超大体积混凝土内部循环水温控工法.docx
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超大体积混凝土内部循环水温控工法
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，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=（WhQ0）/（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。
（4.5）
注：
该公式引自朱伯芳院士“考虑外界温度影响的水管冷却等效热传导方程”
式中：
——误差函数
——导温系数
——混凝土初温
——外界温度
——水管至表面的距离为
=
′+
/
（
′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）。
——冷却柱体直径
——冷却水管长度
——冷却水的比热
——冷却水的容重
——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
图5.2.2-1冷却水循环系统图
2、冷却水管系统设计
采用水管冷却等效热传导方程,通过计算并结合实际选取冷却水管（内部埋设支管）参数，为提高热交换效率，采用金属管，管壁尽量薄，布置原则为：
在保证混凝土强度条件下多层小间距布管。
3、冷却水管材料选择
冷却水管材料选用：
主管为DN100镀锌管，支管为DN20KBG金属薄壁管,主管至蓄水池水泵连接采用Φ100消防水龙带，主、支管连接管采用DN20镀锌管及Φ20耐热塑料管。
4、就近设置砖砌蓄水池，容量50m3，灌注自来水，设抽、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Φ100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DN20KBG薄壁金属管，与焊接于主管上的DN20镀锌管通过Φ20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：
①精度高（测量范围0～100℃，精度达0.1℃）；②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
DN20KBG薄壁金属管
3
主管与水泵连接管
Φ100消防水龙带
4
主、支管连接管
DN20镀锌管
Φ20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
J3G2400
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
5Kw
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5℃
电子
温度计
测温
2
混凝土内外温差
不应大于25℃
3
混凝土降温速率
不宜大于3℃/d
4
混凝土表面温度和环境温度之差
不应大于25℃
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：
（7.1.2-1）
（7.1.2-2）
（7.1.2-3）
式中：
——同一验收批混凝土立方体抗压强度标准差
、
——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
8
2m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。
7.2.3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0～100℃，精度应小于等于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1.2m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，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/m3（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8～16d，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）＝164000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
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
m
140
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
DN20KBG
薄壁金属管
m
2700
3
主管与水
泵连接管
Φ100消防水龙带
m
120
4
主、支管
连接管
DN20镀锌管
m
100
Φ20耐热塑料管
m
140
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
J3G2400
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
5Kw
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
11.2.3冷却水管及钢筋固定用槽钢支撑桁架形式见图11.2.3。
图11.2.3槽钢支撑冷却水管图
11.2.4冷却循环水管（KBGDN20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Φ20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。
在通水冷却过程中,始终将温控指标控制在允许范围之内。
水循环冷却直至混凝土浇筑完毕后的第8～16d（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。
图11.2-2冷却循环水管布置图
11.3工程监测与结果评介
应用“超大体积混凝土内部循环水强制温控施工工法”后，为保证施工过程质量受控，并及时监测混凝土内部温度动态变化，工程监理、施工单位及温州市建设工程质量监督站对施工进行了全过程的监督量测。
沿筏板西→东对角线布置3处温度测位，每个测位沿不同深度在竖向分别设置电子测温计：
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