超大体积混凝土内部循环水温控工法

1、超大体积混凝土内部循环水强制温控施工工法中建五局第三建设有限公司张英涛 刘凯仁 陈长明1.前言随着城市建设的高速发展，土地资源日益稀缺，建筑朝 地上（更高）地下（更深）要空间，体量规模超大型化趋势 明显，超大体积砼愈来愈多。为防止超大体积混凝土施工中 因温控不利产生裂缝而对结构安全造成危害。2006年 10 月我公司在温州香格里拉大酒店塔楼基础筏板 超大体积混凝土工程中成功应用了 “内部循环水强制温控” 施 工技术，并形成了施工工法。2. 工法特点2.1 可操作性强： 利用在超大体积混凝土内部埋设连通 水管、通水循环冷却强制温控这一物理手段，通过调节水流 量可人为控制混凝土内部温度及温升温降速

2、率，使其在允许 范围之内，解决超大体积混凝土温度裂缝防治的难题。2.2 理论成熟，计算简便： 采用水管冷却等效热传导方 程，不需采用电算（有限元法） ，用简单的代数运算即可预 测循环水冷却条件下超大体积混凝土内部温度变化，同时可 确定循环水管的设置参数，简单易行。温控效果经电子仪器监控测量，与计算预测值较为吻合。2.3 监控手段先进： 选择精密温度监测仪器内埋热 电偶电子测温计进行温度监控，将数据处理和信息反馈技术 应用于施工，动态调整超大体积混凝土养护的“内降” （调 节循环水流量）和“外保” （调整覆盖厚度和养生用水） ，及 时采取有效应对措施，使信息化施工成为现实。2.4 节约工期： 采

3、用物理手段降低超大体积混凝土内部 温度，减少内外温差，缩短“外保”时间，提前移交工作面 衔接下道工序，有效缩短工期。2.5 降本增效，节能环保： 降温水经混凝土内部循环， 热交换后被加温，抽出后做为养生用水，提高混凝土表面温 度，减小温差， “外保”效果显著；节约传统覆盖材料，不 需额外养护水，成本降低，节约加热能耗，经济环保。3. 适用范围 适用于高层、超高层建筑基础底板、结构转换层、大型 工业厂房基础及大型设备基础等超大体积混凝土的施工。4. 工艺原理4.1 分析超大体积混凝土的温度特性得出：水泥在硬化 过程中产生的温度应力超过混凝土的极限抗拉强度是产生 裂缝的主要原因，对结构安全危害严重

4、，后果难以弥补。4.2 超大体积混凝土温控防裂的传统措施主要为“: 内降”冰水拌和混凝土或采用双掺技术减小混凝土配比中的水泥含量以降低水泥水化热； “外保”对混凝土表面进 行保温（覆盖）或加温（温水养护） ，缩小内外温差。囿于 施工条件，冰水拌和在实际施工中很难应用；限于一段时间 内材料科学的发展，即使采用双掺技术，高强度混凝土水泥 水化热仍难控制在较低水平；外保温属于被动方式，仍受混 凝土内部绝热温升及外部天气条件的制约，如通过理论计算 得出的保温覆盖物厚度过大，现场施工很难实现。4.3 超大体积混凝土内部循环水强制温控是基于热交换 原理发展的施工工法，指在超大体积混凝土内部埋设多层多 道连

5、通金属管，通水循环流通，利用水这种“热媒”带走水 泥水化热，对混凝土内部强制降温，同时采用精密电子仪器 进行温度动态监测，使超大体积混凝土内外温差不超过 25，有效减少温度裂缝的产生，改善混凝土的极限抗拉性 能，提高施工质量，保证结构安全。4.4 无物理降温措施时超大体积混凝土温度计算 在不考虑物理降温措施情况下，超大体积混凝土内部绝 热温升为：绝热温升： Tr= （W hQ0）/（CP）（4.4）注：该公式引自浙江省工程建设标准大体积混凝土工程施工 技术规程 DB33/T1024 2005，J10655-2005式中： Wh每立方米混凝土水泥含量Q0每千克水泥水化热总量C混凝土比热P混凝土质

6、量密度4.5 冷却水循环降温措施下超大体积混凝土温度计算在冷却水循环物理降温条件下对混凝土内部温度进行计算预测，由于冷却水管附近温度梯度很大，直接采用有限 元法必须采用电算，实际应用困难较大。水管冷却等效热传 导方程已考虑了混凝土的初始温度和绝热温升，且考虑了冷 却时外界温度的影响，较为完善。(t) (Ta Tw )ie n t t1 1 erfh2 ati4.5)注： 该公式引自朱伯芳院士“考虑外界温度影响的水管冷却22p ka/D2式中：2 u u 2 erfu 2 0 e duK 2.09 1.35 0.32 2L/cwpwqwerfu误差函数a 导温系数Tw混凝土初温Ta 外界温度h

7、水管至表面的距离为 h =h+ / ( h 为水管外面混凝土真实厚度， / 为虚拟厚度，其中 为混凝土导热系数，为表面放热系数)。D冷却柱体直径L冷却水管长度等效热传导方程”pwCw 冷却水的比热冷却水的容重qw冷却水的流量4.6 通过公式 （4.5）计算选取冷却水管的管径、间距、排 距、水流量等设计参数，做为冷却水循环物理降温系统布置 的理论依据。5. 施工工艺流程及操作要点5.1 施工工艺流程 （见图 5.1）5.2 操作要点5.2.1优化超大体积混凝土配合比 超大体积混凝土配合比采用 “三低 （低砂率、 低坍落度、 低水胶比）双掺（掺高效减水剂和高性能引气剂）一高（高 粉煤灰掺量） ”的

8、设计准则，同时为充分利用粉煤灰混凝土 的后期强度，配合比设计时以 60d 强度代替 28d 强度，生产 出高强、 高韧性、 中弹、 低热和高极限抗拉值的抗裂混凝土。5.2.2 循环冷却水管系统制作安装1、冷却水循环系统组成 超大体积混凝土内部冷却水循环系统由蓄水池、 水（热 媒）、电极（首次循环前加热水体） 、水泵（抽吸循环） 、内 埋冷却水管（热媒载体，由主管、支管及连接管）组成，见 图 5.2.2-1。图 5.1 施工工艺流程图抽、吸水泵。第一次向循环水管送水时，为防止水温与混凝 土温度梯度过大（ 25 ），在水管周围产生温度裂缝，采取 措施为： 在蓄水池内设电极加热， 同时为蓄水池搭设大

9、棚 （钢 管架覆盖彩条布）封闭保温。由于水经循环后已经升温并回 吸到蓄水池，故后期可不需电极加热，节约电能。5、由于筏板超厚，钢筋多层布置，直径大自重大，为保证钢筋绑扎且方便冷却水管固定安装，采用14a及8 槽钢焊接形成桁架，作为钢筋、水管的固定桁架，防止混凝土浇筑 时水管变形、脱落而发生堵水或漏水，见图5.2.2-5。图 5.2.2-5 槽钢支撑桁架固定钢筋水管图6、进、出水主管采用 DN100 镀锌管，丝口连接，主管 与水泵之间通过 100 消防水龙带相连； 主管上间距 1200mm 开梯度焊接 400mm 长 DN20 镀锌连接管；支管采用 DN20 KBG 薄壁金属管， 与焊接于主管上

10、的 DN20 镀锌管通过 20 耐热塑料管相连，采用 22铁丝绑扎，并用密封胶封口。冷 却水循环系统安装完成后必须通水试验，确保不渗不漏。5.2.3 超大体积混凝土浇筑合理安排混凝土的调度供应，保证连续浇筑，避免出现 施工冷缝。混凝土运输时间控制在规定以内，以免坍落度损 失过大，影响混凝土均一性。为提高混凝土密实性，减少内 部微裂缝，对施工缝处等薄弱环节采用二次振捣工艺，即当 混凝土浇筑后即将凝固时，在适当的时间内再振捣（二次振 捣的时间间隔以 2h 为宜 ）。混凝土浇筑时必须小心振捣，不 得触碰水管及预埋电子测温计，确保管道及器材完好，防止 漏水及测温计失灵。5.2.4 通水循环降温 超大体

11、积混凝土斜面分层浇筑，待浇筑6 小时后时即开始通水循环降温 ,同时进行温度监测， 根据监测数据调整水流 量，水流量控制在主管 7.6L/S ，支管 0.28L/S 范围左右（可 根据温度变化调整） ，从而控制混凝土内外温差。在通水冷 却过程中 ,始终要注意冷却水的温度与混凝土内部的差值不 能大于 25,以防止水管周围产生温度裂缝。 水循环冷却直至 混凝土浇筑完毕后的第 8 16d（视温度监测结果而定，判定 依据为：不通冷却水的条件下混凝土内外温差连续 24h 小于25）。循环水管停用 60d 后高压注浆灌实封堵。5.2.5 温度监测1、温度监测的目的是控制温度应力 ,避免温度裂缝 ,因此 在超

12、大体积混凝土的施工中应对混凝土的最高温度和最高 温升进行限制，要求混凝土内部的温度梯度缓和。一般应对 混凝土内外温差和相邻层温差进行控制,并作为温控的主要内容。温度监测工作为施工组织者及时提供信息 ,反映超大体 积混凝土内温度变化情况及温控技术效果,为施工组织者及时准确地采取温控对策提供科学依据。2、温度监测仪器 选择精密温度监测仪器：内埋热电偶测温计。该仪器具 有下列优点： 精度高 （测量范围 0100，精度达 0.1）； 测量方便，可靠性强。应用该新仪器能有效掌握超大体积 砼温度变化的动态，便于及时采取有效应对措施，使信息化 施工得以实现。3、测温点布置 在超大体积混凝土的温控测量中 ,主

13、要需要测试的温度 参数为混凝土沿断面方向及中心、边缘的温度分布情况，温 度测位布置应具有代表性和可比性，以真实全面反映超大体 积混凝土各部位的温度为原则：测位布置在混凝土块体平面 的对称轴或对角线上，兼顾中部和边角区域。每一测位的测 温点沿混凝土厚度方向不得少于 3 点。4、温控标准混凝土浇筑温度不宜大于 35；不宜小于 5； 混凝土内外温差不应大于 25； 混凝土表面温度和环境温度之差不应大于25；混凝土降温速率不宜大于 3/d 。5、温度监测频率升温、降温阶段前 5d 不应少于每 2h/ 次；其后不应少于 每 4h/ 次；混凝土温度动态不正常时增加测温频率；当混凝 土内部温度与外界气温之差

14、连续 24h 小于 25时可结束测 温。5.2.6 超大体积混凝土养护 应尽早养护，以便超大体积混凝土有充足的养护时间。 养护周期 10 16d。采取塑料薄膜、麻袋覆盖结合循环出的 温水养生的养护方案，同时通过温度监测，取得混凝土内温 度在各龄期的变化数据，及时调整方案，实现动态养护，达 到温控防裂的目的。5.3 劳动力组织 （见表 5.3）表 5.3 劳动力组织情况表序号单项工程所需人数备注1管理技术人员5编制方案并实施协调2管工10冷却水管制安3钢筋工40钢筋制安4焊工4槽钢桁架制安、钢筋焊接5木工20模板制安6混凝土工36混凝土振捣7机操工6机械操作8杂工6合计127人6. 材料与设备本

15、工法涉及冷却水循环系统的材料见表6.1，机具设备见表 6.2 ，其余材料、设备均为常规施工所用，不再赘述。表 6.1 材料表序号材料名称材料规格用途1主管DN100 镀锌铁管组成冷却 水管循环 系统，对超 大体积混 凝土内部 强制降温2支管DN20 KBG 薄壁金属管3主管与水泵连接管100消防水龙带4主、支管连接管DN20 镀锌管20 耐热塑料管表 6.2 机具设备表序号设备名称设备型号用途1切割机J3G2 400水管加工2套丝机SQ-100B水管加工3电焊机BX3-300槽钢、水管焊接4水泵7.5Kw抽吸水，使之循环5电极5 Kw第一次循环前冷水加热6高压注浆机TGB-HG停用后注浆封闭水

16、管7热电偶电子测温计WDJ-8预埋混凝土中感应温度8数字万用表DT9204测量温度7. 质量控制7.1 工程质量控制标准7.1.1 超大体积混凝土温控标准执行浙江省工程建设标 准大体积混凝土工程施工技术规程 ( DB33/T1024 2005， J10655-2005)，温控指标按表 7.1.1 执行。表 7.1.1 超大体积混凝土温控指标序号项目温控指标检验方法1混凝土浇筑温度不宜大于 35；不宜小于 52混凝土内外温差不应大于 25电子3混凝土降温速率不宜大于 3 /d温度计4混凝土表面温度和环境温度之差不应大于 25测温7.1.2 超大体积混凝土强度等级、抗渗等级满足设计要求，执行混凝土

17、结构工程施工质量验收规范GB50204-2002)。检验方法：留置标养试块、同条件试块、抗渗试块，由具备相关资质的试验室检测，经数理统计进行强度评定；同时按照要求由试验室进行筏板取芯强度检测。混凝土强度统计评定：m fcu1Sfcu0.9 f cukcu,min2 f cukn 2 2Sfcufcu,i nm fcu/n 1i17.1.2-1)7.1.2-2)7.1.2-3)式中： Sfcu同一验收批混凝土立方体抗压强度标准差1、 2 合格判定系数7.1.3 超大体积混凝土外观质量、 尺寸偏差执行 混凝土 结构工程施工质量验收规范 ( GB50204-2002)：无露筋、蜂 窝、孔洞、夹渣、疏

18、松、裂缝、连接部位缺陷等外观质量缺 陷；尺寸允许偏差见表 7.1.3。表 7.1.3 超大体积混凝土结构尺寸允许偏差项目允许偏差( mm)检验方法轴线位置基础15钢尺检查标高层高10水准仪检查截面尺寸+8，-5尺量电梯井井筒长宽对定位中心线+25，0尺量表面平整度82m靠尺、塞尺检查7.2 质量控制措施7.2.1 优化超大体积混凝土配合比， 在确保强度、 抗渗等 设计指标及泵送性能外，通过“三低双掺一高”技术减少水 泥掺量，降低水化热。7.2.2 冷却水管固定可靠（可采用槽钢支撑桁架固定） ， 连接牢固。混凝土浇筑前必须通水试验，确保不渗不漏，防 止由于水管变形渗漏给混凝土造成的质量缺陷。7.

19、2.3 第一次通水前蓄水池内水必须经电极加热， 与混凝 土温差不大于 25，防止水管周围混凝土开裂。7.2.4 超大体积混凝土实施二次振捣，提高内部密实性， 减少内部微裂缝。7.2.5 通水冷却循环时应根据温度监测结果动态调整水 流量，将降温速率控制在不大于3/d ，使降温均匀，发挥混凝土的应力松弛效应 ,改善极限抗拉性能。7.2.6 测位可布置在混凝土块体平面的对称轴或对角线 上，兼顾中部和边角区域。每一测位的测温点沿混凝土厚度 方向不得少于 3 点，测温元件不得触碰钢管、钢筋等铁件， 净距至少 50mm，保证测温准确。7.2.7 测温仪器工作性能应保证：温度量测范围0100，精度应小于等于

20、 0.5，确保测温精确。7.2.8 施工中根据温度监测结构动态调整冷却水流量及 保温养生措施，将温控指标控制在要求之内。8. 安全措施8.1 认真贯彻 “安全第一，预防为主 ”的方针，根据国家 建筑安装工程安全技术规程和地方有关施工现场安全生 产管理规定，结合施工单位实际情况和工程的具体特点，建 立完善的施工安全保证体系，加强施工作业中安全检查，确 保作业标准化、规范化。组成项目专职安全员和班组兼职安 全员以及工地安全用电负责人参加的安全生产管理网络，执 行安全生产责任制，明确各级人员的安全生产职责，抓好工 程的安全生产。8.2 如超大体积混凝土为基础，需及时清除基坑边上杂 物，距坑边 1.2

21、m 范围不得堆置杂物及土方， 防止浇筑时边坡 坠物伤人，并进行严密基坑监测，防止基坑失稳对坑内作业 带来安全伤害；如超大体积混凝土为结构转换层，支模架搭 设方案需经专家会审并各方签字通过，搭设完成并经验收后 方可进入下道工序，防止支模架垮塌造成恶性安全事故。8.3 夜间施工要有足够的照明设施，操作中应加强安全 防护，在危险地段设置明显标志。8.4 因超大体积混凝土必须连续浇筑，为避免疲劳施工 造成安全隐患，必须按三班倒投入足够劳动力。8.5 施工现场的临时用电严格按照施工现场临时用电 安全技术规范的有关规范规定执行。8.6 电缆线路应采用 “三相五线 ”接线方式，电气设备和 电气线路必须绝缘良

22、好，场内架设的电力线路其悬挂高度和 线间距除按安全规定要求进行外，将其布置在专用电杆上。8.7 室内配电柜、配电箱前要有绝缘垫，并安装漏电保 护装置。8.8 机操工上班前必须检查设备的运转情况及用电线 路，发现漏电等现象应找电工及时解决，非电工不得擅自操 作，开关箱内漏电保护器必须处于正常工作状态。8.9 操作振动器应穿胶鞋，湿手不得接触开关，电源线 不得有破皮漏电现象。8.10 施工现场按符合防火、 防雷、 防触电等安全规定及 安全施工要求进行布置，并完善布置各种安全标识。8.11 各类房屋、库房、 料场等的消防安全距离做到符合 公安部门的规定，室内不堆放易燃品；随时清除现场的易燃 杂物；不

23、在有火种的场所或其近旁堆放生产物资。8.12 氧气瓶与乙炔瓶隔离存放， 严格保证氧气瓶不沾染 油脂、乙炔发生器有防止回火的安全装置。9. 环保措施9.1 成立施工环境卫生管理机构，施工过程中严格遵守 国家和地方政府下发的有关环境保护的法律、法规和规章， 加强对施工燃油、工程材料、设备、废水、生产生活垃圾、 弃渣的控制和治理，遵守有防火及废弃物处理的规章制度，做好混凝土浇筑时的交通环境疏导，充分满足便民要求，认 真接受城市交通管理，随时接受相关单位的监督检查。9.2 对施工场地道路进行硬化，安排专门保洁人员对施 工通行道路定期洒水，防止扬尘，污染周围环境。9.3 设排水沟、集水井、沉泥井、隔油池

24、，对废浆、污 水进行集中，认真做好无害化处理，从根本上防止施工废浆 乱流。现场大门处设置洗车槽、沉砂池，混凝土车出门必须 清洗车轮，防止扬尘。洗车废水经沉淀，并按环保要求的指 定地点排放。9.4 优先选用先进的环保机械，设置隔音罩、隔音墙等 消音措施将施工噪音降低到允许值以下。9.5 夜间施工提前办理施工许可证，张贴扰民通知。10.效益分析10.1 社会效益超大体积混凝土内部循环水强制温控施工工法的应用 能有效防治混凝土温度裂缝、提高工程质量、改善超大体积 混凝土结构安全和耐久性，保证建筑的使用性能。该工法理 论成熟、材料易得、施工简便，便于推广，为同类工程的施 工积累了丰富的经验，提升了企业

25、施工水平。10.2 经济效益10.2.1 利用“三低双掺一高”原则进行配合比优化后， C40混凝土的水泥用量为 400Kg/m 3（P.O42.5），理论计算混凝 土内部温升达 82（ 6.7m 厚筏板处），预测养护周期为 28d； 采用内部循环水强制温控措施后，经实测混凝土内部最高温 度为 73（6.7m 厚筏板处），降低 9，且养护周期为 816d， 平均缩短 14d。可见，工法的实施缩短了正常的养护时间， 节约工期，既保证了业主的进度计划，又减少了劳动力、机 械设备和材料投入，节约施工企业固定开支。10.2.2 直接经济成本节约 41（每方混凝土成本节约） 4000（筏板混凝土方量） 1

26、64000元注：每方混凝土成本节约配合比优化，节约水泥等原材料； 循环温水养生，节约覆盖养护材料；提高超大体积混凝土施工质量， 节省质量缺陷处理费用。10.2.3 间接经济成本节约14（节约工期） 6000（项目日固定成本） =84000 元10.2.4 采用新工法费用支出 冷却水管、支撑槽钢桁架材料及制安费用：74500 元10.2.5 成本降低及工法经济效益率成本降低： 164000 84000-74500=173500元 工法经济效益率： 173500/1993000（筏板混凝土概算成本 费用 ） 100 =8.7%11.应用实例温州香格里拉大酒店塔楼筏板超大体积混凝土11.1 工程概况

27、温州香格里拉大酒店工程总建筑面积约73000m2，地下室1 层（局部 2 层），地上 27 层，建筑总高 118m。塔楼为群桩 整体筏板箱形基础，筏板长约 60m，最大宽约 42m，面积约 1500m2,厚 2.5m，其中电梯井坑中坑部位厚度达6.7m，钢筋用量约 800t，混凝土浇筑量约 5000m3,设计强度及抗渗等级为 C40P8。筏板剖面见图 11.1。图 11.1 塔楼筏板剖面图11.2 施工情况11.2.1 该筏板混凝土体积超大超且强度较高，经理论计 算混凝土内部绝热温升较大， 且于 10 11月施工， 昼夜环境 温差较大，如不采取切实有效的温控手段，无法控制砼内外 温差在允许范围

28、内，产生有害温度裂缝，造成难以弥补的结 构安全质量问题；且工期紧迫，公司及项目部期望通过有效 温控手段缩短养护时间，尽快衔接下道工序，节约工期。我 司提前进行了技术论证和施工部署，应用了内部循环水强制温控施工技术，进行冷却水降温分析计算，制定浇筑方案，优化混凝土配合比，应用温控信息化施工技术，严密进行动 态保湿保温养护，取得了超大体积混凝土施工的成功。11.2.2 工法应用的材料机具（见表 11.2.2-1 及 11.2.2-2）表 11.2.2-1 工法应用材料表序号材料名称材料规格单位数量用途1主管DN100 镀锌铁管m140组成冷却 水管循环 系统，对 超大体积 混凝土内 部强制降 温2

29、支管DN20 KBG 薄壁金属管m27003主管与水 泵连接管100消防水龙带m1204主、支管 连接管DN20 镀锌管m10020耐热塑料管m140表 11.2.2-2 工法应用机具设备表序号设备名称设备型号单位数量用途1切割机J3G2 400台1水管加工2套丝机SQ-100B台1水管加工3电焊机BX3-300台2槽钢、水管焊接4水泵7.5Kw台4抽吸水，使之循环5电极5 Kw个6第一次循环前冷水加热6高压注浆机TGB-HG台1停用后注浆封闭水管7热电偶测温计WDJ-8个15预埋混凝土中感应温度8数字万用表DT9204个1测量温度图 11.2.3 槽钢支撑冷却水管图11.2.3 冷却水管及钢

30、筋固定用槽钢支撑桁架形式见图11.2.3。11.2.4 冷却循环水管（ KBG DN20 支管）水平间距 1200mm，竖向排距 1500mm （2.5m厚筏板） /1425mm（6.7m 厚筏板）；为保证混凝土强度及耐久性，上下外层水管保护 层混凝土厚 500mm；支管与焊接于主管上的 DN20 镀锌管通 过20 耐热塑料管相连，采用 22铁丝绑扎，并用密封胶封 口。冷却循环水管平、剖面布置见图11.2.4。11.2.5 超大体积混凝土浇筑 6 小时后时即开始通水循环降温 , 第一次通水前蓄水池内水必须经电极加热，与混凝土 温差不大于 25，防止水管周围混凝土开裂。根据温度监测数据调整水流量，控制在主管 7.6L/S ，支管 0.28L/S 范围左 右。超大体积混凝土实施二次振捣，提高内部密实性，减少内部微裂缝。