超高層建筑筏板基礎(chǔ)大體積混凝土質(zhì)量控制

侯　海

(中鐵二局集團(tuán)建筑有限公司， 四川成都 610031)

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超高層建筑筏板基礎(chǔ)大體積混凝土質(zhì)量控制

侯海

(中鐵二局集團(tuán)建筑有限公司， 四川成都 610031)

【摘要】隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，高層及超高層建筑已經(jīng)逐步成為一種趨勢，大體積混凝土也被廣泛運(yùn)用于此類建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。文章以某工程4.3 m超厚筏板基礎(chǔ)為例，從施工原材料選擇、混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(溫度場有限元分析、足尺模型試驗(yàn))、現(xiàn)場施工組織等三個方面闡述了大體積混凝土質(zhì)量控制要點(diǎn)，從而保證了基礎(chǔ)大體積混凝土澆筑質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】超高層；大體積混凝土；質(zhì)量控制；配合比設(shè)計；施工組織

1大體積混凝土施工中易產(chǎn)生的質(zhì)量問題

大體積混凝土具有體積大、結(jié)構(gòu)整體性要求高、水泥水化熱高等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。大體積混凝土澆筑完成后，由于混凝土內(nèi)外溫差過大，容易出現(xiàn)溫度裂縫。這是施工過程中最容易出現(xiàn)也是最難把控的質(zhì)量問題，下文將著重介紹對于大體積混凝土溫度裂縫的質(zhì)量控制。

2溫度裂縫產(chǎn)生的原因

溫度裂縫就其開裂程度可分為表面裂縫和貫穿裂縫。表面裂縫的產(chǎn)生是在大體積混凝土澆筑后，聚集在混凝土內(nèi)部的水泥水化熱較高，但由于混凝土體積較大不易散發(fā)，使得混凝土內(nèi)部溫度急劇上升，而其表面散熱較快，造成混凝土內(nèi)外溫差較大，內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，外表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，最終導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)裂縫。當(dāng)這種拉應(yīng)力超過混凝土極限抗拉強(qiáng)度時，就會造成混凝土整體開裂，形成貫穿裂縫，嚴(yán)重危害結(jié)構(gòu)安全。

3工程概況

N區(qū)貴陽街及雙子塔工程11#樓位于貴陽市花果園，該樓建筑功能主要為辦公和酒店，地上70層，地下5層，地上總高度為337.655 m，為超B級高度的超高層建筑。該建筑采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，基礎(chǔ)采用核心筒下筏板基礎(chǔ)+外框柱下條形基礎(chǔ)+抗水板形式，筏板厚度4.3 m。

4大體積混凝土施工質(zhì)量控制措施

結(jié)合大體積混凝土自身特點(diǎn)，針對其施工過程中可能出現(xiàn)的問題，主要從大體積混凝土原材料的選擇、配合比的優(yōu)化(溫度場有限元分析、足尺模型試驗(yàn))、現(xiàn)場施工組織這三個方面進(jìn)行控制。

4.1混凝土原材料的選擇

為保證大體積混凝土施工質(zhì)量，從原材料的選擇上進(jìn)行控制。通過對貴陽地區(qū)混凝土原材品質(zhì)多次實(shí)地考察，最終擬定選用如下材料:

(1)水泥。采用貴州清鎮(zhèn)“海螺”水泥廠生產(chǎn)的P. O 42.5水泥。試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥的所測性能滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB 175-2007/XG1-2009《通用硅酸鹽水泥》規(guī)定的技術(shù)要求，活性較高，水泥的3 d水化熱為270 kJ/kg，7 d水化熱為314 kJ/kg。

(2)粗骨料。選用貴州照福砂石廠沉積巖碎石，公稱粒徑5～25 mm，連續(xù)級配，針片狀含量3.1 %，含泥量0.2 %，泥塊含量0.2 %，壓碎指標(biāo)為7.3 %，堆積密度為1 500 kg/m3，表觀密度為2 620 kg/m3。

(3)細(xì)骨料。(山)砂含泥量為0.3 %，細(xì)度模數(shù)為2.7～2.9，石粉含量0.3 %，堆積密度為1 750 kg/m3。砂的性能滿足GB/T 14684-2011《建筑用砂》、DB 24016-2010《貴州省山砂混凝土技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的Ⅱ類砂技術(shù)要求。

(4)粉煤灰。選用貴州金沙電廠“名川”粉煤灰。測試結(jié)果表明，所選粉煤灰的性能符合GB 1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》規(guī)定的II級灰技術(shù)要求。

(5)礦渣。S95級粒化高爐礦渣粉。

(6)減水劑。采用貴州中興南友建材有限公司生產(chǎn)的聚梭酸高性能減水劑，減水率26 %，固含量20.1 %,氯離子含量0.3 %，含氣量3.2 %，總堿含量9 %，密度1.06 g/cm3。

(7)抗裂劑。采用武漢三源生產(chǎn)的SY-T復(fù)合纖維膨脹抗裂劑(外摻8 %)。

4.2大體積混凝土配合比的優(yōu)化設(shè)計

4.2.1混凝土配合比試配及確定

11#樓基礎(chǔ)筏板混凝土強(qiáng)度等級為C40，抗?jié)B等級P10。配合比設(shè)計的思路：降低水泥用量，從而降低混凝土內(nèi)部水化熱峰值；延緩水化熱的釋放速度，從而延遲熱峰值的出現(xiàn)；緩解凝固時間，避免施工過程中因凝結(jié)過快而出現(xiàn)冷縫；添加合適的外加劑，提高混凝土的抗裂能力。

本工程確定以混凝土60 d強(qiáng)度作為強(qiáng)度評定的依據(jù)，初期共擬定7個配合比在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試配。通過理論溫度和應(yīng)力計算，以及混凝土工作性能指標(biāo)檢測和試件強(qiáng)度檢測等手段，確定出最優(yōu)配合比(表1)。最后通過更加細(xì)致準(zhǔn)確的理論分析和現(xiàn)場足尺模型試驗(yàn)，對初步選定的最優(yōu)配合比進(jìn)行分析和調(diào)整，確定出最終配合比(表2)。

表1　最優(yōu)配合比　kg/m3

表2　最終配合比　kg/m3

4.3溫度場有限元分析

配合比確定后，建立一個足尺模型。一是通過有限元軟件邁達(dá)斯對大體積混凝土溫度場進(jìn)行仿真模擬，可以較為準(zhǔn)確地判斷出其內(nèi)部溫度峰值出現(xiàn)的時間和部位，同時可以分析布設(shè)冷凝水管后大體積混凝土內(nèi)部的降溫情況及冷凝管的降溫半徑，進(jìn)而對混凝土內(nèi)冷凝管的布置方式進(jìn)行優(yōu)化；二是在現(xiàn)場進(jìn)行足尺模型混凝土澆筑試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷氖┕ぴ牧稀⑴浜媳燃艾F(xiàn)場外部環(huán)境均按照基礎(chǔ)混凝土的要求進(jìn)行真實(shí)模擬，澆筑混凝土后，對混凝土溫度、應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測，并繪制出溫度變化曲線及應(yīng)力變化曲線，為后續(xù)基礎(chǔ)大體積混凝土的澆筑提供依據(jù)。

足尺模型尺寸長×寬×高為4.5 m×4.5 m×4.3 m。根據(jù)足尺模型具有對稱性這一特性，為更高效、快速地對模型進(jìn)行分析，并簡潔、直觀地反映內(nèi)部溫度分布狀況及應(yīng)力的變化情況，故選用1/4尺寸的足尺模型進(jìn)行分析(圖1)。

圖1　足尺模型溫度場有限元分析模型(1/4模型)

通過采用有限元軟件進(jìn)行分析，可得到不同時間段的溫度云圖，還可以通過對比直觀地反映出布設(shè)冷凝水管后混凝土內(nèi)部溫度的變化情況。現(xiàn)以混凝土澆筑后30 h和100 h的溫度云圖為例進(jìn)行比較說明(圖2～圖5)。

圖2　30 h時混凝土內(nèi)部溫度云圖

圖3　布置冷凝水管通水后30 h混凝土內(nèi)部溫度云圖

圖4　100 h時混凝土內(nèi)部溫度云圖

圖5　布置冷凝水管通水后100 h混凝土內(nèi)部溫度云圖

依據(jù)選定的配合比，通過軟件建立模型分析得知，混凝土內(nèi)未布設(shè)冷凝水管時，最高溫度值為72.1℃，在澆筑后130 h左右出現(xiàn)；當(dāng)布設(shè)冷凝水管時，最高溫度降低到51.5℃，降溫值可達(dá)到20.6℃，降溫效果顯著。

4.4足尺模型試驗(yàn)

足尺模型試驗(yàn)，一是通過較大方量的試拌檢測混凝土各方面的工作性能和力學(xué)性能是否符合預(yù)期；二是監(jiān)測混凝土的溫度場變化是否與理論計算一致。

4.4.1工作性能和力學(xué)性能測定

對足尺模型澆筑混凝土的各項(xiàng)工作性能指標(biāo)進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果見表3。

表3　混凝土工作性能指標(biāo)

通過對混凝土力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，得知混凝土抗壓強(qiáng)度性能指標(biāo)、28 d標(biāo)準(zhǔn)齡期抗?jié)B強(qiáng)度均滿足要求，同時對混凝土7 d和28 d的彈性模量以及第3 d至第7 d的劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測定，結(jié)合實(shí)測應(yīng)變值，與劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行對比分析，力學(xué)性能指標(biāo)見表4。

表4　混凝土力學(xué)性能指標(biāo)　MPa

4.4.2混凝土溫度監(jiān)測和保溫層保溫效果分析

通過監(jiān)測得知足尺模型的內(nèi)部最高溫度出現(xiàn)在澆筑后96 h，最高溫度為59.9℃，此時混凝土表面溫度為38.19℃，里表最大溫差為21.71℃，小于限值25℃。

保溫層為一層塑料薄膜、兩層麻袋和一層防水篷布。通過對測溫數(shù)據(jù)進(jìn)行整理可知，保溫層的保溫性能穩(wěn)定，保溫效果良好。

4.4.3內(nèi)部冷卻水降溫效果分析

在混凝土降溫階段做了冷凝水降溫效果的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。經(jīng)測定在通水前，混凝土內(nèi)平均降溫速率為0.070 ℃/h，通水后混凝土平均降溫速為率0.095 ℃/h。通過對比可知內(nèi)部通水后將降溫速率提高了0.025 ℃/h，效果較明顯。

5現(xiàn)場施工組織

5.1施工準(zhǔn)備

5.1.1商品混凝土站選擇及機(jī)具準(zhǔn)備

為保證商品混凝土能及時運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，所選擇的混凝土公司的攪拌站距離施工現(xiàn)場路程較短且有充足的場地備料，同時另外聯(lián)系一家攪拌站輔助供應(yīng)。

混凝土運(yùn)輸車輛35輛，現(xiàn)場共設(shè)置5臺混凝土輸送泵，其中56 m臂架泵3臺、車載柴油泵2臺。同樣為應(yīng)對混凝土澆筑過程中設(shè)備出現(xiàn)機(jī)械故障，另聯(lián)系1臺臂架泵、1臺車載泵及10輛混凝土運(yùn)輸車作備用。

5.1.2布置冷凝水管

冷凝水管采用焊管，共布置兩道，第一道冷凝管距基礎(chǔ)頂1.50 m，第二道冷凝管距基礎(chǔ)底1.50 m，水平間距為1.5 m。

5.2澆筑要點(diǎn)

5.2.1澆筑順序

現(xiàn)場布置5臺泵車進(jìn)行澆筑，其中3臺臂架泵、2臺車載泵。混凝土采用斜面分層、自西向東推移式進(jìn)行連續(xù)澆筑，分層澆筑一次性澆筑厚度為500 mm，且上層混凝土應(yīng)在下層混凝土初凝前進(jìn)行澆筑，同時每臺泵車出料口設(shè)專人進(jìn)行管理，避免產(chǎn)生冷縫。

5.2.2振搗要求

大體積混凝土采用插入式搗固棒進(jìn)行振搗。振搗點(diǎn)按間距500 mm×500 mm矩形布置。振搗時，振搗棒采取快插慢拔的方式插入下一層混凝土50 mm，并且在混凝土初凝前進(jìn)行二次振搗。二次振搗工藝對提高混凝土的抗裂性具有重要作用，能有效避免混凝土水平鋼筋下部產(chǎn)生的水份及空隙等，以此提高鋼筋與混凝土之間的凝聚力，降低混凝土內(nèi)微裂的現(xiàn)象，提高混凝土的密實(shí)度，增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度。

5.3混凝土冷卻水降溫和溫度監(jiān)測

從混凝土澆筑完成后便開始連續(xù)不間斷進(jìn)行溫度監(jiān)測。溫度監(jiān)測采用無線通測溫系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，數(shù)據(jù)可通過計算機(jī)或手機(jī)登錄IP網(wǎng)址后進(jìn)行查看。現(xiàn)場共布置18個數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，每個數(shù)據(jù)采集點(diǎn)在不同高度共埋設(shè)5個溫度傳感器接頭(圖6、圖7)。

圖6　溫度傳感器平面布置

通過對現(xiàn)場大體積混凝土溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，在通冷卻水的情況下，混凝土內(nèi)部溫度最高值為66.7℃，出現(xiàn)在澆筑后98 h，表面溫度為41.8℃，里表溫差24.9℃，小于25℃，在控制范圍之內(nèi)。揭去麻袋及塑料薄膜后，基礎(chǔ)表面無肉眼可觀性裂縫出現(xiàn)，大體積混凝土質(zhì)量得到有效的控制。

圖7　溫度傳感器立面布置

6結(jié)束語

防止溫度裂縫的產(chǎn)生是保證大體積混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵，通過對溫度裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，我們從原材料、配合比、溫控措施等方面做出有效的控制措施，并通過現(xiàn)場合理的施工組織，最終確保超高層筏板大體積混凝土施工質(zhì)量。

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【中圖分類號】TU755.6+7

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2015-12-29