超高層建筑厚底板基礎(chǔ)混凝土施工溫度監(jiān)測研究

于敬海，包立剛，劉 芳

(1．天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，天津300072;2．天津市金廈建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，天津300074)

大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫與骨料品種、配合比、外加劑和摻和料、澆筑溫度、澆筑順序、外界氣溫、保溫措施、養(yǎng)護(hù)條件等因素有直接關(guān)系，理論計(jì)算很難完全反應(yīng)實(shí)際情況。另外，理論計(jì)算只有在比較理想的情況下才能較好的符合實(shí)際，而現(xiàn)場條件復(fù)雜，各種材料參數(shù)性能的離散性能很大，這些都可能引起偏差。為了全面掌握大體積混凝土溫度場變化規(guī)律，及時(shí)反映溫控?cái)?shù)據(jù)并采取技術(shù)措施保證工程質(zhì)量，必須進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測[3］[4］。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對大體積混凝土的溫度監(jiān)測及溫度應(yīng)力控制研究越來越重視。學(xué)者葉雯[5］等通過實(shí)驗(yàn)室足尺試驗(yàn)進(jìn)行混凝土施工工藝改變前后的溫度監(jiān)測研究，分析得出了降低混凝土溫度及應(yīng)力的施工工藝;史巍[6］等在混凝土澆筑過程中摻入相變材料石蠟使之與結(jié)構(gòu)一體化，并進(jìn)行溫度監(jiān)測，得出相變材料不但可以降低大體積混凝土的最高絕熱溫升值，而且可以降低大體積混凝土的升溫速度和降溫速度，從根本上防止大體積混凝土溫度裂縫的出現(xiàn);段亞輝[7］等對三峽永久船閘輸水洞襯砌混凝土施工期的溫度進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)研究，指出了襯砌混凝土溫度防裂的重要性并提出了一些可行的溫控防裂措施;中建三局周俊[8］等對武漢陽邏長江公路大橋錨碇大體積混凝土的溫度監(jiān)測研究，等等。雖然大體積混凝土的溫度監(jiān)測研究近年來逐漸增多，但在超高層建筑厚基礎(chǔ)底板混凝土方面的研究仍然很少，隨著高層建筑的不斷涌現(xiàn)，對基礎(chǔ)底板混凝土的研究也越來越受關(guān)注。

1 溫度監(jiān)測方法

大體積混凝土溫度監(jiān)測的方法主要有半導(dǎo)體點(diǎn)溫計(jì)簡易測試法、熱敏電阻測試和分布式光纖測溫等[9］。半導(dǎo)體點(diǎn)溫計(jì)的測溫范圍為0℃～100℃，這種簡易測試法是利用鋼管及水做熱傳導(dǎo)介質(zhì)，所以測得的不是混凝土的溫度，而是混凝土中鋼管內(nèi)水體的溫度。熱敏電阻測試時(shí)熱敏探頭直接綁扎在鋼筋上，與混凝土充分接觸，所測得的是測點(diǎn)周圍混凝土的溫度，靈敏度較高。分布式光纖測溫系統(tǒng)[10］是在混凝土內(nèi)部預(yù)先埋設(shè)光纖，與外部測試系統(tǒng)相連，從而測得內(nèi)部溫度，光纖測溫精度較高，其測量精度為0.1℃，而溫度測量分辨率可達(dá)0.01℃。

2 監(jiān)測工程實(shí)例

2.1 工程概況

天津?yàn)I海新區(qū)響螺灣某工程A樓主樓的核心筒部分底板厚度為2 400mm。基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，設(shè)置一道溫度后澆帶，四道沉降后澆帶。主樓的核心筒底板尺寸為30.4m×30.4m×2.4m，電梯井基礎(chǔ)厚2.4m，下沉2.7m。體積約為2 282m3。底板采用C40混凝土，抗?jié)B等級S8，坍落度140mm～180mm，采用普通硅酸鹽水泥P．O42.5，配合比見表1。

表1 混凝土配合比

2.2 施工養(yǎng)護(hù)方案

本工程底板厚為2 400mm，基礎(chǔ)底板混凝土澆筑時(shí)，24h連續(xù)進(jìn)行施工，施工過程中的間歇時(shí)間不得超過30min，以防止混凝土出現(xiàn)施工冷縫。

澆筑采用一次性連續(xù)澆筑，混凝土在澆筑完畢后的12h以內(nèi)，加蓋覆蓋物并灑水保濕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)覆蓋采用一層薄膜加二層草袋(草袋總厚度不小于50mm)的方式。薄膜搭接不得小于150mm，保溫草袋的搭接不小于100mm，澆水養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于14d。當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差和降溫速度超過溫控指標(biāo)時(shí)，及時(shí)加蓋備用塑料薄膜和草袋。

2.3 儀器及測點(diǎn)布置

混凝土中測溫采用JDC－2型電子測溫儀，其精度為0.1℃，測量范圍－50℃～130℃，施測前進(jìn)行儀表校核。溫度傳感器采用銅熱電阻傳感器(圖1)，預(yù)埋在底板混凝土內(nèi)，精度小于0.2℃，測溫范圍－50℃～150℃。在水平方向上，電梯井邊布兩個，底板中心和底板角部各布一個(圖2);垂直方向上，電梯井深5.1m，布5個測溫點(diǎn);底板厚2.4m，布3個測溫點(diǎn)(圖3)。

圖1 銅熱電阻傳感器及其現(xiàn)場絕緣固定

圖2 測溫點(diǎn)平面布置示意

圖3 測溫點(diǎn)垂直方向布置示意

2.4 測溫方案

在澆筑前埋設(shè)熱電偶和導(dǎo)線，這樣自混凝土澆筑開始就可以及時(shí)進(jìn)行連續(xù)測溫，能得到混凝土溫度發(fā)展規(guī)律。由于各個齡期底板內(nèi)部的溫度變化不同，根據(jù)實(shí)際情況自行設(shè)定溫度測試間隔時(shí)間:(1)混凝土澆筑結(jié)束后1～3d:每2h測一次;(2)混凝土澆筑結(jié)束后4～7d:每4h測一次;(3)混凝土澆筑結(jié)束后8～12d:每6h測一次;(4)當(dāng)內(nèi)外溫差小于15℃時(shí)，停止測溫。混凝土澆筑從2009年4月18號開始到4月19號晚上結(jié)束。待可上人時(shí)，進(jìn)行測溫。

2.5 數(shù)據(jù)采集及曲線分析

2.5.1 溫度監(jiān)測結(jié)果

底板截面A、B、C、D處水化熱溫度12d齡期內(nèi)隨時(shí)間變化曲線如圖4所示，其中B5測點(diǎn)在澆筑過程中觸頭被損壞。

圖4 A、B、C、D點(diǎn)測溫點(diǎn)溫度曲線

2.5.2 數(shù)據(jù)曲線分析

(1)在測溫的過程中，各測點(diǎn)混凝土內(nèi)外溫差均沒有超過25℃的規(guī)定，說明試驗(yàn)中采取的施工及保溫措施達(dá)到了溫度控制要求和裂縫控制的目的，可以為以后類似的施工提供借鑒。內(nèi)部最高溫度為77℃，出現(xiàn)在開始測試的50h左右，持續(xù)約50～100h。在測溫后第7d，將保溫層撤除，從曲線圖上看出溫度有所下降。

(2)從溫度－時(shí)間歷程曲線可以看出，所有測溫點(diǎn)的溫度變化表現(xiàn)出明顯的共同趨勢。1～2d內(nèi)溫升較快，2～3d時(shí)達(dá)最高溫度，水化放熱持續(xù)1～5d左右，轉(zhuǎn)而溫度開始下降。且上表面處首先達(dá)到峰值，其他點(diǎn)都滯后表面點(diǎn)，底層測點(diǎn)處到達(dá)時(shí)間最晚。混凝土中接近土壤部分的溫度變化較為平穩(wěn)，土壤對底部起了一個保溫的作用。

(3)從圖4中看出，中上部點(diǎn)具有隨外部氣溫的波動性。上部的溫度受外界條件的影響，保溫條件好、外部氣溫高時(shí)，內(nèi)外溫差就小。在灑水養(yǎng)護(hù)時(shí)，由于水溫低于混凝土上部溫度，溫差稍大。中下部離表面厚度較大，受表面影響較小。

(4)電梯井壁由于厚度較厚，內(nèi)部溫度較高，散熱慢。在電梯井邊加蓋保溫層，且覆蓋時(shí)間比其它部位長，使得內(nèi)外溫差不是很大。得到良好的效果，最大溫差為22.3℃左右。

3 溫度裂縫控制措施

厚底板基礎(chǔ)混凝土溫度裂縫的控制措施貫穿于混凝土的澆筑前、澆筑中、澆筑后三個階段，不同階段具有不同的側(cè)重點(diǎn)。由于工程混凝土施工在4月份，氣溫較低，尤其在夜間混凝土內(nèi)外溫差更大，為保證不超過內(nèi)外溫差25℃的限值，針對本工程特點(diǎn)采用以下技術(shù)措施。

(1)原材料選擇:采用水化熱低的水泥品種且控制水泥的用量，避免使用高強(qiáng)或早強(qiáng)水泥;泵送混凝土對流動性、和易性要求高，坍落度大，水灰比增大，水化熱也大幅度提高，采用適宜的外加劑，降低水灰比，提高混凝土的流動性，在本工程中混凝土攪拌時(shí)加入了UEA膨脹劑和JFL－W3泵送劑;選擇良好級配的骨料，嚴(yán)格控制砂石的含泥量。

(2)控制混凝土溫度:在冬季施工或溫度較低處澆筑時(shí)，可對骨料進(jìn)行預(yù)熱拌合。本工程中氣溫比較低，骨料堆積現(xiàn)場采取了帆布覆蓋來保持石子等的溫度。

(3)現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)措施:在混凝土澆筑后覆蓋草袋或保溫膜進(jìn)行表面保溫。

(4)現(xiàn)場溫度監(jiān)測保證措施:當(dāng)通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)混凝土內(nèi)外溫差增大時(shí)，可通過加蓋草袋或保溫膜來及時(shí)處理。

通過現(xiàn)場的溫度監(jiān)測的結(jié)果顯示，基礎(chǔ)混凝土內(nèi)外最大溫差并未超過規(guī)范限值，溫度裂縫得到了很好的控制，試驗(yàn)中所采用的溫度控制措施是可行且有效的。

4 結(jié)論

溫度裂縫問題是厚底板基礎(chǔ)混凝土設(shè)計(jì)和施工中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，目前還沒有可以完全防止溫度裂縫的措施。通過對超高層厚底板基礎(chǔ)的12d的現(xiàn)場溫度監(jiān)測研究，得到了以下的成果。

(1)現(xiàn)場的監(jiān)測得到了混凝土澆筑及固化前內(nèi)部溫度場變化的數(shù)據(jù)資料，在此基礎(chǔ)上繪制出了混凝土溫度隨時(shí)間的變化曲線圖。通過對溫度場的分析可以發(fā)現(xiàn)溫度場隨時(shí)間、在混凝土中位置的發(fā)展變化規(guī)律:大體積混凝土內(nèi)部溫度在開始的1～2d升溫較快，在50～100h時(shí)溫度達(dá)到最高約70℃，最高溫度會持續(xù)50～75h左右的時(shí)間，然后溫度開始下降，在混凝土內(nèi)部從表面到底部達(dá)到最高溫度的時(shí)間是依次推后的，這對現(xiàn)場的施工及防止溫度裂縫出現(xiàn)有很好的指導(dǎo)作用。

(2)電梯井壁處由于厚度較大，易產(chǎn)生較大的內(nèi)外溫差，施工中應(yīng)尤為注意進(jìn)行溫控，加蓋保溫層來減小溫差。

(3)試驗(yàn)中大體積混凝土內(nèi)外最大溫差22.3℃，未超過規(guī)范25℃的要求，試驗(yàn)中所采取的控溫措施是行之有效的，可對以后類似的工程起借鑒作用。

(4)現(xiàn)在很多研究人員開始利用ANSYS等軟件進(jìn)行混凝土的溫度場模擬并進(jìn)行溫度預(yù)報(bào)，而現(xiàn)場的監(jiān)測可以反映大體積混凝土內(nèi)部的溫度變化規(guī)律，為溫度場的模擬提供必要的實(shí)測參數(shù)。

[1]朱伯芳．大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M］．北京:中國電力出版社，1999

[2]彭立海．大體積混凝土溫控與防裂[M］．鄭州:黃河水利出版社，2005

[3]陳長華．考慮鋼筋作用的水工結(jié)構(gòu)施工期溫度場與溫度應(yīng)力分析[D］．南京:河海大學(xué)，2006

[4]黃永剛．大體積混凝土溫度監(jiān)測與裂縫控制[D］．西安:西安建筑科技大學(xué)，2004

[5]葉雯，楊永民．大體積混凝土施工溫度監(jiān)測及其溫度應(yīng)力分析[J］．混凝土，2008(9):104－107

[6]史巍，張雄，Juergen Dreyer．相變儲能大體積混凝土的控溫性能[J］．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，38(4):564－568

[7]段亞輝，方朝陽，樊啟祥，等．三峽永久船閘輸水洞襯砌混凝土施工期溫度現(xiàn)場試驗(yàn)研究[J］．巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(1):128－135

[8]周俊，劉德朋，陳浩．某公路大橋北錨碇大體積混凝土溫度控制技術(shù)[J］．施工技術(shù)，2005，34(8):44－46

[9]辜文凱．大體積混凝土澆筑過程中溫度監(jiān)測與控制技術(shù)[J］．四川建筑，2010，30(4):206－207

[10]黃達(dá)海，陳彥玉，王祥峰，等．基于分布式光纖測溫的特高拱壩溫控預(yù)報(bào)研究[J］．水利水電技術(shù)，2010，41(9):42－46