北京新機場大體積混凝土底板溫度監測與分析研究*

程欣榮，蘇振華，謝文東，張顯達，劉漢朝

(北京城建集團，北京 100088)

1 工程概況

北京新機場(核心區)建筑面積約60萬m2，單層最大面積約18萬m2，主體結構基礎工程的超大基坑(面積約400m×500m)居世界第一，底板厚2.5m，且不設施工縫，混凝土筏板留置后澆帶，帶間混凝土板寬30～50m，屬于大體積混凝土結構。為有效控制溫度裂縫，監測底板溫度變化情況，選取一段底板進行混凝土溫度應變監測試驗用于指導施工。本文僅討論底板混凝土溫度變化規律。

1.1 結構形式與混凝土配合比設計

新機場軌道深槽區地下2層標高-18.250m，層高11.55m，自西向東依次為京霸鐵路、城鐵新機場快線、城鐵R4線、城鐵預留線、廊涿城際軌道隧道，新機場空間平面投影如圖1所示。采用樁筏基礎，筏板厚2.5m(局部1.8m)，柱下布設抗壓樁與抗拔樁，樁徑1.0m，有效樁長不小于55.0m。

底板混凝土為C40，抗滲等級P10，采用粉煤灰和礦粉雙摻，總摻量不大于膠凝材料的50%，粉煤灰等級不低于Ⅱ級，優先使用Ⅰ級，礦粉等級為S95。粗骨料連續級配控制在5.0～31.5mm，含泥量≤1%，泥塊含量≤0.5%;細骨料采用天然砂，含泥量控制在1.0% ～1.5%，泥塊含量≤1%，級配為中粗砂，細度模數2.8，平均粒徑0.38mm;減水劑采用緩凝性聚羧酸。總膠凝材料3d的水化熱不大于240kJ/kg，混凝土配合比參數如表1所示。

圖1 新機場空間平面投影

1.2 混凝土澆筑及養護

澆筑工作由下層端部開始逐層上移，每層厚度控制在600mm，通過標尺桿進行控制。澆筑時，要在下一層混凝土初凝之前澆搗上一層混凝土并插入下層混凝土100mm，以避免上下層混凝土之間產生冷縫，同時采取二次振搗法保持良好接茬，提高混凝土密實度。

基礎大體積混凝土裸露表面應采用覆蓋養護方式;當混凝土澆筑體表面以內40～100mm位置的溫度與環境溫度差值小于25℃時，可結束覆蓋養護。覆蓋養護結束但尚未達到養護時間要求時，可采用灑水養護方式直至養護結束。

2 試驗安排

2.1 流水段選取

底板流水段選取原則：①試驗段區域所用混凝土類型及特點;②試驗段區域方便試驗儀器的布設及后期監測;③試驗段區域底板混凝土連續，不含廢水池和排水溝;④試驗段區域形狀規則。

根據以上原則選定4-B2-1作為試驗區域，區域內有一段結構空間，后期無使用功能，可長期進行試驗記錄，試驗流水段為邊長47m的近似正方形區域，混凝土澆筑時間為2016年6月5日夜間到6月7日21點，流水段位置如圖2所示。

表1 混凝土配合比kg/m3

圖2 流水段位置

2.2 試驗儀器選擇及監測測點布置

本試驗采用振弦式埋入式應變計，能同時采集溫度和應變數據。測點沿東西向共布置29個監測斷面，包括3層測點、2層測點、2層正交測點及1個無應力計共計72支溫度監測儀(見圖3，);根據空間分布規律，本文選擇第3，9，15，21，27 號5 個3 層斷面共計15個溫度監測儀監測數據，作為主要分析依據進行底板大體積混凝土溫度分析，測點與監測儀編號對應關系如圖4所示。

圖3 溫度監測儀縱向布置

3 測溫結果與分析

3.1 大體積混凝土整體溫度變化規律

圖4 測點斷面布置

以第15號斷面為例，上、中、下監測數據與大氣溫度從混凝土澆筑開始至2017年12月31日近7個月的測溫結果對比如圖5所示。從圖中可以看出，底板溫度時程圖整體分為3個階段：第一散熱階段、持平階段和第二散熱階段。第一散熱階段在齡期28d之前，由于混凝土水化熱的產生，底板混凝土整體溫度高于環境溫度，熱量從高溫混凝土向低溫處快速傳遞;持平階段從齡期28d前后開始，至齡期140d前后結束，在這一階段，底板混凝土溫度基本與環境溫度持平，在晝夜溫差交替，即隨著氣溫下降，底板混凝土溫度緩慢降溫;第二降溫階段從齡期140d開始，環境溫度開始逐漸低于5℃，進入冬施階段，這個階段由于氣溫驟降，混凝土內部散熱慢，整體溫度略高于環境階段，熱量從混凝土內部向四周傳遞。

圖5 15號測點與大氣溫度7個月對比

3.2 各斷面溫度時程變化規律

因第一散熱階段混凝土溫度經歷了快速溫升及降溫，選取3，9，15，21，27 號5 個斷面沿板厚方向溫度變化規律，混凝土澆筑入模溫度在25℃左右，各斷面上層溫度受環境溫度影響變化幅度較大，在齡期2～3d前后達到溫升峰值，在55～60℃，溫升幅度為30℃左右，隨后因為散熱快，降溫速度也較快，在12d左右降溫曲線開始平緩;中間層因為距離上下表面都比較遠，散熱慢，容易聚集熱量，在齡期2～3d達到溫升峰值，最高70℃左右，溫升幅度在45℃左右，滿足規范要求，而降溫階段曲線與上層降溫曲線相比較為平滑;底層測溫點溫升峰值在55～60℃，雖與地基接觸，但與上表面距離最遠，散熱最慢，降溫階段曲線最為平緩，底層溫度曲線與中間層溫度曲線在12～24d前后交匯，這一階段底板下部溫度基本一致，隨后中間層溫度曲線逐漸低于底層。無應力組布置在底板中部，從各測點中層溫度曲線與無應力計溫度曲線對比來看，由于澆筑順序的不同，不同位置溫升峰值到達時刻基本與澆筑順序一致，為從西至東(3→27號)。

3.3 各層沿板長方向溫度變化

試驗段混凝土體積大，散熱不均勻，需監測上、中、下各層測點不同齡期沿板長、深度方向溫度變化。由不同齡期沿板長方向溫度變化曲線，各層在齡期為3d時達到溫升峰值，上層在齡期3，7，14d及底層在齡期3，7d曲線不平滑，而中間層受環境溫度影響小各齡期溫度變化曲線基本平滑;中間層以及底層溫度變化曲線在邊側略低于中部，最大溫差為5℃左右，出現在底層14d外側;通過分析不同齡期沿深度方向溫度變化曲線，沿深度呈拋物線，中部高于上層和底層，在中間層齡期7d時溫差最大為21℃，滿足規范要求。

3.4 各層降溫速率

各層最大降溫速率統計如圖6所示，由于上層混凝土離結構邊緣較近，受環境溫度影響最大，降溫速率波動較大，降溫速率峰值為6.5℃/d，出現在4d前后，此外在齡期18，22d前后均出現急速降溫(見圖6箭頭指示)，這些齡期期間北京均出現強降雨或連續降雨，故混凝土降溫速率陡增。在GB/T 51028—2015《大體積混凝土溫度測控技術規范》條文說明中對降溫速率進行了詳細解釋：“有時，如果按照24h的溫度變化，可能會在某一時間段內混凝土的降溫速率過大，因此還規定了4h之內的降溫速率不應大于1.0℃”，該底板顯然滿足該規范要求;中間層降溫速率曲線介于表層和底層之間，降溫速率在5～12d期間略高于2.0℃/d;底層降溫速率較穩定，整體低于1℃/d。各層降溫峰值從上至下逐漸推遲，降溫速率總體滿足規范要求。

圖6 各層最大降溫速率時程

3.5 溫差

GB50496—2012《大體積混凝土施工規范》中規定，當混凝土的表面溫度與環境最大溫差小于20℃時，可全部拆除保溫覆蓋層，根據混凝土表面與環境最大溫差可知，在14d開始溫差開始小于20℃，可拆除保溫覆蓋。

《大體積混凝土溫度測控技術規范》及 GB 50666—2011《混凝土結構工程施工規范》要求混凝土表里溫差控制在25℃以內，根據混凝土表面與環境最大溫差曲線，在澆筑初期大量放熱(12d)后滿足該條件。混凝土測溫停止監測時間不同規范有不同要求，《大體積混凝土溫度測控技術規范》要求“當混凝土的內部最高溫度與環境溫度之差連續3d小于25℃時，且降溫速率小于2℃/d，表里溫差小于25℃，即可停止測溫作業?！盙B/T51025—2016《超大面積混凝土地面無縫施工技術規范》要求“混凝土結構中心位置與環境溫度差值小于20℃時，可以停止測溫”。底板大體積混凝土最高溫出現在中間層，在28d后基本滿足規范要求，可停止測溫。

4 結語

北京新機場航站樓(核心區)選取2.5m厚底板4-B2-1流水段進行大體積混凝土溫度監測試驗，最終得到以下結論。

1)底板大體積混凝土溫度在齡期28d之前為急速升溫降溫階段，28～140d混凝土溫度與環境溫度基本持平，140d后進入冬施二次散熱階段。

2)混凝土澆筑體整體入模溫度為25℃左右，滿足規范要求。在齡期3d前后達到溫升峰值，上層和底層溫升峰值約為57℃，溫升幅度32℃;中間層溫升峰值約為70℃，溫升幅度約45℃，滿足規范要求，說明施工混凝土配合比科學合理。

3)由于混凝土底板中心距離邊側距離較遠，容易聚集熱量，散熱較慢，中部混凝土溫度高于邊側，具體為：同一高度處溫度變化不大，整體邊側低于中部，最大溫差為5℃左右，滿足規范要求;底板同一縱截面處中間層溫度高于上層和底層，齡期28d內溫度沿深度呈拋物線分布，沿深度相鄰測點最大溫差為21℃，滿足規范要求;混凝土降溫速率滿足《大體積混凝土溫度測控技術規范》要求的2℃/d或1℃ /4h。

4)北京新機場依據溫度監測結果，在澆筑齡期14d之后表層與環境溫度差值小于25℃，可拆除全部覆蓋保溫;在澆筑齡期28d以后，混凝土表里溫差、混凝土中心最高溫與環境溫度差值均滿足規范要求，可停止測溫。

參考文獻：

［1］大體積混凝土施工規范：GB50496—2012［S］.北京：中國計劃出版社，2009.

［2］嚴淑敏.大體積混凝土基礎底板溫度裂縫控制技術［D］.杭州：浙江大學，2007.

［3］陜西省建筑科學研究院，廣州富利建筑安裝工程有限公司.大體積混凝土溫度測控技術規范：GB/T51028—2015［S］.北京：中國建筑工業出版社，2015.

［4］中建五局第三建設有限公司，重慶大學.超大面積混凝土地面無縫施工技術規范：GB/T51025—2016［S］.北京：中國計劃出版社，2016.

［5］中國建筑科學研究院.混凝土結構工程施工規范：GB50666—2011［S］.北京：中國建筑工業出版社，2011.