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摘要：本文主要通某一工程实例阐述了转换层混凝土的科学浇筑方法及对产生的裂隙和温度问题进了分析，并提出了大体积混凝土转换层施工中出现问题的针对措施。
关键词：转换层；大体积混凝土；施工技术
1概况
某工程结构形式为大空间剪力墙结构，1-5层为框支结构，第5层设置厚板转换层，第5层以上为短肢剪力墙结构。转换层板厚为1600mm，框支梁高分别为1800mm、1850mm，板顶标高为+20.000m。梁的受力钢筋为Φ32、Φ36、Φ40不等，箍筋为Φ14，厚板的受力钢筋为双层双向Φ25、Φ120钢筋。厚板及混凝土强度等级为C50，配合比如表1，混凝土一次浇筑成型。
备注：1）本配合比所使用材料为干材料，使用单位应根据材料实际含水量随时进行调整；2）原材料及所加外加剂或掺和料发生变化时，本配合比无效。
2大体积混凝土定义
关于大体积混凝土，目前国内尚无一个确切的定义。日本建筑学会标准(JASS5)规定：“结构断面最小厚度在800mm以上，同时水化热引起混凝土内部的最高温度与外界气温之差预计超过25℃的混凝土，称之为大体积混凝土。”美国混凝土学会(ACI)规定：“任何就地浇筑的大体积混凝土，其尺寸之大，必须要求采取措施解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度地减少开裂。”对大体积混凝土的温度控制，目前国内尚无正式规定，过去曾提出内外温差应控制在20℃以内，近年来南方一些地区规定控制在25℃以内。宝钢工程的大体积混凝土施工，温度控制在30℃。从国内的施工实践来看：混凝土的温升和温差与表面系数有关，单面散热的结构断面最小厚度在750mm以上，双面散热在1000mm以上，水化热引起的混凝土内外最高温差预计超过25℃的混凝土结构，可按大体积混凝土施工。
3转换层混凝土的浇筑方案
混凝土浇筑前应事先根据工程的特点确定浇筑方案，科学的浇筑方案既能保证工程质量，又能做到省时省工。根据转换层结构的特点，应按下列步骤确定浇筑方案：
1)转换层的竖向结构和水平结构分开浇筑，先竖向的柱墙结构，后水平结构(梁、等板)。
2)混凝土的浇筑方向应先中间、后周边，向两个方向推进(图1)，转换梁、板混凝土采用“一个坡度，薄层浇筑，一坡到顶，循序渐进”的原则(图2)。一方面，这样浇筑加大了混凝土部分工作面的面积，有利于混凝土部分水化热排出，另一方面，也有利于降低混凝土浇筑时模板的侧压力。
3)节点部位的保证措施。转换层中梁、柱、墙节点部位钢筋过于密集，为确保此部位的混凝土浇筑密实，需采取以下措施：
a)采用同标号的细石混凝土浇筑上述部位；
b)对局部钢筋过于密集处要作适当调整，确保插入式振动器有足够的工作界面；
c)浇筑过程中安排专人检查墙、柱等竖向结构的侧模，如发现墙、柱混凝土浇筑到位后模板经敲击发出空响声，则应立即通知混凝土浇筑人员，对此部位加强振捣，并补浇混凝土，确保混凝土浇筑密实。
d)墙、柱混凝土浇筑完18小时后，对钢筋过于密集的墙、柱节点处的侧模应拆开一部分进行混凝土的质量检查，若混凝土存在缺陷，需采用可靠的技术措施进行处理，建立备忘录，并用超声波仪器检查，确保混凝土强度。
4)大体积混凝土的测温极其重要，转换层混凝土浇筑可以通过测温来了解混凝土的内部变化情况。测温的方法是通过在混凝土的内部埋设热电阻传感器，用测温仪进行量测。采用XMX-02型热电阻和温度数字显示仪测温，测温设备要妥善布置，否则直接影响测温结果，测温的导线应夹在两个钢筋之间，测温用的热阻传感器应用导热性良好的铜箔包好，以免损坏，有些工程中采用的是测温管，由于金属管具有良好的传热性，这样测得的结果偏低。测温设备布置如图3、图4。
根据混凝土水化热温升规律确定测温时间大约为10～14天，测温分为两个阶段。第一个阶段为升温阶段，自混凝土的终凝后开始测温至混凝土的最高温度；第二个阶段为降温阶段，自混凝土最高温度到混凝土中心温度为40摄氏度左右。各测点温度测量前72小时每3小时测一次，72小时后每6小时测一次，并做好测温记录，及时分析测温结果，以便调整混凝土的养护措施。
5)混凝土的养护。转换层混凝土初凝后，上表面立即覆盖塑料薄膜和草袋子并浇水养护，不宜浇水过多，保持混凝土的湿润即可。厚板侧面及底面采用保留模板的方法养护，部分钢模板的部位要采用外包塑料薄膜和干草袋的方法保温，养护时间不少于14天。
4大体积混凝土裂缝问题分析
引起混凝土裂缝的原因很多，尤其在转换层大体积混凝土裂缝控制方面如果不采取有力的措施，后果不堪设想。但是由于转换层大体积混凝土多是高标号混凝土，加有多种外加剂(早强剂、防冻剂、减水剂等)，材料来源广泛，成分多样，施工工序繁多，硬化又需要较长时间，任一个环节出现问题均可能引起混凝土开裂。就目前转换层混凝土开裂原因来看主要有以下几种：⑴荷载引起的裂缝；⑵施工不当引起的裂缝；⑶材料不良引起的裂缝；⑷温差引起的裂缝；⑸混凝土的收缩引起的裂缝。有些学者对国内外混凝土结构进行了调查、分析和深入研究后发现，在实际混凝土结构的裂缝中，由非荷载原因(如温度、收缩、不均匀沉降、冻胀等因素)引起的裂缝，在数量比例上要比因荷载引起的裂缝高得多。但国内外混凝土规范只对荷载引起的裂缝建议了计算公式，对其他原因产生的裂缝，主要规定构造措施。由于转换层大体积混凝土温度是影响转换构件的主要因素，本文将重点对由于温度引起的裂缝问题进行探讨。下面结合河南省人民医院高层商住楼工程的实际情况来研究转换层温度裂缝控制。
浇筑大体积混凝土时，由于水化热的作用，中心温度高，与外界按触的表面温度低，当混凝土表面受外界气温影响急剧冷却收缩时，外部混凝土质点与混凝土内部各质点之间相互约束，使表面产生拉应力，内部降温慢受到自约束产生压应力。下面取該厚板转换层第69小时测量得到的温度情况(图5、7)，因为此时的混凝土内外温差最大，若此时不产生温度裂缝，则以后出现温度裂缝的概率会更小，故验算此时的温度裂缝情况。
设温度呈对称抛物线分布(如图6)，由于温差产生的最大拉应力和压应力可由下式计算：
σt、σc—混凝土的拉应力和压应力(N/mm2)；
E(t)—混凝土的弹性模量(N/mm2)；
α—混凝土的热膨胀系数(1/℃)；
△T1—混凝土截面中心与表面之间的温差(℃)；
ν—混凝土的泊松比，取0.15～0.20。
由此可知σt≤fB。
由上式计算σt小于该龄期混凝土的抗拉强度，则不会出现表面裂缝，否则有可能出现裂缝。同时由上式知采取措施控制温差△T1就可有效地避免表面裂缝的出现。但工程实践有时控制的并不是如此的严格，有时混凝土内外温差短时间高达30℃，也不会出现裂缝。所以大体积混凝土允许温差控制在20℃～25℃范围内还是相当可行的。
5大体积混凝土温度控制措施
混凝土采取保温养护，有两种做法。一种是在冬季寒冷气温下，为使混凝土不被冻坏，而保持正常硬化，或在寒潮作用下，不出现温度陡降，使混凝土急剧冷却(或受冻)，因此对混凝土表面要采取措施。另一种是在春秋气温情况下，为了减少混凝土内外温差，延缓收缩和散热时间(即使后期缓慢地降温)，使混凝土在缓慢地散热过程中获得必要的强度来抵抗温度应力，同时降低变形变化的速度(即使混凝土缓慢的收缩)，充分发挥材料的徐变松驰特性，有效地消减约束应力，使之小于该龄期抗拉强度，防止内外温差过大并超过允许的界限(一般为20℃～25℃)，导致出现温度裂缝，而采取在混凝土裸露表面适当覆盖保温材料。保温法温控计算包括选定保温材料、计算保温材料需要的厚度。
其计算根据热交换原理，假定混凝土的中心向混凝土表面散失热量，等于混凝土表面保温材料应补充的发热量，因而，混凝土表面保温材料所需厚度可按式(e)计算：
δi—保温材料所需厚度(mm)；
h—结构厚度(m)；
λi—保温材料的导热系数(W/m•K)，可按表查取；
λ—混凝土的导热系数，取2.3W/m•K；
Tmax—混凝土中心最高温度(℃)；
Tb—混凝土表面温度(℃)；
Ta—混凝土浇筑后3～5天空气平均温度(℃)；
0.5指中心温度向边界散热的距离，为结构厚度的一半；
K—传热系数的修正值，即通风系数。
对易于透风的保温材料组成取2.6或3.0(指一般包括风或大风情况)；对不易透风的保温材料取1.3或1.5；对混凝土表面用一层不易透风材料，上面再用容易透风的保温材料组成，取2.0或2.3。
这种保温方法大多采用在表面护盖1～2层草袋(或草垫、下同)，或一层塑料薄膜加一层草袋。可使混凝土外表与外界气温差缩小到10℃以内，同时可减少混凝土表面热扩散，充分发挥混凝土强度的潜力和松驰作用，使应力小于抗拉强度；另一方面能保持适度的湿养护(或浇少量的水湿润)，有利于水泥的水化作用顺利进行和弹性模量的增长。前者可提高混凝土早期的抗拉强度，防止表面脱水；后者可增强抵抗变形能力。大量的工程实践证明，保温养护对防止大体积混凝土结构出现有害深进裂缝或贯穿性温度收缩裂缝是有效的。
根据以上方法验算该工程的保温措施：
该工程板厚为1650mm，在3天时混凝土的内部中心溫度Tmax=72℃，实际混凝土表面的温度为51℃，大气的温度为16℃，混凝土的导热系数为2.3W/m•K，塑料布的导热系数取0.05W/m•K，试验算混凝土表面所需保温材料的厚度。
故需要约56mm的材料覆盖，一层草袋和一层塑料布基本上可以满足保温要求。
6结论
1）由于转换层混凝土的施工是大体积混凝土施工，所以几乎所有文献资料都认为转换层混凝土的施工主要是防止裂缝问题。就作者调查过的有限工程实例而言，到目前为止还未发现有任何一个工程的转换层的混凝土表面出现超出规范要求的裂缝，比一般的结构楼层质量要好得多。这可能是由于在作业过程中充分重视的原因，从而也可以肯定钢筋混凝土结构的施工质量好坏对控制裂缝起着至关重要的作用。
2）目前关于大体积混凝土的温控理论的计算公式比较多，综合起来有两种，一种是着重对温度应力进行控制，一种是靠控制温差进行控制，所以在编制施工方案时要根据工程具体情况采用，不要盲目照搬硬套。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看
关键词：转换层；大体积混凝土；施工技术
1概况
某工程结构形式为大空间剪力墙结构，1-5层为框支结构，第5层设置厚板转换层，第5层以上为短肢剪力墙结构。转换层板厚为1600mm，框支梁高分别为1800mm、1850mm，板顶标高为+20.000m。梁的受力钢筋为Φ32、Φ36、Φ40不等，箍筋为Φ14，厚板的受力钢筋为双层双向Φ25、Φ120钢筋。厚板及混凝土强度等级为C50，配合比如表1，混凝土一次浇筑成型。
备注：1）本配合比所使用材料为干材料，使用单位应根据材料实际含水量随时进行调整；2）原材料及所加外加剂或掺和料发生变化时，本配合比无效。
2大体积混凝土定义
关于大体积混凝土，目前国内尚无一个确切的定义。日本建筑学会标准(JASS5)规定：“结构断面最小厚度在800mm以上，同时水化热引起混凝土内部的最高温度与外界气温之差预计超过25℃的混凝土，称之为大体积混凝土。”美国混凝土学会(ACI)规定：“任何就地浇筑的大体积混凝土，其尺寸之大，必须要求采取措施解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度地减少开裂。”对大体积混凝土的温度控制，目前国内尚无正式规定，过去曾提出内外温差应控制在20℃以内，近年来南方一些地区规定控制在25℃以内。宝钢工程的大体积混凝土施工，温度控制在30℃。从国内的施工实践来看：混凝土的温升和温差与表面系数有关，单面散热的结构断面最小厚度在750mm以上，双面散热在1000mm以上，水化热引起的混凝土内外最高温差预计超过25℃的混凝土结构，可按大体积混凝土施工。
3转换层混凝土的浇筑方案
混凝土浇筑前应事先根据工程的特点确定浇筑方案，科学的浇筑方案既能保证工程质量，又能做到省时省工。根据转换层结构的特点，应按下列步骤确定浇筑方案：
1)转换层的竖向结构和水平结构分开浇筑，先竖向的柱墙结构，后水平结构(梁、等板)。
2)混凝土的浇筑方向应先中间、后周边，向两个方向推进(图1)，转换梁、板混凝土采用“一个坡度，薄层浇筑，一坡到顶，循序渐进”的原则(图2)。一方面，这样浇筑加大了混凝土部分工作面的面积，有利于混凝土部分水化热排出，另一方面，也有利于降低混凝土浇筑时模板的侧压力。
3)节点部位的保证措施。转换层中梁、柱、墙节点部位钢筋过于密集，为确保此部位的混凝土浇筑密实，需采取以下措施：
a)采用同标号的细石混凝土浇筑上述部位；
b)对局部钢筋过于密集处要作适当调整，确保插入式振动器有足够的工作界面；
c)浇筑过程中安排专人检查墙、柱等竖向结构的侧模，如发现墙、柱混凝土浇筑到位后模板经敲击发出空响声，则应立即通知混凝土浇筑人员，对此部位加强振捣，并补浇混凝土，确保混凝土浇筑密实。
d)墙、柱混凝土浇筑完18小时后，对钢筋过于密集的墙、柱节点处的侧模应拆开一部分进行混凝土的质量检查，若混凝土存在缺陷，需采用可靠的技术措施进行处理，建立备忘录，并用超声波仪器检查，确保混凝土强度。
4)大体积混凝土的测温极其重要，转换层混凝土浇筑可以通过测温来了解混凝土的内部变化情况。测温的方法是通过在混凝土的内部埋设热电阻传感器，用测温仪进行量测。采用XMX-02型热电阻和温度数字显示仪测温，测温设备要妥善布置，否则直接影响测温结果，测温的导线应夹在两个钢筋之间，测温用的热阻传感器应用导热性良好的铜箔包好，以免损坏，有些工程中采用的是测温管，由于金属管具有良好的传热性，这样测得的结果偏低。测温设备布置如图3、图4。
根据混凝土水化热温升规律确定测温时间大约为10～14天，测温分为两个阶段。第一个阶段为升温阶段，自混凝土的终凝后开始测温至混凝土的最高温度；第二个阶段为降温阶段，自混凝土最高温度到混凝土中心温度为40摄氏度左右。各测点温度测量前72小时每3小时测一次，72小时后每6小时测一次，并做好测温记录，及时分析测温结果，以便调整混凝土的养护措施。
5)混凝土的养护。转换层混凝土初凝后，上表面立即覆盖塑料薄膜和草袋子并浇水养护，不宜浇水过多，保持混凝土的湿润即可。厚板侧面及底面采用保留模板的方法养护，部分钢模板的部位要采用外包塑料薄膜和干草袋的方法保温，养护时间不少于14天。
4大体积混凝土裂缝问题分析
引起混凝土裂缝的原因很多，尤其在转换层大体积混凝土裂缝控制方面如果不采取有力的措施，后果不堪设想。但是由于转换层大体积混凝土多是高标号混凝土，加有多种外加剂(早强剂、防冻剂、减水剂等)，材料来源广泛，成分多样，施工工序繁多，硬化又需要较长时间，任一个环节出现问题均可能引起混凝土开裂。就目前转换层混凝土开裂原因来看主要有以下几种：⑴荷载引起的裂缝；⑵施工不当引起的裂缝；⑶材料不良引起的裂缝；⑷温差引起的裂缝；⑸混凝土的收缩引起的裂缝。有些学者对国内外混凝土结构进行了调查、分析和深入研究后发现，在实际混凝土结构的裂缝中，由非荷载原因(如温度、收缩、不均匀沉降、冻胀等因素)引起的裂缝，在数量比例上要比因荷载引起的裂缝高得多。但国内外混凝土规范只对荷载引起的裂缝建议了计算公式，对其他原因产生的裂缝，主要规定构造措施。由于转换层大体积混凝土温度是影响转换构件的主要因素，本文将重点对由于温度引起的裂缝问题进行探讨。下面结合河南省人民医院高层商住楼工程的实际情况来研究转换层温度裂缝控制。
浇筑大体积混凝土时，由于水化热的作用，中心温度高，与外界按触的表面温度低，当混凝土表面受外界气温影响急剧冷却收缩时，外部混凝土质点与混凝土内部各质点之间相互约束，使表面产生拉应力，内部降温慢受到自约束产生压应力。下面取該厚板转换层第69小时测量得到的温度情况(图5、7)，因为此时的混凝土内外温差最大，若此时不产生温度裂缝，则以后出现温度裂缝的概率会更小，故验算此时的温度裂缝情况。
设温度呈对称抛物线分布(如图6)，由于温差产生的最大拉应力和压应力可由下式计算：
σt、σc—混凝土的拉应力和压应力(N/mm2)；
E(t)—混凝土的弹性模量(N/mm2)；
α—混凝土的热膨胀系数(1/℃)；
△T1—混凝土截面中心与表面之间的温差(℃)；
ν—混凝土的泊松比，取0.15～0.20。
由此可知σt≤fB。
由上式计算σt小于该龄期混凝土的抗拉强度，则不会出现表面裂缝，否则有可能出现裂缝。同时由上式知采取措施控制温差△T1就可有效地避免表面裂缝的出现。但工程实践有时控制的并不是如此的严格，有时混凝土内外温差短时间高达30℃，也不会出现裂缝。所以大体积混凝土允许温差控制在20℃～25℃范围内还是相当可行的。
5大体积混凝土温度控制措施
混凝土采取保温养护，有两种做法。一种是在冬季寒冷气温下，为使混凝土不被冻坏，而保持正常硬化，或在寒潮作用下，不出现温度陡降，使混凝土急剧冷却(或受冻)，因此对混凝土表面要采取措施。另一种是在春秋气温情况下，为了减少混凝土内外温差，延缓收缩和散热时间(即使后期缓慢地降温)，使混凝土在缓慢地散热过程中获得必要的强度来抵抗温度应力，同时降低变形变化的速度(即使混凝土缓慢的收缩)，充分发挥材料的徐变松驰特性，有效地消减约束应力，使之小于该龄期抗拉强度，防止内外温差过大并超过允许的界限(一般为20℃～25℃)，导致出现温度裂缝，而采取在混凝土裸露表面适当覆盖保温材料。保温法温控计算包括选定保温材料、计算保温材料需要的厚度。
其计算根据热交换原理，假定混凝土的中心向混凝土表面散失热量，等于混凝土表面保温材料应补充的发热量，因而，混凝土表面保温材料所需厚度可按式(e)计算：
δi—保温材料所需厚度(mm)；
h—结构厚度(m)；
λi—保温材料的导热系数(W/m•K)，可按表查取；
λ—混凝土的导热系数，取2.3W/m•K；
Tmax—混凝土中心最高温度(℃)；
Tb—混凝土表面温度(℃)；
Ta—混凝土浇筑后3～5天空气平均温度(℃)；
0.5指中心温度向边界散热的距离，为结构厚度的一半；
K—传热系数的修正值，即通风系数。
对易于透风的保温材料组成取2.6或3.0(指一般包括风或大风情况)；对不易透风的保温材料取1.3或1.5；对混凝土表面用一层不易透风材料，上面再用容易透风的保温材料组成，取2.0或2.3。
这种保温方法大多采用在表面护盖1～2层草袋(或草垫、下同)，或一层塑料薄膜加一层草袋。可使混凝土外表与外界气温差缩小到10℃以内，同时可减少混凝土表面热扩散，充分发挥混凝土强度的潜力和松驰作用，使应力小于抗拉强度；另一方面能保持适度的湿养护(或浇少量的水湿润)，有利于水泥的水化作用顺利进行和弹性模量的增长。前者可提高混凝土早期的抗拉强度，防止表面脱水；后者可增强抵抗变形能力。大量的工程实践证明，保温养护对防止大体积混凝土结构出现有害深进裂缝或贯穿性温度收缩裂缝是有效的。
根据以上方法验算该工程的保温措施：
该工程板厚为1650mm，在3天时混凝土的内部中心溫度Tmax=72℃，实际混凝土表面的温度为51℃，大气的温度为16℃，混凝土的导热系数为2.3W/m•K，塑料布的导热系数取0.05W/m•K，试验算混凝土表面所需保温材料的厚度。
故需要约56mm的材料覆盖，一层草袋和一层塑料布基本上可以满足保温要求。
6结论
1）由于转换层混凝土的施工是大体积混凝土施工，所以几乎所有文献资料都认为转换层混凝土的施工主要是防止裂缝问题。就作者调查过的有限工程实例而言，到目前为止还未发现有任何一个工程的转换层的混凝土表面出现超出规范要求的裂缝，比一般的结构楼层质量要好得多。这可能是由于在作业过程中充分重视的原因，从而也可以肯定钢筋混凝土结构的施工质量好坏对控制裂缝起着至关重要的作用。
2）目前关于大体积混凝土的温控理论的计算公式比较多，综合起来有两种，一种是着重对温度应力进行控制，一种是靠控制温差进行控制，所以在编制施工方案时要根据工程具体情况采用，不要盲目照搬硬套。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看