某超高層建筑大體積混凝土基礎溫度裂縫控制研究

汪能亮

（浙江省建工集團有限責任公司，杭州 310012）

1 工程概況

該項目位于杭州市余杭區，含2 棟200 m 超高雙子塔，現澆鋼筋混凝土結構，總面積185 485 m2，地下3 層。單個基礎面積約2 500 m2，混凝土方量約15 000 m3，筏板厚度3.3～8 m不等。如圖1 所示。該筏板混凝土強度等級C40，抗滲等級P8；該基礎采用42.5 普通硅酸鹽水泥，摻量300 kg/m3，粉煤灰摻量40 kg/m3，其余材料摻量論文不再詳述。

圖1 某超高層項目筏板基礎剖面圖

2 需研究及解決的問題

為規避溫度裂縫，需解決以下幾方面問題：

1）對混凝土拌和物入模溫度T0進行控制，避免混凝土內部溫度過高；

2）對混凝土內部溫升值Tmax進行模擬計算，并采取措施控制內部溫升值，避免其與入模溫度疊加引起內部與表面溫差過大，從而導致裂縫產生；

3）對混凝土表面保溫層材料進行選擇，并計算確定其保溫厚度δi，避免里表溫差過大。

3 混凝土溫度及保溫計算

3.1 混凝土內部絕熱溫升值計算

本工程大體積混凝土基礎四周均被防水材料、磚胎膜和地基土包圍，若不考慮基礎四周的散熱和熱損失條件，即水泥水化熱全部轉化為溫升后的溫度值，則混凝土的水化熱絕對溫升值可按式（1）和式（2）計算。

式中，Tmax為混凝土最大絕熱溫升值，℃；T(t)為澆完一段時間t，混凝土的絕熱溫升值，℃；mc為混凝土的膠凝材料用量，根據配合比，取300 kg/m3；C為混凝土比熱，取0.96 kJ/（kg·℃）；ρ為混凝土的密度，取2 400 kg/m3；e為常數，取2.718；m為與水泥品種、澆筑溫度等相關的系數；t為混凝土齡期，d；Q為水泥水化熱總量，kJ/kg，42.5 普通硅酸鹽水泥28 d 水化熱量為375 kJ/kg；F為混凝土中粉煤灰摻量，根據配合比，取40 kg/m3。

本項目計劃4 月上旬開始澆搗混凝土。根據往年歷史天氣記錄，杭州5 月上旬平均溫度為20 ℃，m值取0.362[1]。根據式（1），可計算不同齡期的水熱溫升值。

3.2 混凝土內部實際最高溫升值計算

實際大體積混凝土并非完全處于絕熱狀態，而是處于散熱條件下，溫升值比按絕熱態計算要小。不同澆筑塊厚度與混凝土的絕熱溫升亦有密切關系，混凝土塊厚度越小，散熱越快，水化熱溫升值低，反之越慢。當混凝土塊厚度在5 m 以上，混凝土實際溫升接近于絕熱溫升。混凝土內部實際溫度按式（3）計算。

式中，T0為混凝土澆筑入模溫度，根據同時期其他部位混凝土入模溫度，取25 ℃；ζ為不同澆筑體厚度的降溫系數。

本項目3.3 m 厚度區域因混凝土分層澆搗，利于散熱，計算時取3 m。因8 m 厚度區域中間有內凹電梯底坑，有利于散熱，且電梯底坑周圍筏板可理解為“U”字形的3.3 m 折板構造，計算溫升可參照3.3 m 區域，不再另行計算。

根據式（1）和式（3），計算混凝土不同齡期實際熱溫升值，如表1 所示。

表1 不同齡期混凝土實際溫升值

3.3 混凝土保溫層厚度及表面溫度計算

混凝土表面溫度，可按式（4）計算：

式中，Tb(t)為齡期t時，混凝土的表面溫度，℃，本文取t=3；Ta為齡期t時，大氣的平均溫度，℃，設Ta=20；H為混凝土的計算厚度，H=h+2h′；h為混凝土的實際厚度，m，h=3.3 m；h′為混凝土的虛厚度；λ為混凝土的導熱系數，取2.33W/（m·K-1）；K為計算折減系數，可取0.666；β為模板及保溫層的傳熱系數。δi為各種保溫材料的厚度，m，本文計無保溫層時的表面溫度，因此，δi取0；λi為各種保溫材料的導熱系數，W/（m·K-1）；βa為空氣層的傳熱系數，可取23 W/（m·K-1）；ΔT(t)為齡期t時，混凝土內最高溫度與外界氣溫之差，ΔT(t)=Tmax-Ta。

筏板基礎混凝土澆筑完成之后，擬采用6 mm 厚瀝青礦棉氈+4 cm 草袋或毛毯敷設于表面進行保溫養護。瀝青礦棉氈導熱系數取0.035，草袋或毛毯導熱系數取0.14。

根據式（4）計算不同齡期混凝土表面溫度，如表2 所示。

表2 不同齡期筏板基礎混凝土表面溫度

根據表1 和表2 可知，齡期9 d 時，里表溫差達到最大值24.74 ℃＜25 ℃，其他齡期里表溫差均小于第9 天，滿足理論防裂溫差要求。

當保溫養護達到第18 天，表面和環境溫差為18.33 ℃＜20 ℃，之后表面和環境溫差均小于第18 天，滿足防裂溫差要求，即第18 天可開始撤除保溫措施，開始灑水保濕養護。

4 混凝土內部溫升控制措施

4.1 混凝土降溫系統實施方案

盡管經計算，混凝土里表溫差、表面和環境溫差滿足防裂要求，但齡期9 d 時里表溫差接近25 ℃，且局部混凝土厚度達5 m 以上，實際溫升可能接近絕熱溫升，在實際施工時里表溫差可能突破限值。根據現有研究成果，埋置冷卻水管可將大體積混凝土最高溫度降低10 ℃以上。所以本項目擬在超過3.3 m 板厚區域布置循環冷卻水管，以控制混凝土內部溫升。

冷卻降溫系統供回水原理如圖2 所示。冷卻水管豎向和水平間距均不大于1 000 mm；在8 m 厚筏板位置，沿豎向均勻布置7 道冷卻水管，除3.3 m 板厚之外區域，冷卻水管豎向根據板厚和布置間距進行調整。

圖2 降溫系統供回水原理圖

如圖2 所示，筏板基礎的所有水平冷卻水管均通過豎向總管連成整體，降溫系統分別設2 個進水總管和出水總管，1#進出水總管將面層3 道水平支管連成整體，2#進出水總管將底部4 道水平支管連成整體。水平支管采用DN32 鍍鋅鋼管，豎向進出水總管采用DN65 鍍鋅鋼管。鍍鋅鋼管可防止后期鋼管在混凝土內發生銹蝕。混凝土覆蓋最底下一道水管時，開始通水降溫。冷卻水管使用完畢后，采用高一個強度等級灌漿料注漿填充密實，以確保基礎質量。

降溫系統工作期間，每間隔2 h 將進水口和出水口互換，以保證不同部位混凝土降溫均勻，有益于保證混凝土的整體裂縫控制效果。當監測發現溫差過大時，應在冷卻水箱中加冰塊，降低進水溫度，提高降溫效果。

4.2 混凝土內部溫度監測方案

1）測溫點布置。本工程在筏板內布置13 組測溫點，3300mm板厚設4 組，4 300 mm 板厚設1 組，6 500 mm 板厚設1 組，8 000 mm 板厚設2 組，5 200 mm 板厚設2 組，6 000 mm 板厚設3 組。每組測溫點的豎向測點間距不大于2 000 mm。

2）溫度監測頻次。混凝土澆搗后12～24 d 進行第1 次測溫；第1~4 天每4 h 不少于1 次；第5~7 天每8 h 不少于1 次；第7 天至結束每12 h 不少于1 次。當基礎表面與環境溫差小于20 ℃，可停止測溫[2]。

5 效果檢查及總結

論文選取具有典型代表意義的3.3 m 板厚區域測溫點（1#測溫點）和8 m 板厚區域測溫點（7#測溫點）各1 個，根據實際數據總結其內部溫度和里表溫差變化規律，如圖3所示。

圖3 1#測溫點和7#測溫點溫度變化曲線圖

據圖3 所示，可得結論如下。

1）1#測溫點和7#測溫點均在第6 天達到最高溫，71.8 ℃和72.9 ℃。之后以1~2 ℃/d 速度下降,與理論溫升值第6 天溫度接近。

2）受限于澆筑速度，第4 天混凝土澆筑至表面,混凝土覆蓋表面后3 d 左右溫度達最高，之后以1~2 ℃/d 速度下降。

3）混凝土里表溫差最大為22.2℃＜25℃，滿足防裂溫差要求。第17 天開始表面和環境溫差開始縮小至20 ℃以內，可撤除保溫養護層，開始灑水濕潤養護。

4）雖然8 m 板厚度區局部混凝土厚度在豎向和水平向超過5 m，理論上其內部溫升接近于絕熱溫升值，但因其內部布置了冷卻水管，內部溫升未見明顯異常，里表溫差小于25 ℃。

6 結語

經實踐，該大體積混凝土基礎內部實際溫升和里表溫差與理論計算值接近，且滿足防裂溫差要求，有效規避了溫度裂縫出現。相關技術措施在本工程中應用效果良好，在進度和質量方面體現出較大的應用價值，可為其他類似工況大體積混凝土施工提供借鑒。