的温度。如此修正后，所计算出的温度将更接近实际情况。

4 混凝土的绝热温升 T(t)

混凝土的绝热温升值可按下式计算：

式中：

T(t)——龄期为 t(d) 时，混凝土的绝热温升，℃；夏季取t=3d，春秋季取 t=5d，冬季取 t=7d；

W——每立方米混凝土的胶凝材料用量，kg/m³ ；

c——混凝土的比热容，可取 0.97kJ/(kg·K)；

ρ——混凝土的表观密度，可取 2400～2420 kg/m³；

m——与水泥品种、浇注温度等有关的系数，其取值见表 1；

t——混凝土的龄期 ，d；

e——自然常数，可取 2.718。

表1 m 系数的取值

胶凝材料的水化热 Qt可按下式计算：

式中：

Qt——某一龄期胶凝材料水化热总量，kJ/kg；

Qot——某一龄期水泥水化热总量，kJ/kg；P·O42.5 水泥的 Q03为 314 kJ/kg；Q05为 334kJ/kg；Q07为 354 kJ/kg。

k——不同掺量掺合料水化热调整系数。

当生产配合比中采用粉煤灰和矿渣粉双掺时，不同掺量掺合料水化热调整系数可按下式计算：

k1——粉煤灰产量对应的水化热调整系数，可按表 2取值；

k2——矿渣粉掺量对应的水化热调整系数，可按表 2 取值。

表2 k1、k2 的取值

5 大体积混凝土中心最高温度Tmax

式中：ξ——降温系数，可按表 3 取值。

表3 ξ 的取值

通过多个工程的实践，按 2003 年 9 月出版的《建筑施工手册》第四版 614 页表 10-83 所查得的降温系数ξ值偏小，实际降温没有那么快，因为大体积混凝土绝大多数都是在地基上，地基土的温度在 18～20℃，向地下散热较慢，只有其他几个面向外散热。经过测算，ξ的值比施工手册上的数值增加 0.2 较为合适。

上述表 3 是ξ已经增加 0.2 以后的数值。

6 三河口隧道大体积混凝土底板热工计算（按原公式计算）

下面以三河口隧道大体积混凝土工程为案例，此项工程底板厚度为 1.2 米，配合比按 60 天强度设计，如表 4 所示。

表4 配合比 kg/m3

6.1 混凝土拌合物温度(理论计算) To

实测和预计材料温度如下：

水泥 Tc=50℃、粉煤灰 Tf=30℃ 、砂 Ts=3℃ 、石子Tg=2℃、泵送剂 Tb=2℃、水 Tw=15℃。

砂、石含水率：砂含水率 3%、石子含水率 0%。

材料质量：mc=270kg、mf=120kg、ms=827kg、mg=1050kg、mb=7kg、mw=155-25=130kg；

砂中含水量：ws=25kg；

比热容：Cc=Cs=Cg=Cf=0.92kJ/(kg·K)、Cw=Cb=4.2 kJ/(kg·K)。

6.2 混凝土拌合物的出机温度 T1

T1= T0-0.16(T0-Ti) =10.3－0.16 (10.3－4) = 9.3(℃)。

Ti——搅拌楼平均温度，Ti取 4℃。

6.3 混凝土拌合物浇筑温度 T2

t1——混凝土拌合物从搅拌到浇筑时的时间（t1=0.2h）；

n——混凝土拌合物运转次数（n=3）；

Ta——混凝土拌合物运输时环境温度，Ta 取 3℃；

6.4 水泥的水化热理论计算

混凝土绝热温升：T(t)=Th(1-e-mι)+FA/50

Th——混凝土最终绝热温升（Th=WcQ/Cp）；

m——随水泥品种及浇筑温度而异，取 m=0.314；

t——龄期，t =5d；

FA——粉煤灰用量；

Q——每公斤水泥的水化热，Q=334 kJ/kg；

Wc——每立方水泥用量，Wc=270 kg；

C——混凝土的比热，C=0.97 kJ/(kg·K)；

P——混凝土的表观密度，P=2410kg/m3；

6.5 混凝土内部实际最高温度Tmax

Tmax=Tj+T7·∫=9.1+32.9×0.35=20.6℃；

式中：

Tj——混凝土实测浇筑温度，也可取 Tj=T2=9.1℃；

∫——底板厚度为 1.25 米时的降温系数，取∫=0.35；

7 按经验公式计算三河口隧道大体积混凝土底板的中心温度

7.1 混凝土拌合物温度(理论计算) To =10.3℃ （与 6.1 相同）

7.2 混凝土拌合物出机温度（经验公式）

7.3 混凝土拌合物浇筑温度T2 （经验公式）

7.4 水泥的水化热理论计算

按 GB50496—2009 《大体积混凝土施工规范》附录 B 的公式计算。

7.4.1 胶凝材料水化热总量

7.4.2 混凝土的绝热温升T(t)

m 取 0.334，P 取 2410 kg/m3， t 取 5d。

W 为胶凝材料用量，取 390㎏，其他符号同上。

7.5 混凝土底板内部实际最高温度Tmax（经验公式）

查表 3，ξ取0.55。

三河口隧道大体积混凝土底板在浇筑后的实测中心最高温度达到 36℃，与原计算公式所算的 20.6℃ 相差 15.4℃，而与我们利用经验公式计算的 35.3℃只差 0.7℃。因此这种结果是令我们非常满意的。

8 结论

（1）JGJ/T104－2011《建筑工程冬期施工规程》中附录A 的 A.1.1 条对于混凝土的搅拌温度计算公式还是符合实际的（只要把材料温度测量准确）。

（2）GB50496—2009 《按大体积混凝土施工规范》附录B 的公式计算出的胶凝材料的水化热和混凝土的绝热温升更加符合当前混凝土生产的实际情况。

（3）由于混凝土的生产方量大、下料快、出机温度损失较少，因此把 0.16 的降温系数改为 0.08 更接近实际情况。

（4）混凝土在运输和泵送浇筑过程中是在升温（严寒地区的冬期除外），而升温的大小与环境温度成正比。为此把浇筑温度的计算公式分为 T2冬、T2春秋和T2夏三个温度段更合理。

（5）按 2003 年 9 月出版的《建筑施工手册》第四版614 页表 10-83 所查得的降温系数ξ值偏小，实际降温没有那么快，因此把该系数提高 0.2 后所计算出的混凝土中心最高温度更接近实际情况。

[1]JGJ/T104—2011．建筑工程冬期施工规程[S].

[2]著者建筑施工手册(第四版)[M]，中国建筑工业出版社,2008:614.