王潘绣，宣卫红，王 瑶，黄冬辉

(金陵科技学院建筑工程学院， 南京 211169)

0 引言

随着高层、超高层建筑的发展，大体积混凝土越来越多地被用于基础底板中。此类结构混凝土用量大、设计强度高，因此早期水化热大、内外温度梯度明显，若养护措施不当则易引发温度变形裂缝，势必降低结构承载力和耐久性[1]。目前国内对大体积混凝土基础多采用传统人工养护，这类养护方式存在温湿度掌握不准确、洒水不及时、养护用水量不当以及养护效率低等问题[2]，往往无法有效达到早期温控防裂效果。

针对传统方法养护失效导致大体积混凝土早期开裂的问题，众多学者专家建议改进传统养护方法，推广动态养护技术[3-4]，以保证大体积混凝土养护质量。动态养护技术是指在大体积混凝土温度场和应力仿真分析基础上，根据混凝土内外温度、应力发展规律制定动态养护方案，并根据现场监控数据动态调整养护措施，以有效实现混凝土早期温度、裂缝控制[5]。以水管冷却养护技术为例，传统养护方法根据混凝土水化放热规律人为划分冷却阶段且各阶段温控措施基本不变[6]，因而未能实现朱伯芳院士提出的“小温差、早冷却、缓慢冷却”效果[7]。采用动态养护技术则是在混凝土浇筑后即开始通水冷却，并随实时监测数据不断就通水时间、温度、流量、方向等，在时间和空间上做出动态调整(图1)。因此采用动态养护技术有助于高效减小大体积混凝土施工期温度裂缝，降低早期开裂风险，其养护效果优于传统养护方法。目前，该技术在高层建筑基础[8]、桥梁工程承台[9]、核电站筏基[10]、高拱坝坝体[6,11]以及预制构件[12]等实际工程施工中均得到广泛应用与推广。

图1 水管冷却降温过程示意

然而大体积混凝土动态养护技术涉及因素众多，虽然目前针对实际工程的动态养护设计已具备一定基础和经验，但其成果数量远不及传统养护技术。同时基础、承台、大坝等工程的结构特征和施工特点各有不同，未能形成通用的大体积混凝土动态养护技术指南。因此加强大体积混凝土动态养护技术基础理论研究，系统深入各控制因素的温控效应分析，对完善大体积混凝土动态养护技术理论基础至关重要，研究成果可为制定实际工程养护方案提供参考，也可为传统养护过程中精确用水量、水温、湿度等提供一定理论指导。

本文针对大体积混凝土基础动态养护技术的外保温措施和内冷却措施，分别开展开始养护时间、养护水温、养护时长等各控制因素的敏感性分析。构建各控制因素与基础内部温度峰值、内外温差以及快速降温阶段的相对关系，最后结合理论分析结果就大体积混凝土基础动态养护提供相应施工建议。

1 大体积混凝土基础动态养护技术

大体积混凝土基础养护措施可分为外保温、内冷却两类：外保温技术可通过泡沫板、麻布或草席等进行覆盖保温[13]，也可通过蒸汽或注水进行加热[14]；内冷却技术则多采用水管冷却方式[15]。

1.1 基础外保温养护

大体积基础混凝土施工多采用分层、分段浇筑。传统养护措施在混凝土浇筑完成后通过表面覆盖保温材料进行保温，喷热水或蒸汽加热保湿，但以上养护方法仍存在养护效率低、开裂风险较高等问题。因此，文献[3]提出：对于厚度较大、内外温差明显的基础混凝土，在浇筑完成12h后，可在已浇筑待养护的混凝土块体顶面砌筑25cm高的临时性交圈矮砖墙进行蓄水保温，而混凝土块侧面则披挂麻布片或稻草帘, 进行喷热水保温。在蓄水动态养护过程中，可通过预埋热电偶监测基础温度，对水温、蓄水时间等进行动态调控，克服传统养护方法的不足，进而有效降低大体积基础混凝土外表面早期开裂风险。

1.2 基础内冷却养护

水管冷却养护主要采用在混凝土内部敷设钢管或塑料管，形成内部水冷却回路，调节大体积混凝土基础内外温差。传统水管冷却养护通过一期降温降低水化放热时混凝土内部温度，二期降温控制结构整体温度稳定(图1)。通常在一整期养护过程中，养护水温不变、养护时间较短、降温速率较快，水管附近混凝土温度梯度较大。而动态养护技术根据混凝土内部温度的监测数据，通过基础外部水箱和阀门，动态进行通水时间、温度、流量等控制因素调整，实现基础内部均匀降温、缓慢冷却。

动态养护技术实施步骤包括：

(1)有限元温控仿真。采用有限元软件(ANSYS，ADINA等)建立有限元模型，结合基础浇筑施工方案，开展施工期温度场、应力场仿真。并分析不同养护方式(不同蓄水水温、蓄水时间或不同冷却水管布置、水温、通水时间等)对混凝土温度场和应力场的影响。

(2)养护方案初定。根据仿真分析成果，对比不同养护措施，选择最佳养护组合方案并进一步反复试算，得到混凝土最优养护曲线，提供大体积混凝土基础养护初步方案。

(3)温控指标确定。将混凝土结构内外温差和降温速率作为主要温控指标，并根据仿真分析结果制定各指标控制限值及监测位置，用于养护过程的实时监测和方案调整。

(4)应急预案制定。基于仿真分析结果所建立的不同养护方式下基础温度场和应力场影响机制，提供具体控制因素增减量对混凝土养护曲线的修正效果，并选择经济、方便的应急预案。

(5)混凝土动态养护。实时监测反馈各指标数据，一旦出现指标超限，则启动应急预案，动态调整养护措施以实现温控防裂效果。

2 分析模型及材料参数

采用有限元软件ANSYS建立50m×20m×1.5m的大体积混凝土基础有限元模型，采用Solid70单元模拟混凝土，Fluid116单元模拟冷却水管(图2)。有限元模型中混凝土单元总数16 000；冷却水管采用单排蛇形布置，间距1.0，1.5，2.0m的水管单元总数分别为1 864，1 288，1 000。

图2 大体积混凝土基础有限元模型

未采取动态养护时，基础表面采取14d基础保温措施(1.0cm泡沫板覆盖)，外界环境温度取南京年平均气温15℃，基础底面为绝热边界。混凝土主要热学参数如表1所示。

混凝土主要热学参数 表1

分析时为精确考虑温度对混凝土反应速率的影响，引入等效龄期te[16]对水化放热的影响以及水化度α对混凝土导热系数的影响[17]。其中基于等效龄期的混凝土水化放热θ(te)计算公式如式(1)所示。

θ(te)=50.0×(1-e-0.3te3.0)

(1)

(2)

式中：te为混凝土等效龄期，d；Tr为混凝土参考温度，一般取20℃；T为时段Δt内的混凝土平均温度，℃。

基于水化度的混凝土导热系数k(α)计算如式(3)所示。

k(α)=10.0×(1.33-0.33α)

(3)

式中α为混凝土水化度，按式(4)计算。

(4)

仅采取传统外保温措施(外敷1.0cm泡沫板覆盖)时大体积混凝土基础内外温度时程如图3所示。由图3可以看出，温升阶段，大体积混凝土基础在水化放热和环境温度双重影响下，内外温差明显：其中基础内部在浇筑后第3.0d达到最高温度64.72℃；上表面在第2.25d达到最高温度47.20℃；内外温差在第3.5d时开始超过施工建议控制温差(25℃)并不断上升，最大值出现在第8.0d，高达33.59℃。同时在拆模后基础上表面降温迅速，进一步加剧了基础内外温差，在第16.0d出现第二次高温差，之后结构开始缓慢降温，内外温差逐步缩小，但在3.5 ～36d期间结构内外温差均超过25℃，累计天数高达32.5d。此外，基础上表面在2～4d及拆模前后日降温幅度大于2℃/d，也超过施工建议限值。因此，仅采取传统外保温措施的大体积混凝土基础不符合早期温控要求，存在明显开裂风险，建议采取蓄水保温或水管冷却措施。

图3 传统外保温措施下大体积混凝土基础内外温度分布

3 动态控制因素分析

3.1 基础外保温动态养护

基础外保温动态养护即蓄水养护，通过控制基础上表面蓄水水温、蓄水时间实现大体积混凝土基础早期温控防裂。结合蓄水保温动态控制因素(开始蓄水时间、蓄水水温和后期降温速度)，拟定控制因素敏感性分析工况，详见表2。

基础外保温动态养护控制因素敏感性分析工况 表2

3.1.1 开始蓄水时间

考虑混凝土浇筑后分别从第12，24，30，36，48h开始蓄水保温(蓄水水温40℃)，保持7d后开始以1℃/d的降温速度降至环境气温，降温持续25d。计算结果表明：不同开始蓄水时间工况下大体积混凝土基础内外温差随时间变化规律基本一致，仅在前两天略有不同，图4中详细展示了大体积混凝土基础在不同开始蓄水工况下的前三天内外温差。其中WB12，WB24工况由于开始蓄水时间较早，此时混凝土内部水化放热量较小，温度低于40℃，出现了内低外高的温度分布，最高温差达到21.45℃，亦不利于结构早期温控抗裂。而在WB30，WB36和WB48工况中，当结构开始蓄水时，结构内部温度已达到40℃，蓄水后可以显著减小基础内外温差，发挥显著外保温效果。因此，开始蓄水时间对大体积混凝土基础内部温度峰值和内外温差的影响可忽略，但建议开始蓄水时间应略晚于基础内部温度达到蓄水水温的时刻。

图4 不同开始蓄水时间下大体积混凝土基础内外温差

3.1.2 蓄水温度

考虑混凝土浇筑后第30h开始蓄水，蓄水水温分别为30，35，40，45，50℃，保持7d后开始以1℃/d的降温速度温降至环境气温，降温持续15～35d不等。

计算结果表明：蓄水水温对大体积混凝土基础内外温差影响显著(图5)。基础早期最大内外温差随着蓄水水温的增加而减小，且减小幅度接近水温升温幅度。其中WT30，WT35工况中基础早期最大内外温差分别为34.49℃和29.57℃，高于施工建议的25℃，未达到早期温控要求；WT40，WT45和WT50工况中基础内外温差均控制在25℃以内，达到温控效果。此外，在蓄水后期采用1℃/d进行降温的过程中基础上表面温降速率高于内部点，将引起内外温差的进一步扩大(达到30～35℃)，需适当减缓温降速度。因此采用基础外保温动态养护时，建议蓄水水温Tw可按式(5)估算，且降温阶段水温下降速率不宜明显高于混凝土内部降温速率。

图5 不同蓄水温度下大体积混凝土基础内外温差

Tw=环境温度+绝热温升值-25℃

(5)

3.1.3 后期降温速度

由于施工建议大体积混凝土基础后期降温速度宜小于2℃/d，分析取混凝土浇筑后第30h开始蓄水，蓄水水温40℃，保持7d后开始以0.5，1.0，1.5，2.0℃/d的降温速度温降至环境气温。

不同后期降温速度下大体积混凝土基础内外温差如图6所示。由图6可知后期降温速度对基础内外温差影响显著。由于大体积混凝土内部降温缓慢，本文案例中大体积混凝土基础内部降温幅度约为0.5℃/d，而上表面点温度受蓄水水温影响，当蓄水水温降温速度高于内部降温速度时，结构内外温差呈现逐日上升趋势：其中WD1.5，WD2.0工况内外温差分别在第9.75d和第8.75d重返25℃以上，且结束蓄水当天上表面温度日下降值接近2℃，未符合大体积混凝土施工“小温差、缓慢冷却”的要求；降温速度较缓的WD1.0工况内外温差在第12.75d重返25℃以上，此时混凝土强度已发展较为充分，开裂风险相对较低；而WD0.5工况则内外温差一直维持在25℃以下。同时WD0.5和WD1.0工况结束蓄水当天上表面温度日下降值均小于1.5℃，温控效果较好。因此采用基础外保温动态养护时，建议后期降温速度宜略高于结构内部温降速度以达到缓慢冷却、推迟结构出现内外温差二次高于25℃的时刻。

图6 不同后期降温速度下大体积混凝土基础内外温差

综合基础外保温动态养护中开始蓄水时间、蓄水水温和后期降温速度的敏感性分析结果(表3)可知：开始蓄水时间对大体积混凝土基础温度场的影响仅体现在前两天且影响幅度较小；蓄水水温是敏感性突出的影响因素，对内外温差的影响可达-5℃/5℃；后期降温速度对施工后期结构内外温差影响显著，过快的降温速度会导致内外温差的二次快速上升。此外采取蓄水外保温措施时由于严格控制了结构外表面降温速度，则在降温阶段不存在日降幅大于2℃的不利情况。

基础外保温动态养护控制因素敏感性综合分析 表3

3.2 基础内冷却动态养护

水管冷却养护是大体积混凝土使用最为广泛、效果十分显著的内部冷却施工方法，其主要控制因素有水管间距、开始通水时间、通水水温、持续通水天数、通水流量等。本文基础内置冷却水管，内部水流密度1 000 kg/m3，导热系数0.58kJ/(m·h·℃)，比热4.187kJ/(kg·℃)，水管与混凝土热交换系数1 500kJ/(m2·h·℃)，基础外表面采取钢模板和1.0cm厚泡沫板覆盖的基本保温措施，模板在混凝土浇筑后第14d拆除，拟定控制因素敏感性分析工况如表4所示。

基础内冷却动态养护控制因素敏感性分析工况 表4

3.2.1 水管间距

冷却水管采用间距1.0，1.5m和2.0m的单排蛇形布置，混凝土浇筑后2d开始通水冷却，冷却水温取环境温度15℃，通水流量10m3/h，通水时间14d。

不同间距水管冷却作用下的大体积混凝土基础内外温差计算结果如图7所示。由图7可以看出，采用水管冷却措施可有效降低结构内部温度峰值，减小结构内外温差，水管间距越小，内外温差越低。其中PS2.0工况施工期结构内外温差快速上升，达到37.27℃后逐渐降低，之后在基础拆模后受上表面快速降温影响，再次升高至39.13℃，全过程结构内外温差超过25℃的天数接近30d，不符合大体积混凝土施工温控要求。PS1.0和PS1.5工况水管间距较小，结构内外温差均小于25℃，符合施工温控要求。此外，由于水管冷却效果突出，结构内部温度达到峰值后呈快速下降，三个工况内均有日降温幅度大于2℃/d的天数(表5)。而“小温差、早冷却、缓慢冷却”是水管冷却的方向，因此采用基础内冷却动态养护时，建议水管间距不超过1.5m，且适当采取措施控制后期降温速度。

图7 不同水管间距下大体积混凝土基础内外温差

不同水管间距下日降温幅度超2℃/d的天数 表5

3.2.2 开始通水时间

基本工况拟定为水管采取间距1.5m的单排蛇形布置，混凝土浇筑后第2d开始通水冷却，冷却水温取环境温度15℃，通水流量10 m3/h，通水时间14d。开始通水时间敏感性分析分别考虑第1，2，3，4，5d开始通水的冷却效果。

不同开始通水时间下的大体积混凝土基础内外温差计算结果如图8所示。由图8可以看出，开始通水时间对结构早期内外温差影响显著，通水时间越晚则内外温差峰值越高。其中PB1，PB2，PB3工况由于在混凝土内部早期水化放热大量释放之前开始通水冷却，故内外温差最大值控制在25℃以内；PB4和PB5工况在通水之前结构已出现了超过温度控制的内外温差，未能起到有效冷却效果。此外，无论何时开始通水在结构内部达到温度峰值后内外温度均呈快速下降，各工况均有日降温幅度大于2℃/d的天数，且累计天数随着开始通水时间的推迟而逐渐增加(表6)。因此采用基础内冷却动态养护时，建议在混凝土浇筑后两天内开始通水冷却。

图8 不同开始通水时间下大体积混凝土基础内外温差

不同开始通水时间下日降温幅度超2℃/d的天数 表6

3.2.3 通水水温

基于基本工况，分别分析通水水温5，10，15，20，25℃时结构的基础冷却效果。

不同通水水温下大体积混凝土基础内外温差计算结果如图9所示。由图9可以看出，大体积混凝土基础内外温差随着通水水温的增大而增加，冷却水温每增加5℃结构内外温差增加约2.5℃。当水温小于25℃时，结构内外温差均符合施工温控要求。此外，不同通水水温下结构内外均存在日降温幅度大于2℃/d的天数，并随着通水水温的提高而逐渐减少(表7)。因此采用基础内冷却动态养护时，建议冷却水温不超过25℃，考虑施工方便可采用现场水进行降温。

图9 不同通水水温下大体积混凝土基础内外温差

3.2.4 持续通水天数

基于基本工况，持续通水时间分别取7，10，14，20，30d。结构最大内外温差随着通水时间的增加而逐渐减小(图10)。当持续通水时间少于14d时，由于冷却时间较短，结构在停止通水后内部仍有大量水化热释放，内外温差再次快速上升甚至超过早期最大内外温差，PD7工况在通水结束后内外温差升高至26.76℃，未达到冷却效果。持续通水超过14d，结构内早期水化放热已基本结束，内外温差未出现第二次大幅度增加现象(如PD14，PD20，PD30工况)，温控效果较好。此外，不同持续通水时间下结构内外日降温幅度大于2℃/d的天数基本一致，集中在早期温降阶段和拆模前后(表8)。综上采用基础内冷却动态养护时，建议持续通水时间不宜少于14d。

图10 不同持续通水时间下大体积混凝土基础内外温差

不同通水水温下日降温幅度超2℃/天的天数 表7

不同持续通水时间下日降温幅度超2℃/天的天数 表8

3.2.5 通水流量

基于基本工况，通水流量分别取2，5，10，15，20m3/h。结构最大内外温差随着通水流量的增加而逐渐减小，但区别相对较小并在通水流量达到15m3/h后冷却效果基本一致(图11)。此外，不同持续通水时间下结构内外日降温幅度大于2℃/d的天数也基本一致，集中在早期温降阶段和拆模前后(表9)。综上采用基础内冷却动态养护时，建议通水流量取10～15m3/h即可。

图11 不同通水流量下大体积混凝土基础内外温差

不同通水流量下日降温幅度超2℃/天的天数 表9

综合基础内冷却动态养护中水管间距、开始通水时间、通水水温、持续通水天数、通水流量的敏感性分析结果(表10)可知：当水管间距不超过1.5m时，可满足大体积混凝土基础内冷却需求，反之内外温差峰值将达20℃以上；开始通水时间应控制在前两天，否则内外温差峰值将以+(2～5)℃/d的幅度快速增大，且超过25℃，冷却温控失败；通水水温是敏感性突出的影响因素，对基础内部温度峰值的影响可达+(3～4)℃/5℃、内外温差的影响可达+(2～3)℃/5℃；持续通水时间对施工后期结构内外温差影响显著，持续通水时间少于14d时，结构内外会出现明显二次升温；通水流量在超过15m3/h后，增加流量对基础温度场影响几乎为零，选择10～15m3/h为宜。同时采取水管内冷却措施时，由于水管冷却效果突出，在温降阶段及拆模前后基础内外均出现日降幅大于2℃的不利情况。因此采取水管冷却措施时还应辅以外保温措施并推迟拆模时间，以减缓结构温降阶段降温速率。

基础内冷却动态养护控制因素敏感性综合分析 表10

4 结论

本文就大体积混凝土基础系统开展动态养护技术控制因素敏感性分析，主要结论如下：

(1)在蓄水动态养护中，蓄水水温和后期降温速度是重要温控指标，对大体积混凝土基础内外温差影响远大于开始蓄水时间，其中蓄水水温越高内外温差越小，而后期降温速度越快则内外温差越大。

(2)水管内冷却养护的关键控制因素有水管间距、开始通水时间、通水水温、持续通水天数。大体积混凝土基础的内外温差随着水管间距、开始通水时间和通水水温的增加而明显增加；持续水管冷却少于14d结构会出现第二次快速温升；通水流量在超过15 m3/h后对基础温度场影响较小。

(3)蓄水外保温措施由于严控基础表面温度，故不会出现后期日降幅大于2℃的不利情况，但水管冷却却不可避免，需要采取一定辅助保温措施。

因此，采用蓄水动态养护时，建议开始蓄水时间略晚于基础内部温度达到蓄水水温的时刻；蓄水水温按式(5)估算；降温阶段水温下降速率不宜明显高于混凝土内部降温速率。采用水管冷却动态养护技术时，建议水管间距不超过1.5m；在混凝土浇筑后两天内开始通水冷却，并至少持续通水14d；通水水温不超过25℃，可采用现场水；通水流量控制在10～15m3/h；水管冷却的同时可附加一些保温措施且适当推迟拆模时间。