大体积防辐射混凝土温度及裂缝控制措施研究

1 工程概况

曲江新区医院项目位于西安市曲江新区黄渠头二路和长鸣公路十字西北角，工程共有 5 座单体建筑，分别为门诊综合楼、住院楼、医技楼、学术交流中心及专家公寓，占地面积 4.7 万 m² ，建筑面积 22万 m² 。直线加速器机房位于住院楼与医技楼之间的西侧地下 1 层和地下 2 层，地下 2 层层高 4.4 m，地下 1 层层高 6.7 m，楼板和墙体局部厚度达 3 m，一般区域厚度为 1.8 m。采用 C40 混凝土，总浇筑量约为2 900 m³。

2 建立数值仿真模型

2.1 模型概况

以曲江新区医院项目直线加速器机房为背景，项目的加速器机房结构采用普通 C40 混凝土分层浇筑。按照实际工程建立数值仿真模型，模型采用六面体和四面体混合网格划分，共有网格 46 300 个，节点 220 087 个，设置环境温度为 25 ℃。混凝土表面边界上存与空气的热对流，设置混凝土表面为对流边界，可以作为面荷载施加于实体的上表面来计算混凝土与空气间的热交换。将模拟计算结果与现场实际测量结果进行对比分析。

2.2 混凝土相关参数

混凝土配合比见表 1，物理力学参数见表 2。

表 1  混凝土配合比

表 2 混凝土物理性能参数

3 不同浇筑厚度对混凝土温度的影响

3.1 计算方案设计

为了研究混凝土分层浇筑厚度大体积混凝土温度的影响，为了减少计算时间，利用 Mechanical 建立直线加速机房局部模型，计算环境温度为15 ℃，浇筑厚度分别为 0.25 m、0.50 m、0.75 m、1.00 m时混凝土温度的变化规律。

3.2 计算结果分析

通过模拟计算不同混凝土浇筑厚度，其温度的变化如图 1 所示。由图 1 可知，随着浇筑厚度的增加，混凝土最大温度的最高值逐渐增加，浇筑厚度 0.50 m至 1.00 m 的增加量基本一致，而 0.25 m 与 0.50 m 之间几乎没有增加。因此，大体积混凝土分层浇筑不是每层浇筑的厚度越小，越能降低混凝土的温度。

图 1 混凝土不同浇筑厚度的最大温度随时间变化规律

由图 1 可以发现，在混凝土浇筑厚度为 0.50 m至 1.00 m 时，混凝土最大温度的在 40 ℃以上的持续时间逐渐增加，而混凝土浇筑厚度为 0.25 m 时，混凝土最大温度在 40 ℃以上的持续时间大于浇筑厚度为 0.50 m 和 0.75 m；浇筑厚度为 0.50 m、0.75 m、1.00 m 时混凝土最大温度的最高值出现在开始浇筑后的 4~5 d，而浇筑厚度为 0.25 m 时，混凝土最大温度的最高值出现在开始浇筑后的 6 d。由此可知，浇筑层越薄，浇筑的层数越多，延长浇筑时间也使得混凝土较高温度维持的时间增加。

综上所述，通过对比分析混凝土分层浇筑的厚度为 0.25 m、0.50 m、0.75 m、1.00 m 时，混凝土最大温度随时间变化的规律，提出最优的浇筑厚度为 0.50 m。

4 不同环境温度对混凝土温度的影响

4.1 计算方案设计

为了研究混凝土分层浇筑时，环境温度对大体积混凝土浇筑温度的影响，利用直线加速机房局部模型，计算每层浇筑厚度为 0.50 m，环境温度分别为 15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃时混凝土浇筑温度的变化规律。

4.2 计算结果分析

由图 2 可知，混凝土最大温度随环境温度的增加同步线性增加，且稳定的环境稳定对混凝土温度达到最大的时间、降温速率、混凝土内部与表面的最大温差、混凝土表面与环境的最大温差没有影响。

图 2 不同环境温度混凝土的最大温度随时间变化规律

通过计算发现混凝土表面与环境的最大温差达到22.25 ℃，与规范要求的 25 ℃仅差 2.75 ℃，而西安市 9 月份环境的平均温度为 25 ℃，平均日温差为 10 ℃，最大日温差为 15 ℃，温度变化速率较快，若对环境温度不进行人工干预，按规范要求混凝土降温速率不宜大于 2 ℃ /d，则浇筑时的最低环境温度应不低于 20.25 ℃，但是经过查西安市历年 9 月份最低气温低于20 ℃的情况较普遍。因此，在浇筑混凝土时，建议通过喷淋的方式控制环境温度，将平均环境温度控制在 22 ℃即可满足规范要求，降低混凝土产生温度裂缝的风险。

5 混凝土温度及裂缝控制措施

根据以上计算结论，混凝土分层浇筑每层厚度为0.50 m，环境温度为 22 ℃时，混凝土温度控制效果较好，施工成本较小。每层浇筑的开始时间间隔严格控制在 3 h，即在混凝土初凝前开始浇筑下 1 层，又尽量延长浇筑时间，有利于混凝土水化热产生的热量的释放。

5.1 底部支撑强度

通过计算，传统的扣件式、碗扣式支模架体立杆间距需控制在 300 mm×300 mm 以内才能满足承载要求，但是过密支模体系造成材料倒运、施工作业空难，且由于直线加速器机房浇筑时其内部基本封闭，密支模体系不利于空气流动散热，将会造成加速器机房墙体和顶板大体积混凝土产生温度裂缝，不能达到防辐射的要求。因此，项目通过计算支撑架体的受力情况，配置专用的盘扣架方案，即承重杆件立杆采用直径为 60.0 mm 的钢管制成，立杆用专用接头对接，材质为 Q345 高强度低合金钢；横向杆件为直径 48 mm钢管制作材质为 Q235B，竖向斜杆为直径 42 mm 管制作材质为 Q195；模板采用厚度为 15 mm 厚木胶合板，以整张铺设、局部小块拼补的原则施工；主楞采用 10 号槽钢或更高强度龙骨，在保证承载能力和系统稳定性的同时，便于在现有施工条件下的安装和拆卸。次楞采用 80 mm×80 mm 方木，将顶部的荷载均匀转化分布在主楞上。

5.2 浇筑方法

采用匀质性分层浇筑方法，首先在混凝土浇筑的钢筋网上均匀开设下料口；然后将混凝土泵送管插入到下料口中，对混凝土原料进行分层投放，每层浇筑需间隔一定时间，让混凝土水化热充分反应放热，在本层次浇筑时伴随振捣，振捣注意对上一浇筑层也进行再次振捣，防止出现浇筑冷缝；最后，在逐层浇筑达到标高后，混凝土结构体采用拍板压实，并对拍板压实后的混凝土结构体依次再经过长尺刮平、滚筒碾压和木楔打磨处理，以增加混凝土的密实度。浇筑整体是从两侧向中间分层浇筑，防止从单侧浇筑出现支模架体出现受力不均发生侧翻垮塌事故。

5.3 环境温度控制及养护方法

工程是施工在秋季进行，昼夜温差较大，需要对环境温度进行严格控制，一是尽快降低混凝土温度；二是降低环境温度与混凝土表面温度、混凝土表面温度与混凝土内部温度差，防止混凝土出现温度裂缝。

本工程采用喷淋降温养护技术对混凝土进行降温与养护，环境温度可以通过调节喷淋强度和水温实现。

5.4 监测数据与模拟结果对比分析

由于混凝土浇筑时，进行温度监测困难，现场温度测量开始时间为机房大体积混凝土全部浇筑完成后进行，即开始浇筑 30 h 后开始测量混凝土温度，共有 5 个监测区域，分布于墙体、楼板的不同区域，选择地下二层中间隔墙 1.5 m 高的处的监测数据与数值模拟结果进行对比分析。

由图 3 和图 4 可知，混凝土内部温度监测数据变化幅度较大，但基本与模拟数据是走势一致，混凝土表面监测温度数据较为稳定，监测数据与模拟数据较吻合，可以证明模拟结果较准确。

图 3 混凝土内部温度对比

图 4 混凝土表面温度对比

6 结论

（1）大体积混凝土浇筑时应进行分层浇筑，能够保证混凝土浇筑的质量，同时有利于混凝土水化热的控制，研究发现随着混凝土分层浇筑厚度的减小，混凝土的最高温度逐渐减小，但是减小的幅度也是越来越小，降温速率缓慢。因此，浇筑厚度不是越小越好，应结合建设成本分析。

（2）稳定的环境温度对混凝土温度达到最大的时间、降温速率、混凝土内部与表面的最大温差、混凝土表面与环境的最大温差没有影响，且混凝土最大温度随环境温度的增加同步线性增加。

（3）在春、秋季节进行大体积混凝土浇筑，昼夜温差较大，对混凝土降温速率影响较大，易使大体积混凝土产生温度裂缝。

（4）建议医院直线加速器机房大体积混凝土浇筑时，采用分层浇筑，每层厚度宜控制为 0.5 m；环境平均温度比月平均气温低 3 ℃，温度控制较易，可采用喷淋降温系统通过调节喷淋强度控制现场环境温度。