超高層建筑筏板基礎大體積混凝土質量控制

侯　海

(中鐵二局集團建筑有限公司， 四川成都 610031)

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超高層建筑筏板基礎大體積混凝土質量控制

侯海

(中鐵二局集團建筑有限公司， 四川成都 610031)

【摘要】隨著建筑行業的發展，高層及超高層建筑已經逐步成為一種趨勢，大體積混凝土也被廣泛運用于此類建筑的基礎結構。文章以某工程4.3 m超厚筏板基礎為例，從施工原材料選擇、混凝土配合比優化設計(溫度場有限元分析、足尺模型試驗)、現場施工組織等三個方面闡述了大體積混凝土質量控制要點，從而保證了基礎大體積混凝土澆筑質量。

【關鍵詞】超高層；大體積混凝土；質量控制；配合比設計；施工組織

1大體積混凝土施工中易產生的質量問題

大體積混凝土具有體積大、結構整體性要求高、水泥水化熱高等結構特點。大體積混凝土澆筑完成后，由于混凝土內外溫差過大，容易出現溫度裂縫。這是施工過程中最容易出現也是最難把控的質量問題，下文將著重介紹對于大體積混凝土溫度裂縫的質量控制。

2溫度裂縫產生的原因

溫度裂縫就其開裂程度可分為表面裂縫和貫穿裂縫。表面裂縫的產生是在大體積混凝土澆筑后，聚集在混凝土內部的水泥水化熱較高，但由于混凝土體積較大不易散發，使得混凝土內部溫度急劇上升，而其表面散熱較快，造成混凝土內外溫差較大，內部產生壓應力，外表面產生拉應力，最終導致混凝土表面出現裂縫。當這種拉應力超過混凝土極限抗拉強度時，就會造成混凝土整體開裂，形成貫穿裂縫，嚴重危害結構安全。

3工程概況

N區貴陽街及雙子塔工程11#樓位于貴陽市花果園，該樓建筑功能主要為辦公和酒店，地上70層，地下5層，地上總高度為337.655 m，為超B級高度的超高層建筑。該建筑采用鋼筋混凝土框架-核心筒結構體系，基礎采用核心筒下筏板基礎+外框柱下條形基礎+抗水板形式，筏板厚度4.3 m。

4大體積混凝土施工質量控制措施

結合大體積混凝土自身特點，針對其施工過程中可能出現的問題，主要從大體積混凝土原材料的選擇、配合比的優化(溫度場有限元分析、足尺模型試驗)、現場施工組織這三個方面進行控制。

4.1混凝土原材料的選擇

為保證大體積混凝土施工質量，從原材料的選擇上進行控制。通過對貴陽地區混凝土原材品質多次實地考察，最終擬定選用如下材料:

(1)水泥。采用貴州清鎮“海螺”水泥廠生產的P. O 42.5水泥。試驗結果表明，水泥的所測性能滿足現行標準GB 175-2007/XG1-2009《通用硅酸鹽水泥》規定的技術要求，活性較高，水泥的3 d水化熱為270 kJ/kg，7 d水化熱為314 kJ/kg。

(2)粗骨料。選用貴州照福砂石廠沉積巖碎石，公稱粒徑5～25 mm，連續級配，針片狀含量3.1 %，含泥量0.2 %，泥塊含量0.2 %，壓碎指標為7.3 %，堆積密度為1 500 kg/m3，表觀密度為2 620 kg/m3。

(3)細骨料。(山)砂含泥量為0.3 %，細度模數為2.7～2.9，石粉含量0.3 %，堆積密度為1 750 kg/m3。砂的性能滿足GB/T 14684-2011《建筑用砂》、DB 24016-2010《貴州省山砂混凝土技術規程》規定的Ⅱ類砂技術要求。

(4)粉煤灰。選用貴州金沙電廠“名川”粉煤灰。測試結果表明，所選粉煤灰的性能符合GB 1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》規定的II級灰技術要求。

(5)礦渣。S95級粒化高爐礦渣粉。

(6)減水劑。采用貴州中興南友建材有限公司生產的聚梭酸高性能減水劑，減水率26 %，固含量20.1 %,氯離子含量0.3 %，含氣量3.2 %，總堿含量9 %，密度1.06 g/cm3。

(7)抗裂劑。采用武漢三源生產的SY-T復合纖維膨脹抗裂劑(外摻8 %)。

4.2大體積混凝土配合比的優化設計

4.2.1混凝土配合比試配及確定

11#樓基礎筏板混凝土強度等級為C40，抗滲等級P10。配合比設計的思路：降低水泥用量，從而降低混凝土內部水化熱峰值；延緩水化熱的釋放速度，從而延遲熱峰值的出現；緩解凝固時間，避免施工過程中因凝結過快而出現冷縫；添加合適的外加劑，提高混凝土的抗裂能力。

本工程確定以混凝土60 d強度作為強度評定的依據，初期共擬定7個配合比在實驗室進行試配。通過理論溫度和應力計算，以及混凝土工作性能指標檢測和試件強度檢測等手段，確定出最優配合比(表1)。最后通過更加細致準確的理論分析和現場足尺模型試驗，對初步選定的最優配合比進行分析和調整，確定出最終配合比(表2)。

表1　最優配合比　kg/m3

表2　最終配合比　kg/m3

4.3溫度場有限元分析

配合比確定后，建立一個足尺模型。一是通過有限元軟件邁達斯對大體積混凝土溫度場進行仿真模擬，可以較為準確地判斷出其內部溫度峰值出現的時間和部位，同時可以分析布設冷凝水管后大體積混凝土內部的降溫情況及冷凝管的降溫半徑，進而對混凝土內冷凝管的布置方式進行優化；二是在現場進行足尺模型混凝土澆筑試驗，試驗模型的施工原材料、配合比及現場外部環境均按照基礎混凝土的要求進行真實模擬，澆筑混凝土后，對混凝土溫度、應變進行監測，并繪制出溫度變化曲線及應力變化曲線，為后續基礎大體積混凝土的澆筑提供依據。

足尺模型尺寸長×寬×高為4.5 m×4.5 m×4.3 m。根據足尺模型具有對稱性這一特性，為更高效、快速地對模型進行分析，并簡潔、直觀地反映內部溫度分布狀況及應力的變化情況，故選用1/4尺寸的足尺模型進行分析(圖1)。

圖1　足尺模型溫度場有限元分析模型(1/4模型)

通過采用有限元軟件進行分析，可得到不同時間段的溫度云圖，還可以通過對比直觀地反映出布設冷凝水管后混凝土內部溫度的變化情況。現以混凝土澆筑后30 h和100 h的溫度云圖為例進行比較說明(圖2～圖5)。

圖2　30 h時混凝土內部溫度云圖

圖3　布置冷凝水管通水后30 h混凝土內部溫度云圖

圖4　100 h時混凝土內部溫度云圖

圖5　布置冷凝水管通水后100 h混凝土內部溫度云圖

依據選定的配合比，通過軟件建立模型分析得知，混凝土內未布設冷凝水管時，最高溫度值為72.1℃，在澆筑后130 h左右出現；當布設冷凝水管時，最高溫度降低到51.5℃，降溫值可達到20.6℃，降溫效果顯著。

4.4足尺模型試驗

足尺模型試驗，一是通過較大方量的試拌檢測混凝土各方面的工作性能和力學性能是否符合預期；二是監測混凝土的溫度場變化是否與理論計算一致。

4.4.1工作性能和力學性能測定

對足尺模型澆筑混凝土的各項工作性能指標進行了檢測，檢測結果見表3。

表3　混凝土工作性能指標

通過對混凝土力學性能進行試驗，得知混凝土抗壓強度性能指標、28 d標準齡期抗滲強度均滿足要求，同時對混凝土7 d和28 d的彈性模量以及第3 d至第7 d的劈裂抗拉強度進行測定，結合實測應變值，與劈裂抗拉強度進行對比分析，力學性能指標見表4。

表4　混凝土力學性能指標　MPa

4.4.2混凝土溫度監測和保溫層保溫效果分析

通過監測得知足尺模型的內部最高溫度出現在澆筑后96 h，最高溫度為59.9℃，此時混凝土表面溫度為38.19℃，里表最大溫差為21.71℃，小于限值25℃。

保溫層為一層塑料薄膜、兩層麻袋和一層防水篷布。通過對測溫數據進行整理可知，保溫層的保溫性能穩定，保溫效果良好。

4.4.3內部冷卻水降溫效果分析

在混凝土降溫階段做了冷凝水降溫效果的相關實驗。經測定在通水前，混凝土內平均降溫速率為0.070 ℃/h，通水后混凝土平均降溫速為率0.095 ℃/h。通過對比可知內部通水后將降溫速率提高了0.025 ℃/h，效果較明顯。

5現場施工組織

5.1施工準備

5.1.1商品混凝土站選擇及機具準備

為保證商品混凝土能及時運輸到施工現場，所選擇的混凝土公司的攪拌站距離施工現場路程較短且有充足的場地備料，同時另外聯系一家攪拌站輔助供應。

混凝土運輸車輛35輛，現場共設置5臺混凝土輸送泵，其中56 m臂架泵3臺、車載柴油泵2臺。同樣為應對混凝土澆筑過程中設備出現機械故障，另聯系1臺臂架泵、1臺車載泵及10輛混凝土運輸車作備用。

5.1.2布置冷凝水管

冷凝水管采用焊管，共布置兩道，第一道冷凝管距基礎頂1.50 m，第二道冷凝管距基礎底1.50 m，水平間距為1.5 m。

5.2澆筑要點

5.2.1澆筑順序

現場布置5臺泵車進行澆筑，其中3臺臂架泵、2臺車載泵。混凝土采用斜面分層、自西向東推移式進行連續澆筑，分層澆筑一次性澆筑厚度為500 mm，且上層混凝土應在下層混凝土初凝前進行澆筑，同時每臺泵車出料口設專人進行管理，避免產生冷縫。

5.2.2振搗要求

大體積混凝土采用插入式搗固棒進行振搗。振搗點按間距500 mm×500 mm矩形布置。振搗時，振搗棒采取快插慢拔的方式插入下一層混凝土50 mm，并且在混凝土初凝前進行二次振搗。二次振搗工藝對提高混凝土的抗裂性具有重要作用，能有效避免混凝土水平鋼筋下部產生的水份及空隙等，以此提高鋼筋與混凝土之間的凝聚力，降低混凝土內微裂的現象，提高混凝土的密實度，增強混凝土的抗壓強度。

5.3混凝土冷卻水降溫和溫度監測

從混凝土澆筑完成后便開始連續不間斷進行溫度監測。溫度監測采用無線通測溫系統進行監測，數據可通過計算機或手機登錄IP網址后進行查看。現場共布置18個數據采集點，每個數據采集點在不同高度共埋設5個溫度傳感器接頭(圖6、圖7)。

圖6　溫度傳感器平面布置

通過對現場大體積混凝土溫度進行實時監測，在通冷卻水的情況下，混凝土內部溫度最高值為66.7℃，出現在澆筑后98 h，表面溫度為41.8℃，里表溫差24.9℃，小于25℃，在控制范圍之內。揭去麻袋及塑料薄膜后，基礎表面無肉眼可觀性裂縫出現，大體積混凝土質量得到有效的控制。

圖7　溫度傳感器立面布置

6結束語

防止溫度裂縫的產生是保證大體積混凝土質量的關鍵，通過對溫度裂縫產生的原因進行分析，我們從原材料、配合比、溫控措施等方面做出有效的控制措施，并通過現場合理的施工組織，最終確保超高層筏板大體積混凝土施工質量。

參考文獻

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【中圖分類號】TU755.6+7

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2015-12-29