一、大体积砼的抗裂计算

    考虑到理论计算与实际计算的差异，为确保质量，初步定分二层浇筑(分块施工难度大，工期不允许)，但设计不同意，最后决定一次浇筑。如下计算：
    (一)配合比的确定
    大体积砼配合比需满足低水化热值和砼强度等级C40要求。为此，做了以下几点调整：
    1、经设计同意后，选用砼的60天强度值替代28天强度值，从而降低水泥用量；
    2、采用高效减水剂降低砼中水的用量；
    3、采用石家庄产UEA（微膨胀剂）增强砼的抗裂性能；
    4、采用二级以上粉煤灰替代部分水泥来增强砼的和易性。
    经过3月－6月近4个月的反复试配，大体积砼的配合比为：
    单位：Kg

大同(P,0525)水泥

水

砂

石

减水剂

UEA

粉煤灰

322

185

745

1118

6.63

40

40
 
    砼的塌落度为18±3cm，缓凝12h。
    (二)砼的抗裂计算
    1、砼的将温系数
    2.8米厚大体积砼底板，保温为120mm厚，两层塑料布。h－砼虚厚度，h=(Kλ)/β
    λ－砼导热系数：2.33w/(mk)
    K－计算折减系数，K=0.666
    β=1/[(δ/K1λ1)+(1/βq)]
    δ－保温材料的厚度，δ＝0.88
    λ1-保温材料导热系数，λ1＝0.28
    βq－空气层传热系数，取23w/(m2k)
    K1－传热系数的修正系数
    Β＝1.42ξ(t)－降温系数，按4米厚底板查表，取值见下表
day
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
ξ(t)
0.74
0.73
0.72
0.65
0.55
0.46
0.37
0.30
0.25
0.24
 
    2、砼的中心温升计算
    T(t)=ξ(t)(1-e-mt)CQ/cρ
    式中：
    T(t)－浇筑完砼一段时间t，砼的中心温升值
    C－每立方米水泥用量(Kg)
    Q－每公斤水泥水化用量(J/Kg)
    C－砼的比热ρ－砼质量密度2400Kg/m3
    e－常数          2.718
    m－经验系数t－龄期ξ(t)－降温系数
    为简化计算，并考虑粉煤灰的放热
    T(t)＝ξ(t)CQ/cρ+F/50
    F－每立方米粉煤灰用量(Kg)
    T(3)=31.0℃    T(6)=30.60℃   T(12)=27.3℃  T(15)=23.3℃T(21)=16.0℃      T(27)=11.13℃
T(30)=10.8℃
    3、各龄期砼收缩变形值
    εy(t)=εy0(1-e-0.01t)×M1……M10
    M1～M10            考虑各种因素的修正系数
    εy0－标准状态砼最终收缩值M1=1.10                        低热水泥
    M2=1.35                        水泥细度(5000)
    M3=1.0                         骨料为砾砂
    M4=1.0                         水灰比0.4
    M5=1.2                         水泥浆量(25%)
    M6=1                          7天
    M6=0.93                        15天
    M7=0.88                        相对湿度(60%)
    M8=1.2
    γ=(2×2.8+40.1)/(2.8×40.1)=0.4
    (γ－水力半径的倒数m-1，为构件截面周长与截面积之比γ=/A)
    M9=1.0                        机械振捣
    M10=0.85
    EaAa/EbAb=2.0×105×804.2×6×6/(1000×2800×3.25×104)
       =0.06
    [(EaAa/EbAb)]－配筋率
    M1×……×M10=1.4
    εy(3)=0.134×10-4     εy(9)=0.134×10-4εy(12)=0.134×10-4    εy(18)=0.134×10-4εy(21)=0.134×10-4    εy(27)=0.134×10-4
    εy(30)=0.134×10-4
    4、砼当量温差计算
     Ty(t)=-εy(t)/α
    式中，Ty(t) －各龄期(d)砼收缩当量温差，负号表示降温
    εy(t) －各龄期(d)砼收缩相对变形值
    α－砼的线膨胀系数，取1.0×10-5
    Ty(3)=-1.34℃        Ty(6)=-1.34℃ 
    Ty(12)=-1.34℃        Ty(15)=-1.34℃Ty(21)=-1.34℃        Ty(24)=-1.34℃Ty(30)=-1.34℃
    5、弹性模量计算
    E(t)=E0(1-e-0.09t)
    E(7)－砼从浇筑到计算时的弹性模量(N/mm2)
    E0－砼的最终弹性模量(N/mm2)，取为3.25×104
    E(3)=0.77×104       E(9)=1.5×104E(12)=2.15×104       E(18)=2.61×104
    E(21)=2.76×104           
    E(30)=3.03×1046.温差的计算
    6.1浇筑温度－Tj，平均大气温度Tq
    根据气象资料
    太原          6月份平均气温20～28℃
    浇筑温度，取Tj=30℃
    平均大气温度，取Tq=28℃
    6.2中心温度Tz
    Tz=T(t)+Tj
    Tz(3)=61℃          Tz(6)=60.6℃   Tz(12)=57.3℃        Tz(15)=53.2℃   Tz(21)=46.0℃        Tz(24)=43.1℃   Tz(30)=40.8℃
    砼表面温度Tb
    砼采用草帘袋保温，根据砼中心温度的计算，15天后，不保温即可满足内外温差小于25℃的要求，因此在2～15天进行砼保温养护。
    Tb=Tq+(4h/M2)×(H-h)×ΔT(t)
    Tq－平均大气温度，取28℃
    H－砼计算厚度
    ΔT(t)－一定时间，砼中心温度与外界大气温度之差
    h－砼虚厚度，h=(Kλ)/β
    λ－砼导热系数：2.33w/(mk)
    K－计算折减系数，K=0.666
    β－1/[(δ/K1λ1)+(1/βq)]
    δ－保温材料的厚度，δ=0.08
    λ1－保温材料导热系数，λ1=0.28
    βq－空气层传热系数，取23w/(m2k)
    K1－传热系数的修整系数
    β=1.42        h’=1.09米15天后，去掉保温
    β=23        h’=0.083米ΔT(t)=Tz(t)-Tb(t)
    Tb(3)=50.78℃         Tb(6)=50.5℃     Tb(9)=50.4℃
    Tb(12)=48.2℃         Tb(15)=45.4℃          Tb(18)=30.36℃
    Tb(21)=30.01℃        Tb(24)=29.7℃          Tb(27)=29.5℃
    Tb(30)=29.4℃
    6.3砼的截面温度计算
    因为砼截面横断面上不同高度处，温度不一样，故计算砼温度变化应以截面上平均温度的变化为依据。
截面温度T(t)=Tb(t)+2/3×(Tz(t)-Tb(t))
    T(3)=57.8℃       T(6)=57.4℃T(12)=54.5℃      T(15)=50.8℃T(21)=12℃       T(24)=10.5℃T(30)=8.5℃
    6.4砼的总降温差计算ΔT(t)*
    ΔT(15)*=T(3)-T(15)-Ty(15)+Ty(3)=11.98℃
    ΔT(24)*=T(3)-T(24)-Ty(24)+Ty(3)=27.54℃
    ΔT(30)*=T(3)-T(30)-Ty(30)+Ty(15)=31.16℃
    7、砼收缩应力计算
    σ(t)=[E(t)×α×ΔT(t)*/(1-μ)]×S(t)×R
    σ(t)－按二维公式计算的温度应力(MPa)
    E(t)－各龄期砼弹性模量
    μ－砼泊松比，取0.15
    S(t)－徐变引起的砼松弛系数，S(15)=0.411
    S(24)=0.355   R－砼外约束力，R取0.5
    ΔT(t)*   (总降温差)
    E(15)=2.4×104    E(24)=2.4×104    E(30)=3.25×104
    α－砼线膨胀系数，1×10-5
    7.1砼收缩应力计算：
    σ(15)=0.698N/m2      σ(24)=1.44N/m27.2砼抗拉应力计算：
    抗拉应力f(15)=80%×40×0.06=1.8N/mm2
    抗拉应力f(24)=90%×40×0.06=2.18N/mm2
    抗拉应力f(30)= 40×0.06=2.4N/mm2
    7.3安全系数计算K(t)
    K(15)=1.8/0.69=2.6>1.25
    K(24)=2.18/1.44=1.51>1.25
    K(30)=2.4/1.99=1.20
    因在计算中，未考虑砼中UEA膨胀剂的微膨胀，有一定的安全储备，可满足砼的抗裂要求。
    二、选择适宜的气候条件
    根据以往大体积砼的施工经验，结合太原地区年平均气温情况，选择在4月中旬和9月底施工为最理想，气温在10－25℃之间，平均气温16℃左右。降低砼的入模温度，从而控制中心温升值。根据山西国贸中心施工总进度计划，大体积砼的施工在4月中旬，此时气候体积对大体积砼施工极为有利。因种种原因，导致大体积砼的施工严重滞后，实际施工是在6月底、7月初，浇筑时日平均气温28℃左右，白天最高气温37℃，气候条件对大体积砼的施工极为不利。
    三、砼的原材选择
    砼中的水化热是由于水与水泥的化学反应引起的，水化热造成大体积砼的中心温度大大高于外界温度，导致大体积砼内外温差过大，降温梯度过大，而引起砼的开裂。砂、石中含泥量过大，也会加大砼的收缩变形，从而引起砼的开裂。石子粒径偏小、砂细度太大都会加大水泥用量而增加水化热。因而在原材选择上做了如下考虑：
    1、选择中低热水泥。考虑到太原地区的实际情况和大体积砼的强度等级C40，综合计算比较大同普525＃水泥和太原矿渣425＃水泥的水化热值后，选择大同普525＃水泥。
    2、严格控制砂、石的含泥量。砂含泥量控制3%以内，石子含泥量控制在1%以内。综合考虑施工具体情况后，石子粒径定为5－31.5mm，砂选用中砂(怀州水洗窦罗砂)。
    四、大体积砼的配合比
    五、大体积砼的施工过程控制
    1、钢筋绑扎。
    2.8米厚的大底板，钢筋为上下各6排φ32@150，钢筋密度很大，上面6排钢筋总重400多吨，需采用可靠的支撑系统。现场采用40×40×4角钢与8＃槽钢结合的Y型支架，间距3m×2m来支撑上部钢筋和施工荷载，收到了很好的效果。施工过程未出现上部钢筋下沉及倾斜现象，上部和下部钢筋同方向重叠绑扎，确保砼施工中，砼可以顺利流淌入钢筋间隙。为防止大体积砼表面开裂，在砼上表面即上层钢筋的上面增设双向ф6@150钢筋，有效地防止了砼表面的收缩裂缝。
    2、砼的振捣
    大体积砼的施工过程中，砼振捣越密实，越不易开裂，为此，2.8米厚底板上共设置振捣棒30根，分别按部位，在流动砼的前、中、后将责任落实到人振捣，重点注意柱、剪力墙部位，以防漏振。底板侧开口，开始时，防止砼振捣的操作人员从侧面进入底板内，进行下部振捣，确保砼的密实度和杜绝下铁漏筋。同时底板上下各设置3名管理人员，用对讲机联系，上部管理人员将看到的问题即使放映给下部人员，及时处理振捣过程中发现的问题。
    3、砼的入模温度控制
    砼的入模温度直接影响砼中心温升值，因而降低砼的入模温度是大体积砼施工的一个重要控制内容。在砼浇筑前，控制砼的入模温度宜≤25℃，为达到这一要求，商品砼搅拌站采取了如下措施：
    3.1砼罐车保温、淋水。
    3.2砂、石场地覆盖，石子场地3天前浇水降温。
    3.3砼用水采用水箱内加冰块的办法将水温控制在6℃以下。
    采取以上措施后，商品砼的出站温度在24℃－27℃左右。由于大体积砼浇筑在6月底、7月初，室外气温白天基本在35℃－37℃之间，入模温度难以达到预期要求，实际入模温度在27℃－29℃之间。
    4、砼的现场入模。大体积砼的浇筑需避开雨天，因而从当地气象部门得到的气象资料和常年雨季分布日情况，定浇筑日为6月28日－6月30日(东塔楼)，7月3日－7月5日(西塔楼)。为了降低环境温度，浇筑初期，现场周围洒水，基坑壁洒水，在上部钢筋上用阻燃草帘被覆盖，以免阳光照晒使基坑内升温。浇筑从晚上7点开始，利用两个晚上和一个白天，36小时完成4750m3的第一块大体积砼的浇筑，为此，现场设3个溜槽，2台泵车(43米臂、32米臂各一台)，1台地泵(90m2/小时)。两个商品砼搅拌站、30辆罐车供应和运输砼。实际浇筑第一块2.8米厚底板，由于罐车不及时，用了44小时，第二块2.8米厚底板，用了34小时。
    5、砼的保温和测温
    由于大体积砼的浇筑在6月底、7月初，气温很高，在入模温度难以达到预定值后，砼的保温和测温工作就成为控制砼内外温差和降温速度的唯一措施，其重要性在大体积砼施工中就抗裂措施方面属第一位。因而，在方案考虑和现场施工中，砼的保温和测温工作不能忽视，为此现场采取如下措施。
    5.1埋设测温点
    每个主塔楼底板埋设测温点22个(具有代表性的点)，每点分上、中、下，共计66个预埋式温度传感器，用建筑电子测温仪测量读数，基本上反映了整块大体积砼的表面、中心、下部温度，埋设工作安排在浇筑前的12h进行，避免温度传感器丢失和破坏。
    5.2大体积砼表面保温
    为避免砼的表面温度与中心温度之差过大(规范规定≤25℃)，保证日降温速度在1.5℃左右，大体积砼浇筑完需在表面覆盖保温材料，通过保温材料的增减来控制日降温速度和内外温差。结合砼的养护，现场覆盖二层塑料布，三层保温草帘被，实现大体积砼的保温和养护。
    5.3大体积砼的测温
    根据砼的升温速率来决定测温频次，在砼浇筑完三天至五天时间内，基本保证2－4小时测一次，之后，4－6小时测一次。2.8米厚两块大体积砼底板的中心温度平均为72℃，最高点温度为74.4℃。表面最高平均温度51.9℃。
    7月13日，当中心平均温度降至53℃时，它与大气平均温度27℃仅相差26℃，而此时砼的表面温度肯定大于大气温度，即此时的中心平均温度与表面平均温度之差肯定小于25℃。从7月13日起，撤掉所有塑料布及保温草帘被，经观察，砼表面无裂纹。大体积砼一次浇筑成功。
    六、大体积砼施工的几点感想
    1、大体积砼施工时要对砼的原材料进行控制。
    1.1选用中低热水泥；
    1.2采用砼的后期强度，及R60代替R28，以降低水泥用量来降低水化热；
    1.3在可能的情况下，尽量采用粒径较大的粗骨料，以减少用水量及水泥用量；
    1.4对粗细骨料的含泥量尽量控制。
    2、大体积砼施工时必须掺加有效的外加剂。
    2.1掺加一定比例的高效减水剂，以减少用水量及水泥用量；
    2.2掺加一定数量的磨细粉煤灰，改善砼的坍落度和粘塑性，满足可泵性要求；
    2.3掺加UEA膨胀剂，以增强砼的抗裂性；
    2.4根据缓凝时间12h，掺加一定数量的缓凝剂；
    3、在高温季节进行大体积砼施工，要对砼入模温度进行有效的控制。
    3.1对砼出罐温度进行控制
    3.1.1砼用水中加冰块进行降温；
    3.1.2砼用砂要提前进行覆盖，免受太阳照射；
    3.1.3砼用石子要提前用井水浇洒，精心降温，并覆盖。
    3.2控制砼入模温度
    3.2.1所用砼罐车加保温被或淋水；
    3.2.2在施工相差砼流淌的斜面之上钢筋网片上覆盖草帘被，防止阳光直接照射砼；
    3.2.3用麻袋将地泵的泵管包裹，并不断浇水湿润。
    4、加强砼的测温和覆盖保温工作
    砼浇筑完后，通过测温，随时了解砼中心与表面的温差，由于赶工期，施工队在底板上进行下道工序施工，覆盖保温层在局部地方遭到破坏或干脆掀开，致使局部砼温差高达30－33℃，平均温差高达26.6℃，及时加强覆盖后，温差又逐步减小。说明大体积砼表面保温工作非常重要，覆盖层的薄厚直接影响砼表面与中心温差的大小。