徐家匯中心大體積混凝土溫控技術研究

陳逸群 房霆宸 朱敏濤 范勝華 左俊卿 ，3

（1.上海建工建材科技集團股份有限公司，上海 200086；2.上海建工集團股份有限公司，上海 200080；3.上海超高層建筑智能建造工程技術研究中心，上海 200080）

1 工程概況

徐家匯中心項目位于徐匯區商業核心地段，是集合高端商場、優質寫字樓及豪華酒店于一身的大型綜合項目。本工程地下區域主要被地墻分成4 個大基坑以及11 個小基坑。 其中，4-1、4-2、4-3 及4-4 區底板混凝土方量較大，擬采用大體積混凝土一次性澆搗施工方案。 本工程基礎底板混凝土設計標號為C40，抗滲等級按埋深分為P6～P12，4-1 區～4-4 區大方量基礎底板埋深均超過-30 m，故抗滲級別為P12。 上述基坑各分塊方量為6 150～20 000 m3不等， 均屬于大體積混凝土。 徐家匯中心最大底板4-3 區面積約4 793 m2， 大面底板厚1 500 mm、 部分底板厚度為1 800 mm、2 200 mm， 電梯井深坑部位最厚， 可達5 200 mm。 底板混凝土采用C40R60P12 混凝土，底板混凝土方量約8 580 m3。

2 配合比優化

2.1 配合比設計原則

本工程大體積混凝土配合比設計中主要考慮降低水化熱，減小混凝土的絕熱溫升。 根據大體積混凝土澆筑經驗[1-3]，其配合比設計原則如下：

（1） 在水泥用量方面， 混凝土設計強度等級為C40。在滿足混凝土設計強度等級的前提下，混凝土的設計齡期為60 d，減少單方水泥用量。 水泥用量與大體積混凝土的最高溫升有直接關系，降低水泥用量是非常有效的溫控措施。

（2）摻加粉煤灰、礦粉可以使混凝土水化熱在一定程度上延遲釋放，對于大體積混凝土的溫控極為有利，同時能提高混凝土的后期強度，使混凝土的強度保證率提高，改善混凝土的施工性能[4]。

（3）改善混凝土的體積穩定性，提高混凝土的抗裂性能， 采取適當地提高骨漿比及粗骨料用量的措施，進而可有效改善混凝土的抗裂能力。同時，在滿足強度和施工要求的前提下，采用盡量低的砂率[5]。

（4）采用聚羧酸系高性能外加劑，具有減水率高、緩凝時間長等特點，有效延緩水泥水化熱速度，推遲水泥水化熱出現峰值的時間， 降低水泥水化最高溫度，使得混凝土分層澆搗時不產生施工冷接縫。

2.2 膠凝材料水化熱

大體積混凝土膠凝材料的水化熱是進行大體積混凝土溫度裂縫控制設計的最主要參考參數，也是控制超大體積混凝土開裂的源頭。 根據以上設計原則，本文從膠凝材料的水化熱研究出發，并在此基礎上確定本工程大體積混凝土澆筑用混凝土配合比。為對比不同廠家水泥對水化熱的影響，本試驗選用了強度等級為P·O 42.5 金峰水泥A 和上海廠水泥B； 粉煤灰為洪渤建材提供的Ⅱ級C 類灰； 礦粉選用沙鋼S95級；水化熱測試樣品水膠比控制在0.48。 膠凝體系水化熱測試配比如表1 所示。

表1 不同膠凝材料水化熱測定配比

6 組配比膠凝材料體系的水化熱測定結果見表2。 對比1#和2#試樣，水泥B 各齡期的水化熱均明顯高于水泥A， 這主要與水泥的礦物組成和細度有關，從控制大體積混凝土放熱量來看，本工程宜采用水泥A。3#～6#均為粉煤灰和礦粉部分取代水泥的復合膠凝體系，由測試結果可知，粉煤灰和礦粉等礦物摻合料的摻入，膠凝體系的水化放熱量均能顯著降低，這主要是礦物摻合料的溫峰削減效應。礦物摻合料替代了部分水泥，使得混凝土中的水泥用量相應減少，所以膠凝材料所產生的水化熱也隨之減少，雖然礦物摻合料的火山灰效應也會產生水化熱，但由于其滯后于水泥的水化放熱且延續時間很長。水化放熱速率曲線見圖1，由圖1 可見礦物摻合料使膠凝體系的放熱率明顯降低，溫峰出現的時間也被延遲，這對大體積混凝土溫度裂縫控制十分有利。對比3#和4#樣品，粉煤灰摻量越高，膠凝體系的水化放熱量越低，由此可見，粉煤灰對水化熱的降低作用優于礦粉。 這是因為，采用的II 級粉煤灰的活性低于S95 級礦粉，同齡期同摻量條件下，粉煤灰水化速率較礦粉慢。早齡期時，粉煤灰對水化熱的降低效果極為明顯， 隨著齡期的延長，粉煤灰的火山灰作用逐漸發揮， 且具有二次水化作用，因此，隨著齡期的延長，摻粉煤灰膠凝材料的水化熱降低幅度逐漸減小，與摻礦粉膠凝材料的水化熱差異亦減小。

表2 不同膠凝材料各齡期水化熱測定結果

圖1 不同膠凝材料水化放熱速率曲線

3 大體積混凝土溫度計算及測溫

粉煤灰和礦粉都是大量使用的混凝土優質摻合料，尤其在大體積混凝土中合理使用尤為重要。 除了考慮水化熱的作用之外，還需要綜合考慮混凝土的工作性、力學性能、體積穩定性以及經濟性。綜合考慮上述因素， 本工程中4-3 底板最終采用2.2 中3# 膠凝體系，混凝土配合比如表3 所示。

3.1 混凝土絕熱溫升

混凝土的絕熱溫升計算值是結構物四周沒有任何散熱和熱損失的情況下，膠凝材料水化熱全部轉化成溫升的溫度值。根據《大體積混凝土施工規范》（GB 50496#2009）[6]，因粉煤灰和礦粉的摻入，復合膠凝體系的水化熱見公式（1）：

式中，Q 為復合膠凝體系的水化放熱量（kJ/kg）；Q0為水泥水化熱總量（kJ/kg）；k 為不同摻量礦物摻合料水化熱調整系數。 P·O 42.5 水泥28 d 水化熱為375 kJ/kg，粉煤灰摻量和礦粉摻量對應的水化熱調整系數分別為0.951 和0.9214，因此，復合膠凝材料的放熱量Q 為327.15 kJ/kg。

大體積混凝土的絕熱溫升計算方法見公式（2）所示：

式中，T（t）為混凝土齡期為t 時的絕熱溫升（℃）；W 為每m3混凝土膠凝材料用量（kg/m3）；Q 為膠凝材料水化熱總量（kJ/kg）；C 為混凝土的比熱，取0.97kJ/（kg·℃）；ρ 為混凝土的密度，取2 400 kg/m3；m 為與水泥品種、澆筑溫度等有關的系數（1/d），數值見表4；t為混凝土齡期（d）。

表4 常數m

澆筑溫度為30℃時，混凝土的絕熱溫升為：

其溫升曲線如圖2 所示。

圖2 大體積混凝土絕熱溫升曲線

3.2 混凝土的溫升計算

采用一維差分法計算大體積混凝土溫升，將混凝土沿厚度分許多有限段Δx，時間分許多有限段Δt。相鄰三點的編號為n-1、n、n+1，在第k 時間里，三點的溫度Tn-1，k、Tn，k及Tn＋1，k，經過Δt 時間后，中間點的溫度Tn，k＋1，可按差分式（3）求得。

式中，α 為混凝土的熱擴散率，取0.003 5 m2/h。

澆筑第一層，時取相應位置溫度為初始溫度，混凝土入模溫度為混凝土初始溫度， 當達到混凝土上表面時，可假定上表面邊界溫度為大氣溫度。 以厚度為2.2 m 為例，地基及初始大氣溫度取28 ℃，混凝土入模溫度取30 ℃。 △t 取0.25 d 即6 h；△x=0.314 m， 即分7層，故：αΔt/Δx2=0.213。取T0，0=28℃，T1，0～T7，0為30 ℃，根據公式（4）計算混凝土的溫升，其結果如圖3 所示：

由圖3 可知，混凝土最大溫升發生在4 d 左右，中心最大溫升達70.3 ℃。 從里表溫差數據來看，混凝土澆筑塊體的最大里表溫差為23.4 ℃，未超過標準規定的最大溫差限值25 ℃，說明設計的膠凝體系配置的混凝土溫度控制合理，混凝土收縮開裂趨勢得到有效控制。

圖3 大體積混凝土溫升計算

3.3 大體積混凝土測溫

為了確保混凝土的質量，防止內外溫差超限而產生溫度及收縮裂縫，在澆筑和養護期間，對混凝土的內表溫度實施每天24 小時的連續監測， 密切監視溫差波動，指導基礎混凝土養護工作，嚴格控制大體積混凝土的內外溫差，防止混凝土貫穿裂縫及表面干縮裂縫的產生。 本次測溫依據《混凝土結構工程施工規范》（GB 506666#2011）[7]進行，混凝土溫度測點布置見圖4。 測溫系統采用建工集團與同濟大學共同開發的“大體積混凝土溫度遠程測控系統”，采用全數字式方式對大體積混凝土水化熱過程中溫度變化狀況進行監測，掌握混凝土的溫差波動情況，以指導基礎底板的溫控措施。 測試結果見圖5 所示。

由圖5 可知，實測的大體積混凝土溫升最大值為73.3 ℃， 最大溫峰出現時間為3.5 d 左右， 其結果與3.2 計算結果較為接近。基于計算以及實測結果，在大體積混凝土養護過程，采用兩層薄膜、兩層麻袋保溫養護，可滿足溫控及防裂要求。 在養護階段，薄膜、麻袋邊緣要搭接好，不允許漏縫。 大體積混凝土不僅要保溫，還要注意保濕，以減小混凝土的收縮，特別是高標號混凝土前期收縮較大。 在混凝土終凝后、保溫薄膜應及時覆蓋，盡快形成保溫保濕養護環境。 在混凝土初終凝階段，采用兩次抹面技術，消除表面裂縫。

4 結語

圖4 大體積混凝土基礎測溫點布置

圖5 大體積混凝土測溫點監測數據

根據徐家匯中心基坑底板混凝土澆搗施工方案，設計了降低水化熱、控制混凝土絕熱溫升的混凝土配合比優化原則，通過對比試驗優選出最佳膠凝體系配比：水泥∶粉煤灰∶礦粉=220∶80∶120，并在此基礎上獲得混凝土配合比。計算了混凝土絕熱溫升值，結果表明，混凝土最大溫升發生在4 d 左右， 中心最大溫升達70.3 ℃。 實測混凝土溫升最大值出現時間為3.5 d 左右，最大值為73.3 ℃，與計算值較為接近。計算和實測混凝土里表溫度差值均未超過標準規定的最大值，說明基于優化膠凝體系配制的徐家匯中心大體積混凝土溫度得到有效控制。