大體積混凝土底板溫控數值模擬與施工技術
——以某商業住宅樓地下室工程為例

張國珍

(福州新榕城市建設發展有限公司 福建福州 350005)

0 引言

隨著近年建筑結構持續向高樓層、大荷載、深基礎方向發展，大體積混凝土在建筑結構中得到越來越廣泛的應用。與此同時，在施工中大體積混凝土存在因水化反應導致的溫度裂縫問題也日顯突出，嚴重影響了混凝土澆筑質量以及建筑的正常使用。由于受地下水影響以及部分大型設備的基礎承臺的存在，地下室底板存在較大量的大體積混凝土工程，因此，對地下室底板的大體積混凝土開展水化反應分析，并相應提出控溫措施施工技術，具有重要的工程意義[1-3]。

根據相關規范規定，幾何尺寸大于等于1m的混凝土叫作大體積混凝土，在應用與實踐過程中，受到溫度或環境影響導致材料內部產生裂縫，使得施工質量顯著下降[4-5]。

基于此，本研究擬以某一商業住宅樓地下室工程為例，研討大體積混凝土底板溫度控制數值模擬及其施工技術。某商業住宅樓地上22層，地下3層，總建筑面積82 983 m2，整體建筑效果如圖1所示。由于建設場地地質條件受限，此外地下室底板標高較深，結構整體采用了樁筏基礎形式，局部底板厚度達到3.0m，平面尺寸為15 m×12 m，如圖2所示，屬于大體積混凝土。

圖1 整體建筑效果圖

圖2 大體積混凝土

1 大體積混凝土模型分析

1.1 混凝土材料性能分析評價

對于大體積混凝土，其水化后的溫度及應力分布情況，受澆筑順序、環境溫度、入模溫度、表面保溫措施等多因素影響外，還受混凝土自身熱工性能影響。該項目工程大體積混凝土強度等級為C40，控制水膠比不高于0.40，控制膠凝材料總量不超過450 kg/m3，在保證強度的基礎上，要盡量控制膠凝材料用量，摻合料采用粉煤灰、礦粉復配體系，混凝土外加劑采用高性能聚羧酸系外加劑。

經過分析可知，能夠直接影響大體積混凝土自身相關熱力性能的因素很多，具體涵蓋混凝土材料的熱膨脹系數、導熱系數、比熱容等，也包括混凝土底部地基土體的相應熱工特性。根據該工程所采用的材料及相關文獻的建議，本研究采用表1所示的材料性能參數[2]。

表1 混凝土材料性能參數

1.2 施工條件

該工程地下室底板局部大體積混凝土施工期間，施工現場環境溫度約為10℃，混凝土攪拌過程未采取特殊保溫措施，入模溫度取10℃，該大體積混凝土底面與土體接觸，土體的溫度可近似為環境溫度10℃。

1.3 有限元模型

本研究采用有限元程序Midas / Gen進行數值模擬分析，采用實體單元建立大體積混凝土模型及混凝土下方地基土體模型，其中，地基土體選擇大體積混凝土底面積兩方向各延伸3m的范圍，土體深度亦為3m，土體四周邊界采用固定約束，模擬真實地基土體無限大的邊界情況。有限元模型如圖3所示。

圖3 大體積混凝土有限元模型

由于受到周邊土體溫度影響，地基土體四周及底面可視為固定溫度邊界，取固定溫度等同于環境溫度10℃；大體積混凝土外表面(四周及頂面)以及地基土體頂面，可視為與空氣接觸，為對流邊界，根據相關文獻，取對流系數50.23 kJ/m2·h·T[3]。

大體積混凝土水化反應在絕熱條件下，其溫度K(t)上升隨時間t變化，可表示為公式(1)：

K(t)=K(1-e-at)

(1)

式(1)中，a為上升曲線參數;

t為時間，單位為d；

K為最大絕熱上升溫度，單位為℃。公式(2)表示為：

(2)

式(2)中，Q0為水泥最終水化熱；

W為單位體積混凝土的水泥用量；

k為摻合料水化熱的折減系數；

F為單位體積混凝土的摻合料用量；

c為混凝土的比熱容；

r為混凝土密度。

賦予混凝土單元熱源屬性，模擬混凝土在水化過程所產生的熱量。

2 數值模擬結果

該工程大體積混凝土施工過程，選擇了具有代表性的豎向剖面布置溫度測軸，監測混凝土水化過程產生的熱量。將某測點所采集的溫度變化時程曲線和有限元數值模擬結果進行對比，如圖4所示。

圖4 監測與數值模擬結果對比

監測所得混凝土在澆筑97h后達到最高溫58.0℃，而數值模擬得到的混凝土在澆筑120 h后達到最高溫54.3℃。此見，本研究所建立的有限元模型能較為準確地對大體積混凝土水化反應進行模擬。

由圖4的溫度變化曲線可知，在混凝土澆筑后120 h時，混凝土水化溫度達到最高，此時的混凝土內部溫度分布如圖5所示。

由圖5可見，混凝土內部區域溫度最大值達到54.3℃，混凝土表面溫度達到19.1℃，混凝土內外溫差35.2℃。

混凝土內外過大的溫差，對大體積混凝土產生溫度應力。分析混凝土澆筑后5d時的應力分布情況，如圖6所示。此時混凝土表面產生較大拉應力，上表面大部分區域的應力都超過10 MPa，在此拉應力作用下，大體積混凝土表面極易產生開裂，影響混凝土成品質量。

圖5 澆筑后120h時刻溫度分布圖

圖6 澆筑后5d時刻應力分布圖

從圖5～圖6中還可知，受混凝土水化反應影響，與混凝土接觸的地基土體區域溫度也有一定上升，但受影響區域范圍有限，深度方向影響距離約為2 m，水平方向影響距離在1m以內，而對土體應力情況幾乎不產生影響。

3 溫控措施

在外表面采取一定的保溫措施，可以有效降低大體積混凝土內外溫差。分析混凝土表面采取20℃的保溫措施，大體積混凝土的應力分布如圖7所示。由圖7可見，此時混凝土表面大部分區域的應力得到有效控制。

綜上述數值模擬分析可知，控制水化反應過程，大體積混凝土內外溫差以及控制溫度變化速率，能起到有效控制大體積混凝土溫度裂縫的效果。基于此，該工程形成如下溫控措施施工技術要點。

圖7 采取保溫措施澆筑120 h后應力分布圖

(1)對混凝土入模溫度及最高溫升進行控制。

控制入模溫度不超過35℃；控制混凝土核心區域溫度與表面溫度差不超過12℃，同一墻段內中心溫差±5℃；控制混凝土內部的降溫速率不超過2～3℃/d。

(2)取適量的大體積混凝土，選擇相關措施對其進行蓄熱保濕，達到養護的效果。

在操作時，保溫養護借助塑料薄膜或麻袋進行輔助，且兩種材料各取兩層并交替疊加。具體措施：混凝土表面覆蓋塑料薄膜一層，以封閉混凝土內水分蒸發途徑，再覆蓋一層適當厚度的麻袋，防止散發更多的熱量；在外部添加塑料薄膜，避免滲進雨水；最后，添加適當層數的麻袋。

(3)進行必要的現場溫度監控。

采用基于溫度梯度的溫控方法，養護階段，監控混凝土表面內40 mm～100 mm位置以及表面的溫度，確保二者溫差不超過25℃；養護完成后，大體積混凝土外層表面特定區域與環境溫差不超過25℃；混凝土澆筑體內部相鄰兩測溫點的溫差不超過25℃。

4 施工工藝

通過數值模擬，得到地下室底板大體積混凝土水化反應規律，然后進行施工技術研究，形成具有較高工藝水平的施工工藝控制技術。具體流程如下。

4.1 澆筑過程

在澆筑混凝土過程，從中間方位開始，逐漸朝兩邊或沿長邊方向由一邊向另一邊的施工順序進行；從斜方向開始，逐層遞進，先澆筑薄層，再依次退澆，一次完成。澆筑時，應確保不同層級的混凝土相互之間保持穩定。

為了縮短混凝土水化熱的傳遞路徑，加速混凝土水化熱的擴散，通常選擇踏步式澆搗法進行斜面分段分層澆筑。依據1∶10的坡度比例使其順利流淌，并應保持分層厚度小于500 mm，以提高澆筑質量，流程如圖8所示。

圖8 混凝土分塊分層澆筑方法示意圖

4.2 養護過程

(1)為了減少混凝土內外表面溫差，一般利用蓄熱保濕養護法進行操作，溫度和濕度處于適宜的環境下，不斷增強混凝土內部結構的強度，保證溫度變化在預期之內，降低溫差裂縫產生的風險。

(2)澆搗結束后，借助刮尺清理殘留的泌水，然后對混凝土進行一系列工藝處理，待凝固后再開展養護工作。

(3)多數情況下，保溫養護需要借助塑料薄膜以及麻袋等工具進行輔助。因此，首先在混凝土表面添加一層塑料薄膜，避免水分快速蒸發，防止出現干縮裂縫；然后，再添加一層麻袋，防止散發過多的熱量；添加一層適當厚度的塑料薄膜，避免滲進雨水；最后，加上麻袋。

(4)養護時間與環境溫度有關，一般不小于14d。

4.3 現場溫度監控

(1)采用基于溫度梯度的溫控方法。

在養護周期內，將混凝土澆筑體外部表面特定區域的溫度變化控制在于25℃以內；覆蓋養護完成后及時進行拆模。此時，混凝土澆筑體外部表面特定位置與環境溫差，不應大于25℃；混凝土澆筑體內部相鄰兩測溫點的溫差，不應大于25℃。

(2)有效把控澆筑過程中混凝土的內外溫度變化。

基礎底板混凝土應選擇具有代表性的兩個交叉豎向剖面，布置溫度測軸；且每個測軸測溫點不應少于3處，環境測溫點不應少于2處。

(3)每個豎向剖面周邊及內部應設置測溫點，兩個豎向剖面交叉處應設置測溫點。

混凝土澆筑體表面測溫點，應設置在保溫覆蓋層底部或模板內側表面；每個剖面周邊測溫點，應設置在混凝土澆筑體表面40 mm～100 mm以內的位置。

5 結論

本文根據某地下室底板大體積混凝土實際工程，采用有限元程序Midas / Gen對該大體積混凝土水化反應進行模擬分析，并將模擬結果與監測數據進行對比，驗證了模型的合理性。利用數值模型，分析了大體積混凝土溫度分布、應力分布情況，并分析了溫控措施的影響。得出以下結論：

(1)在混凝土澆筑后120h時，混凝土水化溫度達到最高值，此時混凝土內外溫差為35.2℃。

(2)過大的混凝土內外溫差，將導致混凝土表面大面積區域產生受拉應力，進而容易導致混凝土表面開裂。

(3)在混凝土表面采取一定的保溫措施，可使得混凝土表面大面積受拉狀態得到有效控制。

(4)在數值模擬結果上，提出了大體積混凝土溫控措施的若干施工技術要點，可提供同仁借鑒。