特大型高爐基礎大體積混凝土裂縫控制技術及監理

杜建民（北京誠信工程監理有限公司，北京 100043）

1　項目特點及施工方案

某鋼鐵企業廠址位于北方某省市，其廠址范圍內地質松軟，建設用地為舊有河道人回填方式形成，地下水位高。工程所在地氣候基本屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，其氣候特征是四季分明。平均風速 5.3 m/s，平均濕度 71%。此次建設的 4 000 m3高爐是目前我國特大型高爐之一。由國內某專業鋼鐵設計院設計，在設計理念上遵循了“先進成熟、實用可靠、長遠發展”的設計原則，運用綜合長壽技術，爐齡設計壽命 25 a。

1.1　項目特點

高爐地基采用了樁基方案，在高爐基礎 60.0 m×35.7 m 的底面積范圍內布有直徑 1.2 m 的鋼筋混凝土灌注樁170 根。樁基為鉆孔灌注樁，樁基采用 C35 混凝土，樁徑1.2 m，樁長 42.0 m，樁距 3.6×3.7 m。基礎底板長 60.0 m，寬 35.7 m，高 5.5 m；爐底座半徑 10.1 m，高 3.0 m。高爐基礎承臺采用大塊式鋼筋混凝土基礎，為滿足高爐爐齡的要求，首次在特大型高爐基礎上應用了 C30 高性能混凝土。

本工程具有一次連續混凝土施工方量大(計算量 8 200 m3)、質量要求高(不能出現有害裂縫，防止地下水侵蝕鋼筋對高爐基礎的耐久性產生不利影響)和一次性不間斷連續澆筑完成等特點。

1.2　施工方案

根據以上地勘及設計文件參數及要求，監理部經過認真、嚴格的審查、對比、論證、優化后，批準了高爐基礎混凝土澆筑分兩次施工的方案：第一次澆筑 60.0 mm×35.7 mm×5.5 m 的基礎本體，第二次澆筑高爐底座圓墩，第一、二次澆筑混凝土之間形成施工縫。高爐基礎混凝土一次(-5.5～±0.0)m 連續澆筑混凝土總量達 8 200 m3，為國內冶金工程單次連續澆筑量最大、最厚的大體積單體混凝土基礎之一。

基礎底板下部鋼筋共設置 4 層，第一層鋼筋長度方向采用Ⅲ級鋼筋 φ32 mm×125 mm，寬度方向采用Ⅲ級鋼筋 φ32 mm×200 mm；中間部位兩層鋼筋均為Ⅱ級鋼筋φ16 mm×300 mm；上部鋼筋(包括四周)均采用Ⅲ級鋼筋φ32 mm×200 mm 雙向，圈筋在立筋的內側。鋼筋的混凝土保護層厚度底板底部為 120 mm，其余為 50 mm。

1.3　計算和實驗

根據高爐基礎的設計要求、擬選用的混凝土配比和當地水文氣候條件，通過對混凝土的溫升、溫差、降溫等環節，對抗裂進行了計算。為了核實、驗證混凝土的溫升計算結果，還要求施工單位做了混凝土的絕熱溫升試驗，試驗結果與計算結果非常相近，證明了計算的可靠性。

2　施工技術措施

2.1　混凝土相關指標

經過多種方案嚴格篩選，在保證各項指標(混凝土含氣量平均值 4%～6%，氯離子擴散系數 DNEL＜6×10-12m2/s(28 d 齡期)，混凝土抗凍性的耐久性指數 DF 在 60%～70%，總的混凝土含堿量≤ 3.0 kg/m3)要求的前提下，達到降低大體積混凝土塊體水化熱，推遲、降低溫升峰值的目的，采用按一定配合比設計的高性能混凝土。

2.2　施工技術措施及監理控制要點

高爐基礎混凝土澆筑分兩次施工，先澆筑 60 m×35.7 m×5.5 m 的基礎本體，后施工爐底座圓墩。高爐基礎混凝土一次(-5.5～±0.0) m 連續混凝土澆筑總量達 8 200 m3。高爐基礎選擇在 4 月初開始澆筑，有利于降低混凝土的入模溫度。

(1) 混凝土初凝時間按不早于 8.5 h 設計，按每 40 cm分層澆筑，每一層混凝土澆筑量 857 m3，每小時混凝土供應量≥ 123 m3，安排 16 臺混凝土運輸車。

(2) 保證新拌混凝土供應能力不低于單位時間所需量的1.2 倍，確保混凝土的持續不間斷澆筑，并且制定相應的應急預案。

(3) 澆筑混凝土時，為防止前后澆筑的混凝土出現冷縫，施工采用“連續分層”方案，每層厚度不超過40 cm，且前后層施工混凝土澆筑時間間隔不超過混凝土初凝時間。

(4) 在混凝土澆筑前根據混凝土配合比和水化熱試驗結果，結合現場氣候條件，對大體積混凝土澆筑體內部溫度場、收縮應力和溫度應力進行預測計算。

(5) 計算保溫層厚度，設計延時保溫、保濕養護方案。

(6) 養護力度大小及時間長短根據實時監控數據進行調整，高爐基礎拆模后及時回填，以保證高爐基礎大體積混凝土質量，避免基礎混凝土長時間暴露而增大里外溫差。

3　溫度場和應力場監控

該工程具有混凝土施工方量大，質量要求高，養護困難，一次性不間斷連續澆筑完成等特點。為確保施工質量，在精心組織施工的前提下，還通過對該大體積混凝土澆筑塊體內部的溫度場和應力場的實時監控，達到及時發現養護過程中可能出現的異常情況，及時調整養護方案，以實時監測數據指導本次施工和養護，實現不出現有害裂縫的目的。

現場溫度和應力監測工作本工程委托了中冶集團建筑研究總院建筑工程檢測中心實施，采用了兩套監測系統：英國輸力強公司生產的獨立高精度多通道測量站(IMP)，通過 S-網絡與中央控制器組成的分散式數據采集系統；澳大利亞產 dataTaker 數據采集儀。采用三種測試元件：高精度銅電阻溫度傳感器、美國基康公司的 BGK—4200 型應變計和中冶集團建筑研究總院自主開發的 kM—200A 型傳感器進行混凝土溫度和應變測量，測試系統循檢能力小于 1秒。

4　監理控制要點

根據以上施工及養護監控措施，監理部做了認真的準備和部署工作。首先深刻理解到本工程的重要性和技術難度，然后根據施工方案有針對性的制定出詳盡的監理細則，概括為對施工行為嚴把“六關”和三個“保證”，以確保施工技術措施得到嚴格、全面的落實。具體措施如下：

(1) 嚴把“六關”：資質關、方案關、材料關、工序關、資料關、驗收關。

(2) 做到三個“保證”：對每一個可能涉及到質量和安全的因素進行嚴格監督，保證不出現重大質量和安全問題；無論主控項目還是一般項目，都必須做到閉環控制，保證每一個隱患都得到整改；進入下一個工序前保證上一個工序不遺留施工質量問題和安全隱患，以此類推，環環相扣，最終才能保證施工質量和安全，達到設計要求。

5　結　語

(1) 本次 4 000 m3高爐基礎大體積混凝土施工取得了成功，這離不開中冶集團建筑研究總院工程檢測中心對高爐基礎混凝土施工前后的鼎力指導。

(2) 基礎一次性整體澆筑完畢，由于在施工工藝、材料組成、后期養護和現場監測等方面采取了一系列溫控防裂技術措施，基礎未出現有害裂縫。整體澆筑縮短了工期、增加了整體剛度、提高了防水性能。監測結果表明：只要在施工過程中對原料的質量、混凝土級配管理、泵送工藝、養護的保溫保濕等各個環節采取一系列切實有效的技術組織措施，以保證施工質量，一次澆筑大體積混凝土不留任何施工縫是完全可以實現的。

(3) 在整個施工過程中，從澆筑直至養護結束一直保持對溫度場和應力場的實時監控，并且根據監控數據對整個施工過程進行指導，實現了大體積混凝土的數字化施工。不但確保了國內最大體積高爐鋼筋混凝土基礎本體不出現有害裂縫，還詳細掌握了特大型大體積鋼筋混凝土在澆灌養護過程中水灰比、坍落度、外加劑、摻和科、大氣溫度、混凝土的溫度和溫升、混凝土的徐變和松弛等等之間的影響和變化關系，為以后的大體積混凝土施工積累了數據，掌握了訣竅。本次測試總采集次數 3 300 次，總有效數據 33 萬個，測試規模在國內大體積混凝土施工中前所未有，值得重視和推廣。

(4)《工程結構裂縫控制》[1]所給出的溫度場和溫度應力計算方法，是理論推導和無數工程實例的總結，實踐驗證具有較高的精度，既可以預測大體積混凝土溫度場的分布，又可以分析結構的溫度應力場問題，具有很強的適用性。

(5) 一般觀念所認為的設置伸縮縫就可以避免裂縫，不留伸縮縫就一定會產生裂縫的觀點有其片面性。從本次施工結果來看，混凝土的有害裂縫是可以避免的。合理控制溫度變化，充分利用混凝土徐變松弛的自身特性，可以有效控制混凝土在溫度變化下的變形，從而控制混凝土中應力變化。從監測結果來看，控制最高溫升、混凝土內外溫差和降溫速度是最關鍵的因素。

(6) 在這次大體積混凝土施工編制施工方案過程中，對混凝土的溫度、溫升、絕熱溫升、控溫和降溫都進行了理論計算。本次大體積混凝土施工理論計算及實際情況比較分析表明，理論計算和實測結果非常一致，施工過程控制良好，沒有產生任何有害裂縫，圓滿完成了施工任務。本次施工中采取的技術措施和積累的經驗值得認真總結和推廣，可以為我國的大體積混凝土施工工藝改良作出貢獻。

參考文獻：

[1] 徐榮年,徐欣磊.工程結構裂縫控制[M].北京：中國建筑工業出版社,2010.