基礎大體積混凝土的配制及溫升監測技術研究

徐建章，孫忠琴，俞海勇，張賀，楊輝

（1. 浙江大東吳建設有限公司，浙江 湖州 313000；2. 上海建科檢驗有限公司，上海 201108）

基礎大體積混凝土的配制及溫升監測技術研究

徐建章1，孫忠琴1，俞海勇2，張賀2，楊輝2

（1. 浙江大東吳建設有限公司，浙江 湖州 313000；2. 上海建科檢驗有限公司，上海 201108）

本文介紹了為降低某工程基礎大體積混凝土由于溫升效應引起的開裂風險所采取的技術措施。通過采用復合摻合料及自主研發的超緩凝高性能復合泵送劑，對混凝土配合比進行優化設計。試驗最終確定的配合比滿足混凝土的力學性能要求，并提高了混凝土的密實度，延緩了混凝土的早期溫升，降低了混凝土的早期變形量。現場施工過程中實時監測了混凝土的溫升及應變。監測結果顯示，基礎大體積混凝土的各項指標均滿足相應規范的要求。

大體積混凝土；溫升；應變；監測

1　工程概況

浙江湖州東吳國際廣場工程為兩棟超高層塔樓，其地下室基礎占地面積約為 2500m2（50m×50m），基礎厚度3.75m，電梯井處加深 2.65m，局部最厚可達 6.75m，每個主塔基礎混凝土方量約為 10000m3，混凝土設計強度等級為C40。根據 GB 50496—2009《大體積混凝土施工規范》中定義，本工程地下室基礎為大體積混凝土。大體積混凝土由于截面厚度大，水化熱難以及時散出，導致結構內溫差及變形不協調，易產生裂縫。為了保證基礎混凝土的質量，有必要采取適當的技術措施預防混凝土開裂。

目前國內外對大體積混凝土施工已積累一定技術經驗。如廈門某酒店主樓基礎大體積混凝土采用了粉煤灰和礦渣粉雙摻技術對混凝土配合比進行優化，控制了混凝土的內部溫升[1]；東海大橋主塔承臺大體積混凝土采用了礦粉、粉煤灰和硅灰復摻技術，提升了混凝土抗氯離子滲透性能[2]；金茂大廈基礎伐板為 C50 混凝土，在配合比設計中采用了緩凝型助泵劑，并在混凝土泵送管道的周圍用冷卻水冷卻，以延緩和降低混凝土的內部溫升[3]；上海環球金融中心主樓基礎特大體積泵送混凝土采用了聚羧酸減水劑，優化了混凝土的施工性能，控制了混凝土的早期收縮量[4]；三峽大壩三期工程通過優化減水劑性能、采用低熱水泥、控制混凝土出機溫度、通冷卻水等技術措施，降低混凝土的開裂風險[5]。但是由于原材料性質、混凝土配合比以及施工氣候等差異，使得許多研究成果具有特定性，這些研究成果可以借鑒但不能盲目照搬，必須結合工程自身實際情況進行調整。

為保證工程質量，本工程對基礎大體積混凝土的配制及溫升進行了研究，包括原材料選用、配合比設計及優化和施工過程中的溫度和應變監測。通過相關試驗研究以及施工過程中緊密配合，本工程基礎大體積混凝土順利澆筑并獲得良好質量。

2　大體積混凝土配制

2.1原材料選用

根據配合比需要及材料供應現實情況，確定混凝土原材料有水泥、礦粉、粉煤灰、砂、石、外加劑及水。各主要原材料的作用及參數如下：

（1）水泥

水泥是混凝土原材料中的主要膠凝材料，它產生的水化熱是大體積混凝土內部熱量的主要來源，因此大體積混凝土施工宜采用低熱水泥并適當控制水泥的使用量[6]。由于供應原因，本工程基礎使用的水泥為三獅 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥。使用的水泥為非低熱水泥，給本工程大體積混凝土施工溫度控制帶來一定困難，需采取其他技術手段降低水泥用量。

（2）磨細礦粉、粉煤灰

混凝土中摻入磨細礦粉和粉煤灰可降低水泥用量，提高混凝土的后期強度，改善混凝土的耐久性[7]。本工程地下室基礎采用 S95 礦粉，練市豐登礦粉廠產，比表面積 3900cm2/g，7d、28d 活性指數分別為 91% 和 109%；采用Ⅱ級粉煤灰，長興電廠產，細度為 13.9%，需水量比為 88%。

（3）粗、細集料

級配良好的砂、石具有較小的空隙率和總表面積，因而可減少膠凝材料的用量[8]。砂、石的含泥量和泥塊含量超標將影響混凝土的強度和耐久性，宜使用潔凈的砂、石集料。本工程地下室基礎采用 (5～31.5)mm 碎石，含泥量 2.0%；采用長江砂，細度模數為 2.8。

（4）外加劑

所用外加劑為超緩凝高性能復合泵送劑。該泵送劑具有泵送、減水、緩凝、早期微膨脹等功能，可在 40～80h 之間按需要調整混凝土的初、終凝時間。泵送劑的混凝土減水率為 26.8%，1h 坍落度損失 20mm，28d 抗壓強度比為 132%。

2.2配合比設計

2.2.1配合比設計要求

本工程大體積混凝土配合比設計的總體目標是在保證混凝土力學性能的前提下，滿足混凝土的施工性和耐久性。依據設計和施工要求，提出如下具體配合比設計要求：

（1）混凝土拌合物性能。混凝土出機坍落度 220mm± 10mm，擴展度大于 550mm，3h 坍落度損失不高于 40mm，入泵坍落度 (200±10)mm，初凝不短于 40h，終凝不長于50h，混凝土不離析。

（2）混凝土力學性能。混凝土設計強度等級 C40，60d強度富余系數不低于 1.25。

表1　混凝土配合比

表2　新拌混凝土試驗結果

（3）混凝土熱學性能。混凝土絕熱溫升不超過 45℃，基礎中心最高溫度不超過 75℃。

（4）混凝土密實度。混凝土抗滲等級 P10，56d 電通量小于 1000C，56d RCM 氯離子擴散系數小于 3.0×10-12m2/s（試驗方法參照 CCES01—2004《混凝土結構耐久性設計與施工指南》進行）。

（5）混凝土體積穩定性。在溫度 (25±1)℃，相對濕度(70±5)℃及試件表面濕紙覆蓋的養護條件下，混凝土14d的自由收縮率低于 70×10-6。

2.2.2配合比試驗結果及分析

依據如上配合比設計要求，同時考慮混凝土原材料的性能特點，采用礦物摻合料復摻技術，設置膠凝材料總量、水膠比和礦物摻合料用量為主要變量，設計了三個配合比（如表 1，其中泵送劑摻量占膠凝材料重量的 3.0%）。通過試驗及分析對此三個配合比進行比較。

2.2.2.1新拌混凝土試驗結果與分析

測試了各配合比新拌混凝土的性能，包括出機、1h、2h、3h 坍落度、含氣量、凝結時間及工作性描述，如表 2。

從表 2 可見，新拌的三個配合比混凝土均有較好的工作性，無論出機坍落度或是 3h 坍落度均滿足設計要求。與 1、3 號配合比相比，2 號配合比的凝結時間過長，且保坍性較差。此缺點可通過調整外加劑配比加以改善。由表 2 分析可知，1 和 3 號混凝土配合比較優。

2.2.2.2混凝土力學性能試驗結果與分析

測試了混凝土的力學性能，包括 7d、14d、28d 和 60d 的抗壓強度數據，如表 3。

表3　混凝土力學性能試驗結果

從表 3 可見，三個配合比的混凝土 28d 抗壓強度均超過40MPa，60d 抗壓強度富余系數都高于 1.25，即此三個配合比均能保證混凝土的力學強度。強度越高的配合比其抵御混凝土原材料質量波動的能力也越強，從表 3 各配合比混凝土抗壓強度的發展情況來看，3 號配合比最好。

2.2.2.3混凝土耐久性試驗結果與分析

（1）混凝土熱學性能

測試了各配合比混凝土的熱學性能，包括初始溫度、中心最高溫度及絕熱溫升，如表 4。

表4　混凝土熱學性能試驗結果

從表 4 可見，三個配合比的混凝土絕熱溫升均低于45℃，中心最高溫度均不高于 75℃。三個配合比的最高溫度均出現在 10d 齡期左右。相比 2、3 號配合比，1 號配合比的絕熱溫升最高，這是由于該配合比的水泥用量最大。從混凝土熱學性能的角度上說，2、3 號配合比 1 號配合比更優。

（2）混凝土密實度及體積穩定性

測試了各配合比混凝土的密實度和體積穩定性能，包括抗滲等級、56d 電通量、56d RCM 氯離子擴散系數和 14d 自由收縮率。其中，混凝土 14d 自由收縮率試驗采用中國建科院研制的自收縮測試儀，測試初始時間為混凝土入模時間。試驗結果如表 5。

表5　混凝土密實度及變形性能試驗數據

從表 5 可見，三個配合比的混凝土密實度均符合設計要求，2、3 號配合比的混凝土體積穩定性滿足設計要求，1號配合比的混凝土體積穩定性略高于設計要求。

綜上分析，3 號配合比拌制的混凝土綜合性能最佳，采用其作為基礎大體積混凝土配合比。

3　施工監測

盡管模擬試件的溫控指標均符合相應規定，現場大體積混凝土施工時仍需布設溫度及應力傳感器，用以及時反饋混凝土的實時狀態，以便工程技術人員據此作出正確判斷以及采取相應措施。東吳國際廣場工程為兩棟超高層塔樓，分別為Ⅰ標段塔樓和Ⅱ標段塔樓。由于兩棟塔樓為對稱結構，因此本文僅介紹Ⅰ標段塔樓基礎大體積混凝土施工過程中的溫度和應力監測。

3.1溫度監測

由于Ⅰ標段塔樓基礎大體積混凝土工程平面圖具有對稱軸線，因此溫度測位布置在如圖1 所示的對稱軸線的半軸線上。各測位在深度方向上均布置有 6 個測點，位置分布為 A（保溫層）、B（表面）、C（1/4處）、D（中心）、E（3/4處）及 F（底面）。從實測溫度數據來看，1、3 和 5 號測位最為典型，因此本文僅列出此三測位的表面和中心溫度曲線供分析，如圖2 所示。

圖1　Ⅰ標段塔樓基礎大體積混凝土測溫布置圖

圖2　混凝土溫度變化

由圖2可見，隨著混凝土齡期的延長，各測位混凝土的中心位置溫度和表面溫度均呈現先上升后下降的趨勢。測位1的中心位置亦為基礎大體積混凝土的中心所在，其溫度在混凝土澆筑后的第四天達到最高值 61.8℃，在第十天降為51.4℃，即降溫速率為 1.7℃/d。測位 3 和測位 5 分別處于基礎混凝土的側邊和邊角位置，它們與外界環境的接觸面大，易與外界進行熱交換，因而中心處的溫度均相對較低。里表溫差是反映大體積混凝土內部溫度應力最重要的指標，從圖2中可以看出，表里溫差在混凝土 10d 齡期內先是逐漸上升，在澆筑后第四天左右達到最大值 23.3℃，隨后極為緩慢的下降。GB50496—2009《大體積混凝土施工規范》中規定，混凝土澆筑塊體的里表溫差不宜大于 25℃，降溫速率不宜大于2.0℃/d。本工程地下室基礎大體積混凝土施工符合其要求。

3.2應變監測

分別在溫度測位 1 中心、表面及測位 3 表面三個位置附近布置水平南北向應變計，應變曲線如圖3 所示。在混凝土澆筑后的早齡期階段，混凝土的表面如同其中心和側邊一樣出現壓應力。這是由于水泥水化熱釋放導致混凝土逐漸升溫膨脹，而膨脹又受到外界約束。隨著混凝土齡期的延長，模擬試件表面由壓應力轉為拉應力，其中心和側邊則仍為壓應力。試件表面受外界環境溫度影響較大，其溫度迅速降低，而試件內部由于熱量交換較慢，其溫度緩慢下降。由此導致混凝土內外溫差過大，混凝土溫度變形不一致，混凝土表面出現拉應力。由圖3 可見，模擬試件表面拉應力迅速增大，由于混凝土的抗拉強度較低，且此時混凝土強度尚未發展完全，因此極易出現溫度裂縫。在混凝土澆筑后 10d 左右，由于水泥水化熱絕大部分已釋放完，混凝土的內外溫差也逐漸縮小，混凝土表面、中心及側邊所受應力亦逐漸變小。通過分析混凝土的降溫曲線以及計算混凝土的溫度應力，可實時監測混凝土中最大溫度應力的發展情況，為防止最大溫度應力高于抗拉強度導致溫度裂縫出現提供預警。

圖3　應變變化

4　小結

大體積混凝土施工由于水化熱過高、內外溫差過大極易產生裂縫，應采取適當措施降低混凝土的開裂風險。通過選用合適的混凝土原材料，在大體積混凝土中摻入礦渣粉、粉煤灰、高性能減水劑以減少用水量和水泥用量，并進行配合比設計及優化，有效降低了混凝土內部由水化熱引起的溫升。對基礎大體積混凝土的溫度和應變進行實時監測。監測數據顯示，混凝土的各項溫度參數均符合相關規范要求。本工程地下室基礎大體積混凝土表面未發現有溫度裂縫出現，滿足大體積混凝土的質量要求。

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［單位地址］浙江大東吳建設有限公司（313000）

徐建章（1977—），男，高級工程師，主要從事建筑工程管理工作。