溫度預(yù)控技術(shù)體系在超大體積混凝土筏板施工中的應(yīng)用

趙世冉，宋心，王歡，穆文芳，賈世偉，包貴安，周帥平

（1. 陜西秦漢恒盛新型建材科技股份有限公司，陜西 西咸新區(qū) 712000；2. 陜西恒盛集團新材料研究中心，陜西 西咸新區(qū) 712000）

0 引言

中國國際絲路中心項目位于陜西省西咸新區(qū)中央商務(wù)區(qū)，占地 894 畝，總投資 400 億元，主要建設(shè)國際會議中心、五星級酒店、高端商業(yè)百貨等多種業(yè)態(tài)。其中，5A 級寫字樓高 489m，建成后將成為西部地區(qū)最高建筑。該工程主樓區(qū)域地下 4 層，筏板面積約7900m2，塔樓筏板的厚度為 5m，電梯井最深位置筏板厚度為 6.3m，混凝土澆筑總方量約 31000m3。

該項目的筏板施工是西部地區(qū)體量最大的一次超大體積混凝土施工，根據(jù)工期安排，施工單位要求 50 個小時連續(xù)不間斷施工，并且混凝土作業(yè)面最大落差超10m，不僅對混凝土內(nèi)部水化熱的控制提出了很高的要求，也對混凝土拌合物的和易性和抗離析性提出了嚴(yán)格的要求[1,2]。為了降低施工過程中的水化熱和水化溫差，減少溫度裂縫的產(chǎn)生幾率，課題組結(jié)合同類型工程施工經(jīng)驗，組建了超大體積混凝土生產(chǎn)施工技術(shù)團隊，采用了包含大體積混凝土配合比設(shè)計、膠凝材料水化熱試驗、ANSYS 溫度模擬、大體積混凝土溫升實時監(jiān)測等手段為一體的溫度預(yù)控技術(shù)體系，保障了大體積混凝土筏板的順利施工。

1 大體積混凝土配合比設(shè)計

為降低大體積混凝土水化過程中的絕熱溫升，混凝土的配合比應(yīng)在控制膠凝材料總量、保持混凝土良好和易性的前提下，提高摻合料摻量，降低水泥用量。但是摻合料的種類和摻量必須通過前期的試驗來確定[3,4]。課題組分別將粉煤灰與礦粉以單摻和復(fù)摻的方式替代水泥，進行了系統(tǒng)的混凝土物理力學(xué)性能試驗（結(jié)果見圖1、2），其中單摻采用等量取代水泥法，取代率依次為10%、20%、30%、40%；復(fù)摻將摻合料總摻量分別設(shè)置為 30%、40%、50% 進行對比試驗，其中粉煤灰和礦粉的比例分別設(shè)為 1∶2（a）、1∶1（b）、2∶1（c）。

圖1 單摻粉煤灰/礦粉抗壓強度

通過試驗對比了不同摻合料摻量下混凝土 1h 和 2h的坍落擴展度，結(jié)果表明無論是采用單摻還是復(fù)摻，混凝土的坍落度和擴展度在 1～2 小時內(nèi)變化不大，混凝土和易性均良好，這與該項目大體積混凝土原材料砂、石、水泥、外加劑等采用了專料專供的方式有關(guān)，表明優(yōu)質(zhì)與穩(wěn)定的原材料，能夠擴大摻合料的摻量范圍，從而最大限度的降低混凝土的絕熱溫升。為確定摻合料的摻量，試驗對比了不同摻合料摻量下混凝土的 7d、28d 抗壓強度，由圖 1 單摻粉煤灰和礦粉的試驗結(jié)果可以看出，單摻礦粉的混凝土 7d 和 28d抗壓強度均高于單摻粉煤灰的，表明礦粉相較于粉煤灰更能提高混凝土的抗壓強度。隨著摻量的增加，單摻粉煤灰的混凝土抗壓強度整體呈現(xiàn)出先增長后降低的趨勢，當(dāng)粉煤灰摻量為 30% 時，抗壓強度達到最大值；單摻礦粉的混凝土抗壓強度隨摻量的增加，7d 強度呈現(xiàn)下降的趨勢，但摻量在 20% 的時候，28d 強度略有提高。從圖 2 復(fù)摻粉煤灰和礦粉的試驗結(jié)果可以看出，隨著總摻量的增加，混凝土的 7d、28d 抗壓強度均呈現(xiàn)降低的趨勢。當(dāng)總摻量為 30%，且粉煤灰與礦粉之比為1∶2 時（a1），混凝土的抗壓強度達到最大值。

圖2 復(fù)摻粉煤灰和礦粉抗壓強度

2 膠凝材料水化熱試驗

為準(zhǔn)確掌握摻合料摻量對混凝土水化熱的影響，課題組以礦粉、粉煤灰單摻和復(fù)摻的膠凝材料體系水化放熱為試驗組，以相應(yīng)純水泥水化放熱作為參照組進行了水化熱和水化熱放熱速率試驗，如圖 3、圖 4 所示。

圖3 各膠凝體系水化熱

圖4 各膠凝體系水化熱放熱速率

從圖 3 和圖 4 可以看出，在膠凝材料總量不變的情況下，單摻或復(fù)摻粉煤灰和礦粉均能降低膠凝材料的水化熱和水化熱放熱速率，且復(fù)摻時降低效果最明顯。其中，單摻 30% 粉煤灰的膠凝材料各齡期水化熱明顯低于單摻 30% 礦粉的，這是因為相對于礦粉，粉煤灰的火山灰反應(yīng)遲緩，在相同的替代量下，可大大降低膠凝材料的水化熱。因此，混凝土的配合比應(yīng)采用粉煤灰和礦粉復(fù)摻的方式，同時礦粉摻量應(yīng)低于粉煤灰摻量。

3 大體積混凝土溫度場模擬

大體積筏板混凝土內(nèi)部的溫度變化是隨著膠凝材料的水化而逐漸提高的，為預(yù)測水化熱的變化對筏板溫度應(yīng)力場的影響，課題組假設(shè)大體積筏板混凝土除上表面外其余面為固定約束，并設(shè)定了相應(yīng)參數(shù)，采用ANSYS 軟件進行了溫度場模擬，如圖 5 所示。

由圖 5 可知：大體積筏板混凝土水化熱溫度從20℃ 提高到 62℃，混凝土的總變形量、等效應(yīng)力和等效應(yīng)變均呈現(xiàn)出增大的趨勢，水化熱對溫度應(yīng)力的最大值影響比較大。由于混凝土材料的不均勻性，經(jīng)過一段時間水泥水化之后，在混凝土的內(nèi)部逐漸形成了較為明顯的溫度分布，即溫度場。從溫度場的分布圖可以看出，溫度的等值線一般呈圈狀分布。隨著混凝土水化程度的衰減，最終在混凝土的內(nèi)部形成較為明顯的高溫集中區(qū)。由計算可知，混凝土的內(nèi)部最高溫度可以達62℃，此時溫度應(yīng)力最大，在不考慮鋼筋的作用下，水化熱溫升溫度達到最高溫度時，由溫度引起的混凝土表面的溫度應(yīng)力為 13.385MPa，而在實際施工中混凝土中密集的鋼筋能充分減少應(yīng)力集中，從而降低溫度應(yīng)力，有效防止表面溫差裂縫的發(fā)生。

圖5 各溫度下的溫度應(yīng)力場云圖

4 大體積混凝土溫升實時監(jiān)測

為了準(zhǔn)確掌握施工過程中大體積混凝土筏板的內(nèi)部溫度情況，課題組結(jié)合配合比設(shè)計、水化熱試驗以及溫度場模擬的試驗結(jié)果，在大體積筏板混凝土內(nèi)部布置了多個測溫點，采用溫度傳感器進行內(nèi)部溫度變化實時監(jiān)測，本文選取其中三個測點進行輔助分析，如圖 6 所示。

圖6 部分大體積筏板混凝土溫度—時間變化曲線

由圖 6 可知，大體積筏板混凝土施工時的最高絕熱溫升值為 62℃ 左右，隨著施工的進行，最高溫升值會逐漸降低。在此過程中應(yīng)加強混凝土的測溫和監(jiān)測工作，同時要做好已澆筑完成的混凝土表面的保溫養(yǎng)護工作，確保混凝土的內(nèi)部溫度與表面溫度差在 25℃ 以內(nèi)，防止溫度應(yīng)力裂縫的產(chǎn)生。

實踐證明，經(jīng)過配合比設(shè)計、水化熱試驗確定的混凝土配合比，結(jié)合施工前的溫差模擬，能夠使以往難以控制的大體積混凝土內(nèi)部溫升變得可控，有效保證施工質(zhì)量。

5 結(jié)語

大體積混凝土筏板施工的溫度控制技術(shù)對于降低混凝土內(nèi)部溫度裂縫的產(chǎn)生幾率，提高施工水平尤其是超高層建筑的施工技術(shù)水平具有重要意義[5,6]。因此，廣大施工技術(shù)人員應(yīng)加強對大體積混凝土施工中的重點、難點的認(rèn)識，通過實施大體積混凝土配合比設(shè)計、膠凝材料水化熱試驗以及大體積混凝土內(nèi)部溫度場模擬和施工中的溫升實時監(jiān)測為一體的溫度預(yù)控技術(shù)體系，能夠更好的提高工程質(zhì)量和施工效率，具有推廣意義。