武漢某超高層建筑底板大體積混凝土施工技術(shù)

孔德勇

（武漢龍嘉房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，湖北 武漢 430050）

由于經(jīng)濟(jì)建設(shè)規(guī)模的迅速擴(kuò)大，建筑用地日趨緊張，工業(yè)與民用建筑正向著高、大、深和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。作為支撐上層建筑的底板基礎(chǔ)尺寸越來越大，一次連續(xù)澆筑混凝土方量記錄快速刷新。

GB50496-2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預(yù)計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土，稱之為大體積混凝土[1]。在高層與超高層建筑施工過程中，基礎(chǔ)底板的尺寸一般符合大體積混凝土的定義，為確保基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全，掌握并做好大體積混凝土施工要點(diǎn)尤為重要。

1 項目概況

武漢某大型商業(yè)綜合體項目，位于長江濱江地塊。總建筑面積約39萬m2，其中地上建筑面積27萬m2，地下建筑面積12萬m2，包括T1塔樓、T2塔樓及商業(yè)裙樓，其中T1塔建筑面積6.3萬m2，地上50層，建筑高度231m，T2塔建筑面積5.5萬m2，地上39層，建筑高度199.5m，見表1。

表1 建筑概況一覽表

裙樓部分為框架結(jié)構(gòu)，塔樓部分為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，建筑結(jié)構(gòu)安全等級二級，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級甲級，樁基礎(chǔ)設(shè)計等級甲級，地下室防水等級二級。其中T1塔樓為樁筏基礎(chǔ)，筏板厚度為2.8m、4.2m，局部9.7m、8.2m、5.8m、4.3m，混凝土澆筑量為8348m3，混凝土強(qiáng)度等級為C40，抗?jié)B等級為P8，符合規(guī)范對大體積混凝土的定義，需進(jìn)行專項管控。根據(jù)項目整體施工計劃，底板混凝土澆筑時間定為2022年1月10日，根據(jù)往年氣象資料統(tǒng)計，預(yù)計澆筑期間日平均氣溫為5℃。T1塔樓基礎(chǔ)剖面圖如圖1所示。

圖1 T1塔樓基礎(chǔ)剖面圖

2 大體積混凝土管控重點(diǎn)分析

大體積混凝土由于其體量大、施工困難，如施工技術(shù)質(zhì)量控制不善，易出現(xiàn)混凝土開裂質(zhì)量事故，開裂主要分為以下兩種情況。

2.1 升溫階段開裂

普通混凝土構(gòu)件由于其截面小，臨空面多，可以很好地對外釋放自身水化過程產(chǎn)生的熱量。但是大體積混凝土截面尺寸很大，上表面散熱條件好，熱量可向大氣迅速散發(fā)；而混凝土內(nèi)部由于散熱條件較差，水化熱聚集在內(nèi)部不易散失，因此產(chǎn)生內(nèi)外溫度差，形成內(nèi)約束，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土該齡期的抗拉強(qiáng)度時，混凝土表面就產(chǎn)生裂縫。根據(jù)大量工程實(shí)踐表明，混凝土內(nèi)部的最高溫度一般出現(xiàn)在混凝土澆筑后的最初4d～9d[2]。

2.2 降溫階段開裂

混凝土澆筑約7d～9d后，水泥水化熱基本釋放完成，混凝土溫度從最高值逐漸下降。混凝土降溫會引起混凝土一定的收縮，同時，由于混凝土中水分的蒸發(fā)也會引起混凝土體積收縮變形，由于受到地基和結(jié)構(gòu)邊界條件的約束不能自由變形，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的外部約束拉應(yīng)力。當(dāng)該拉應(yīng)力超過混凝土該齡期的抗拉強(qiáng)度時，則約束面開始向上開裂形成收縮裂縫。

2.3 病害防治原則

混凝土開裂輕則導(dǎo)致結(jié)構(gòu)底板漏滲水，影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，重則破壞了結(jié)構(gòu)的整體性，危及結(jié)構(gòu)安全，形成嚴(yán)重的質(zhì)量事故，應(yīng)重點(diǎn)預(yù)防。混凝土開裂的主要原因為水泥發(fā)生水化熱反應(yīng)，可以比喻為混凝土感冒發(fā)燒，需要進(jìn)行降溫治療，現(xiàn)行的主要手段有：強(qiáng)身健體最關(guān)鍵，輔以外敷、輸液治療等。

2.3.1 強(qiáng)身健體

水化熱是水泥中硅酸三鈣、硅酸二鈣與水產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成水化硅酸鈣(C-S-H凝膠)和氫氧化鈣，過程中釋放的熱量。混凝土的絕熱溫升值與水泥材料用量成正比，選用低水化熱的水泥，通過大體積混凝土配合比專項設(shè)計，降低水泥及水用量，可以有效降低水化熱；另一方面通過增加混凝土抗裂鋼筋，也是預(yù)防混凝土開裂的有效有段。

2.3.2 外敷治療

僅僅是水化熱導(dǎo)致混凝土溫度上升并不能直接引起開裂，大體積混凝土內(nèi)外溫差過大引起的溫度應(yīng)力大于混凝土自身的抗拉強(qiáng)度，才是導(dǎo)致開裂的直接原因。通過在混凝土外表覆蓋一定厚度的保溫材料，確保混凝土內(nèi)外溫差在一定的范圍內(nèi)，可以有效預(yù)防大體積混凝土開裂。

2.3.3 輸液治療

如果通過配合比設(shè)計、保溫覆蓋仍無法解決混凝土溫差過大問題，就必須進(jìn)行輸液治療，即通過熱力計算，在混凝土內(nèi)部敷設(shè)一定間距的循環(huán)水管，通過循環(huán)水將混凝土內(nèi)部的熱量帶出，降低中心區(qū)域的溫度，防止過高溫差的出現(xiàn)。此方法的措施投入及管理成本較高，在民用建筑的大體積混凝土溫控措施中并不常用[3]。

2.4 大體積混凝土施工組織管理

為做好大體積混凝土管理，應(yīng)成立由建設(shè)單位、監(jiān)理單位、總承包單位組成的管控小組，編制并審核大體積混凝土施工方案，考察商品混凝土攪拌站的供應(yīng)能力、運(yùn)輸能力，并經(jīng)試配確定大體積混凝土專項配合比。

在大體積混凝土施工方案中，應(yīng)制訂應(yīng)急預(yù)案，備有應(yīng)急保溫材料，如測溫發(fā)現(xiàn)溫差持續(xù)增大，危及結(jié)構(gòu)安全時，應(yīng)采用“外敷”即增加表面保溫層厚度，減小表面熱量散發(fā)速度。

為確保連續(xù)澆筑，應(yīng)選擇在合適的天氣開盤，提前制訂場內(nèi)外交通臨時疏導(dǎo)方案，施工現(xiàn)場供水、供電應(yīng)滿足混凝土連續(xù)施工需要，并自備發(fā)電機(jī)。

3 配合比設(shè)計

3.1 配合比設(shè)計原則

本項目大體積混凝土配合比設(shè)計，除應(yīng)符合行業(yè)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)JGJ55《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定外，尚應(yīng)符合下列規(guī)定[4]：當(dāng)采用混凝土60d或90d強(qiáng)度驗收指標(biāo)時，應(yīng)將其作為混凝土配合比的設(shè)計依據(jù)；混凝土拌合物的坍落度不宜大于180mm；拌和水用量不宜大于170kg/m3；粉煤灰摻量不宜大于膠凝材料用量的50%，礦渣粉摻量不宜大于膠凝材料用量的40%，粉煤灰和礦渣粉摻量總和不宜大于膠凝材料用量的50%；水膠比不宜大于0.45；砂率宜為38%～45%。

3.2 材料選擇

本項目水泥選用華新42.5級普通硅酸鹽水泥，拌合用水采用普通自來水，骨料選擇鄂州產(chǎn)中砂、5mm～25mm碎石。粉煤灰采用武漢青山電廠II級粉煤灰，礦粉選用湖北金盛蘭S95級礦粉，外加劑選用中建西部標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸高性能減水劑。

3.3 配合比試配

經(jīng)設(shè)計同意，本項目采用混凝土60d強(qiáng)度作為驗收指標(biāo)，可以增加粉煤灰與礦粉用量，降低水泥用量。經(jīng)組織攪拌站廠家配合比試驗，對水化熱、泌水率、可泵性等對大體積混凝土控制裂縫所需要的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行試驗，得出的試配結(jié)果詳見表2。

表2 配合比

經(jīng)過攪拌站試配生產(chǎn)總結(jié)，該配合比的混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律詳見表3。

表3 混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

經(jīng)過攪拌站試配生產(chǎn)總結(jié)，該配合比的混凝土坍落度損失情況詳見表4。

表4 混凝土坍落度損失

3.4 混凝土拌合物溫度計算

式中T0-混凝土的拌和物溫度，℃；

M-凝土組成材料的重量，kg；

C-混凝土組成材料的比熱，kJ(kg·K)-1；

Ti-混凝土組成材料溫度，℃。

計算結(jié)果：混凝土拌合物溫度T0=15.6℃。

3.5 混凝土拌合物出機(jī)溫度計算

式中T1-混凝土的拌和物出機(jī)溫度，℃；

TP-攪拌機(jī)樓內(nèi)溫度，℃，取15℃

計算結(jié)果：混凝土拌合物出機(jī)溫度T1=15.5℃。

3.6 混凝土澆筑溫度計算

式中T2-混凝土澆筑溫度，℃；

T1-混凝土出機(jī)溫度，℃；

Ta-環(huán)境平均氣溫，℃；取5℃。

a-溫度損失系數(shù)，采用混凝土攪拌車運(yùn)輸時a=0.25；

t-混凝土拌合物運(yùn)輸時間，h，取1h；

n-混凝土拌合物運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)，取1次。

計算結(jié)果：混凝土出泵溫度T2=10.6℃

以上為混凝土拌合物溫度和澆筑溫度的近似計算值，目的在于：①有利于初步了解不同環(huán)境溫度下混凝土拌合物溫度和澆筑溫度情況；②施工時，以實(shí)際測量溫度為準(zhǔn)，與計算值相比較，以便能夠及時預(yù)判并對原材料采取有效的控溫措施。

3.7 混凝土絕熱溫升計算

絕熱溫升計算過程：水泥水化熱檢測，按照《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》計算絕熱溫升。經(jīng)國家水泥中心檢測，水泥水化熱測試結(jié)果如表5所示。

表5 水泥水化熱檢測結(jié)果/kJ/kg

絕熱溫升計算公式：

式中T(t)-混凝土齡期為t時的絕熱溫升，℃；

W-每m3混凝土的膠凝材料用量，kg/m3；

C-混凝土的比熱，一般為0.92kJ/(kg.℃)～1.0kJ/(kg.℃)，取0.97；

ρ-混凝土的重力密度，2350kg/m3～2500kg/m3，取2370kg/m3；

m-與水泥品種、澆筑溫度等有關(guān)的系數(shù)一般為0.3(d-1)～0.5(d-1)，取0.318；

t-混凝土齡期，d。

計算結(jié)果：

混凝土3d時的絕熱溫升T3=28.3℃；

混凝土7d時的絕熱溫升T7=39.2℃；

混凝土9d時的絕熱溫升T9=43.4℃。

3.8 混凝土中心溫度計算

式中T(h)-t齡期混凝土中心計算溫度，℃；

Tj-混凝土澆注溫度，℃，取10.6℃；

T(t)-混凝土絕熱溫升，℃；

ξ(t)-t齡期降溫系數(shù)，由于該筏板厚度主要為2.8m、4.2m，查得降溫系數(shù)取為3d時0.74，6d時0.73，9d時0.72。

計算結(jié)果：

3d時混凝土中心溫度T（3）=31.6℃；

7d時混凝土中心溫度T（6）=40.2℃；

9d時混凝土中心溫度T（9）=41.9℃。

日平均氣溫為5℃，內(nèi)部溫度為41.9℃，因此在澆筑過程中需要采取保溫措施，避免內(nèi)外溫差過大。

3.9 保溫層厚度計算

擬用保溫棉保溫，其導(dǎo)熱系數(shù)0.03W/（m.k），屬于不易透風(fēng)的保溫材料，通過計算筏板基礎(chǔ)（4.8m厚）保溫層厚度為1.1cm，筏板基礎(chǔ)（3.75m厚）保溫層厚度為1.0cm，筏板基礎(chǔ)（2.8m厚）保溫層厚度為0.8cm，筏板基礎(chǔ)（10.65m厚）保溫層厚度為2.6cm。

4 現(xiàn)場施工組織

4.1 供應(yīng)能力計算

大體積混凝土供應(yīng)能力應(yīng)滿足混凝土連續(xù)施工需要，不宜低于單位時間所需量的1.2倍，商品混凝土站要提前備足材料，并有備用站應(yīng)急，本項目商品混凝土站選擇詳見表6，A站為混凝土供應(yīng)站，B站備用。

表6 商品混凝土站信息

4.2 澆筑能力計算

通過計算，現(xiàn)場放置2臺地泵，1臺天泵，每小時澆筑能力150m3，可確保3d內(nèi)澆筑完成，55臺罐車可滿足現(xiàn)場連續(xù)澆筑要求。

4.3 澆筑順序選擇

采用全斜面分層的方式進(jìn)行澆筑，由深及淺，從中間向兩端推進(jìn)，單層最大澆筑面積56.4×36.2/cos10°=2083m2，分層厚度0.5m，單層澆筑方量為2083×0.5=1041.5m3，混凝土初凝時間為8h，初凝前可澆筑完成150×8=1200m3，滿足規(guī)范要求[5]。澆筑順序詳見圖2所示。

圖2 澆筑順序示意

T1塔自2022年1月10日凌晨1點(diǎn)開工，至2022年1月12日下午4點(diǎn)澆筑完成，連續(xù)澆筑63h，之后進(jìn)入養(yǎng)護(hù)及測溫階段。

5 養(yǎng)護(hù)、測溫管理

養(yǎng)護(hù)、測溫是大體積混凝土施工中的一項十分關(guān)鍵的工作，通過控制混凝土內(nèi)外溫差和溫度陡降以防止混凝土發(fā)生溫度裂縫。本工程大體積混凝土保溫層采用塑料薄膜+保溫棉的組合方式。

T1塔底板共布置17個測溫點(diǎn)，具體布置詳見圖3所示。現(xiàn)場使用便攜式建筑電子測溫儀測定，每天安排專人進(jìn)行測量及記錄，每晝夜不少于4次，發(fā)現(xiàn)異常及時匯報，以便及時采取應(yīng)急措施。

圖3 底板測溫點(diǎn)布置

2022年1月12日澆筑完成后，現(xiàn)場鋪設(shè)保溫材料，并開始測溫，中心溫度最高峰值出現(xiàn)在1月18日16時，實(shí)測溫度為48.5℃，詳見圖4所示，然后中心溫度開始回落，內(nèi)外溫差保持小于25℃；2022年1月30日，養(yǎng)護(hù)結(jié)束，現(xiàn)場停止測溫并開始拆除保溫層。大體積混凝土管控結(jié)束。

圖4 中心最高溫度

6 結(jié)語

（1）T1塔到達(dá)齡期后，標(biāo)養(yǎng)試塊、同條件試塊試壓合格；底板未觀測到可見裂縫，大體積混凝土施工管理達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)；

（2）大體積混凝土配合比設(shè)計應(yīng)遵循“321”原則，3低（低砂率、低坍落度、低水膠比），2摻（摻高效減水劑和高性能引氣劑），1高（高粉煤灰摻量），增強(qiáng)混凝土自身抗水化熱能力，強(qiáng)身健體最關(guān)鍵；

（3）本項目計算混凝土中心最高溫度為澆筑后第9天，41.9℃，實(shí)測中心最高溫度出現(xiàn)在澆筑后第6天，48.5℃，簡化計算模型與實(shí)測存在一定偏差，對于厚度4m以上的大體積混凝土建議采用有限元法進(jìn)行溫度計算，以提高計算精度。