超高層大體積混凝土基礎(chǔ)配合比設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用

劉 洋 （安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 前 言

隨著建筑物高度不斷提高，建筑基礎(chǔ)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)也不斷提高，混凝土中的外加劑量不斷地加大，而用水量卻不斷地減少。這些因素的變化使得建筑基礎(chǔ)混凝土在水化的過程中放出更多的熱量，由于混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)較低，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大溫度梯度，較大的溫度梯度使得混凝土內(nèi)部所承受的溫度應(yīng)力不斷增大。由實(shí)驗(yàn)知道，混凝土自身的抗拉能力較弱，當(dāng)內(nèi)部的溫度應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉能力時(shí)就會(huì)導(dǎo)致該混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度裂縫。這些裂縫的產(chǎn)生會(huì)對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)整體性造成危害并且會(huì)影響建筑物的正常使用。由于超高層建筑的對(duì)其安全性以及耐久性要求較為嚴(yán)格，所以在超高層建筑的設(shè)計(jì)和施工中中尤其是需要注意防止該種溫度裂縫的產(chǎn)生。本文結(jié)合具體工程，主要從混凝土的原材料的選擇、配合比的確定，混凝土的澆注和養(yǎng)護(hù)等方面，防治大體積混凝土基礎(chǔ)溫度裂縫，保證工程的施工質(zhì)量。

1 工程概況

廣州市某超高層建筑高約200m，地下5層，其占地面積約5100m2，采用了筏板基礎(chǔ)+箱型基礎(chǔ)的組合形式。該高層基礎(chǔ)由主塔樓底板（A區(qū)）和裙樓底板（B區(qū)）組成，主塔樓區(qū)域采用2.5m厚的筏板基礎(chǔ)，其面積約為2500m2；裙樓區(qū)域采用的厚度為1.2m的筏板基礎(chǔ)，面積約為1000m2，底板混凝土的總的澆筑量約為1.5×104m3，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C40P10。

2 基礎(chǔ)底板混凝土原材料選擇

2.1 水泥

本工程基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40,并且基礎(chǔ)的施工要求大體量的混凝土在短時(shí)間內(nèi)澆注完成，故采用低水化熱水泥，如普通硅酸鹽水泥。經(jīng)測(cè)試采用P.O42.5強(qiáng)度等級(jí)混凝土能達(dá)到工程的要求。本工程中水泥的具體物理性能如下：水泥的細(xì)度為0.5%；初凝時(shí)間為150min，終凝時(shí)間為200min；安定性合格；3d、28d抗折強(qiáng)度分別為5.2MPa、8.0MPa；3d、28d的抗壓強(qiáng)度分別為33.0MPa、49.2MPa。

2.2 骨料

混凝土的抗裂能力與混凝土中骨料的級(jí)配是否良好有直接關(guān)系。級(jí)配良好的骨料能有效的增強(qiáng)混凝土抗裂性能，改善混凝土拌合物的流動(dòng)性和降低單方混凝土的水泥用量，達(dá)到降低混凝土的水化熱、防治混凝土溫度裂縫的目的。在骨料中，含泥量會(huì)對(duì)混凝土的強(qiáng)度、徐變等基本性能產(chǎn)生不利的影響。含泥量過大的骨料會(huì)使混凝土的收縮變強(qiáng)，使得混凝土抗拉強(qiáng)度變低，導(dǎo)致混凝土易產(chǎn)生裂縫。故在本工程中對(duì)骨料的要求如下：粗骨料選用5mm～25mm連續(xù)級(jí)配的花崗巖石子，含泥量為0.4%，針狀、片狀顆粒含量為5%，表觀密度為2620kg/m3,堆積密度為1420kg/m3；細(xì)骨料選用西江的中粗砂，其細(xì)度模量為2.5，表觀密度為2620kg/m3，堆積密度為1520kg/m3。

2.3 粉煤灰

由相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明：在混凝土摻加一定量的粉煤灰（替代部分水泥），一方面能減少水泥的用量，降低拌合物中的C3A的濃度和堿的濃度，改善了混凝土拌合物的泌水現(xiàn)象和坍落度損失情況，抑制混凝土中的堿—骨料反應(yīng)，另一方面能降低單方水泥所產(chǎn)生的水化熱防止混凝土出現(xiàn)溫度裂縫，起到改善混凝土的施工性能、增大混凝土的密實(shí)度、提高混凝土耐久性的作用。本工程中選用Ⅰ級(jí)磨細(xì)粉煤灰粉煤灰，其細(xì)度為50μm,篩余量為15%，安定性合格，需水量為90%，SO3含量為3%，燒失量為5%。

2.4 礦粉

摻加礦渣粉可以提高混凝土的和易性，延長(zhǎng)混凝土的水化時(shí)間，減少混凝土在早期水化時(shí)的水化熱。本工程選用S95礦渣粉，在混凝土的摻量為15%，其7d的活性指數(shù)為74%，28d的活性指數(shù)為98%。

2.5 緩凝劑

與減水劑復(fù)配，調(diào)整混凝土的凝結(jié)時(shí)間，通過緩凝的方法為基礎(chǔ)大體積混凝土的施工爭(zhēng)取時(shí)間，減少基礎(chǔ)底板混凝土冷縫的數(shù)量，延緩混凝土水化熱的釋放，推遲混凝土熱峰出現(xiàn)的時(shí)間。

3 混凝土配合比的設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)該超高層建筑基礎(chǔ)混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)和試配，混凝土試配原則如下：

①在保證基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)所規(guī)定的強(qiáng)度、耐久性的前提下，每1m3的混凝土中膠凝材料總用量不得小于300kg，其水膠比不大于0.40；

②使用高效的減水劑，控制基礎(chǔ)底板的混凝土的坍落度在180mm左右；

③摻加粉煤灰和礦渣粉能有效降低大體積混凝土的水化熱，并提高混凝土的后期強(qiáng)度；

④考慮骨料對(duì)混凝土的性能影響以及其對(duì)施工過程的影響。

本工程中混凝土底板采用C40級(jí)商品混凝土，抗?jié)B等級(jí)為P10，基礎(chǔ)混凝土采用越堡金羊P.O42.5普通硅酸鹽水泥水泥、西江中砂、碎石等材料。

通過水泥強(qiáng)度及工程所需的混凝土強(qiáng)度計(jì)算出水灰比為0.38，再結(jié)合理論用水量和相關(guān)減水劑等外加劑計(jì)算實(shí)際的用水量為150kg/m3。考慮到骨料對(duì)混凝土的強(qiáng)度及其施工方面的影響，將骨料的用量控制在1400kg/m3左右，砂率控制在40%左右，經(jīng)過相關(guān)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)得到混凝土的配合比如下表所示。

混凝土配合比設(shè)計(jì)(單位：kg)

4 大體積混凝土溫度測(cè)量

本工程測(cè)溫采用一線通測(cè)溫儀，使用WZC-010銅熱電阻測(cè)量底板混凝土內(nèi)部溫度。底板溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置：本工程在底板上設(shè)置了14個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)和2個(gè)大氣溫度測(cè)量點(diǎn)。測(cè)溫點(diǎn)的布置及其構(gòu)造詳圖如圖1所示。

圖1 混凝土底板測(cè)溫點(diǎn)的布置及其構(gòu)造詳圖

混凝土澆筑完成后，立即即開始測(cè)溫工作。該工程中所需測(cè)量的溫度有大氣溫度、混凝土的入模溫度、各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度等。在混凝土的升溫階段，每2h測(cè)量一次，降溫階段每4h測(cè)量一次，8d后當(dāng)測(cè)量?jī)?nèi)外溫差小于25℃時(shí)，可停止測(cè)溫。如果溫差仍大于25℃時(shí)，繼續(xù)保持監(jiān)測(cè)。以8號(hào)測(cè)溫點(diǎn)為例，8號(hào)測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化曲線如圖2所示。

4.1 大體積混凝土基礎(chǔ)底板溫度分析

圖2 8號(hào)測(cè)溫點(diǎn)溫度變化曲線示意圖

由圖2可知，底板混凝土在混凝土澆筑后3d～5d處于溫度升高階段，以后混凝土的溫度不斷的下降。底板中心混凝土的溫度升高較快（中心溫度），而且由于混凝土的導(dǎo)熱性能較差，故該區(qū)域混凝土的溫度值最高。表層混凝土的溫度升降較為平緩（表層溫度），由于表層混凝土散熱效率較高，混凝土產(chǎn)生的水化熱能夠及時(shí)散失到空氣中，使得該區(qū)域混凝土溫度處于一種較低的狀態(tài)。基礎(chǔ)底部混凝土的溫度較高（基底溫度），由于該區(qū)域混凝土受到地基以及上部混凝土的“保溫”作用，該區(qū)域的混凝土產(chǎn)生的水化熱不能及時(shí)散失到外界環(huán)境中，故其溫度一直處于一種穩(wěn)定并且一直保持較高的溫度。

5 混凝土的澆注及其后期養(yǎng)護(hù)

高層建筑基礎(chǔ)底板A區(qū)和B區(qū)板厚不同，故分兩個(gè)階段來施工，第一階段先澆筑A區(qū)的混凝土直至混凝土澆筑高度與B區(qū)標(biāo)高相同為止。第二階段是在第一階段完成之后立即接管到B區(qū)最西側(cè)，從B區(qū)的最西側(cè)整體向東澆筑混凝土。由于底板混凝土面積較大，要保證下層混凝土在初凝前被上一層混凝土覆蓋，采用斜向分層澆筑方法，分層的厚度取500mm，一方面增大底板混凝土散熱面積，有利于減小混凝土內(nèi)部積聚的熱量，另一方面使得振搗后混凝土產(chǎn)生的泌水能沿著斜坡排走。

在混凝土澆注完畢以后馬上覆蓋保溫薄膜進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，然后再在保溫薄膜上覆蓋三層麻袋，并灑少量水將麻袋濕潤(rùn)，最后在覆蓋防雨薄膜。

6 結(jié) 論

本工程基礎(chǔ)底板混凝土在高溫季節(jié)并一次性澆筑完成，采用有效的施工措施使該基礎(chǔ)底板大體積混凝土的質(zhì)量得到了很好的保證，經(jīng)相關(guān)部門檢測(cè)，基礎(chǔ)底板混凝土表面和側(cè)面未發(fā)現(xiàn)干縮裂縫和溫度裂縫，更未發(fā)現(xiàn)貫穿性裂縫，保證該基礎(chǔ)底板的結(jié)構(gòu)整體性，達(dá)到預(yù)期的防治大體積混凝土裂縫的目的。

①對(duì)混凝土的原材料優(yōu)化選擇，對(duì)混凝土的配合比進(jìn)行優(yōu)化處理，提高了混凝土自身的抗拉能力，減小了混凝土產(chǎn)生裂縫的幾率。

②采用低水化熱水泥，降低水灰比，合理摻加粉煤灰和礦渣粉等措施有效的減小了大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱量的積聚。

③及時(shí)對(duì)大體積混凝土進(jìn)行溫度檢測(cè)，采取有效養(yǎng)護(hù)措施降低混凝土的內(nèi)外溫差，能有效的避免環(huán)境對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

[1]JGJ55-2011,普通混凝土配合比設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[3]黃允寶.大體積混凝土的配合比設(shè)計(jì)及其工程應(yīng)用[J].江蘇建筑，2006(2).