溫度預控技術體系在超大體積混凝土筏板施工中的應用

趙世冉，宋心，王歡，穆文芳，賈世偉，包貴安，周帥平

（1. 陜西秦漢恒盛新型建材科技股份有限公司，陜西 西咸新區 712000；2. 陜西恒盛集團新材料研究中心，陜西 西咸新區 712000）

0 引言

中國國際絲路中心項目位于陜西省西咸新區中央商務區，占地 894 畝，總投資 400 億元，主要建設國際會議中心、五星級酒店、高端商業百貨等多種業態。其中，5A 級寫字樓高 489m，建成后將成為西部地區最高建筑。該工程主樓區域地下 4 層，筏板面積約7900m2，塔樓筏板的厚度為 5m，電梯井最深位置筏板厚度為 6.3m，混凝土澆筑總方量約 31000m3。

該項目的筏板施工是西部地區體量最大的一次超大體積混凝土施工，根據工期安排，施工單位要求 50 個小時連續不間斷施工，并且混凝土作業面最大落差超10m，不僅對混凝土內部水化熱的控制提出了很高的要求，也對混凝土拌合物的和易性和抗離析性提出了嚴格的要求[1,2]。為了降低施工過程中的水化熱和水化溫差，減少溫度裂縫的產生幾率，課題組結合同類型工程施工經驗，組建了超大體積混凝土生產施工技術團隊，采用了包含大體積混凝土配合比設計、膠凝材料水化熱試驗、ANSYS 溫度模擬、大體積混凝土溫升實時監測等手段為一體的溫度預控技術體系，保障了大體積混凝土筏板的順利施工。

1 大體積混凝土配合比設計

為降低大體積混凝土水化過程中的絕熱溫升，混凝土的配合比應在控制膠凝材料總量、保持混凝土良好和易性的前提下，提高摻合料摻量，降低水泥用量。但是摻合料的種類和摻量必須通過前期的試驗來確定[3,4]。課題組分別將粉煤灰與礦粉以單摻和復摻的方式替代水泥，進行了系統的混凝土物理力學性能試驗（結果見圖1、2），其中單摻采用等量取代水泥法，取代率依次為10%、20%、30%、40%；復摻將摻合料總摻量分別設置為 30%、40%、50% 進行對比試驗，其中粉煤灰和礦粉的比例分別設為 1∶2（a）、1∶1（b）、2∶1（c）。

圖1 單摻粉煤灰/礦粉抗壓強度

通過試驗對比了不同摻合料摻量下混凝土 1h 和 2h的坍落擴展度，結果表明無論是采用單摻還是復摻，混凝土的坍落度和擴展度在 1～2 小時內變化不大，混凝土和易性均良好，這與該項目大體積混凝土原材料砂、石、水泥、外加劑等采用了專料專供的方式有關，表明優質與穩定的原材料，能夠擴大摻合料的摻量范圍，從而最大限度的降低混凝土的絕熱溫升。為確定摻合料的摻量，試驗對比了不同摻合料摻量下混凝土的 7d、28d 抗壓強度，由圖 1 單摻粉煤灰和礦粉的試驗結果可以看出，單摻礦粉的混凝土 7d 和 28d抗壓強度均高于單摻粉煤灰的，表明礦粉相較于粉煤灰更能提高混凝土的抗壓強度。隨著摻量的增加，單摻粉煤灰的混凝土抗壓強度整體呈現出先增長后降低的趨勢，當粉煤灰摻量為 30% 時，抗壓強度達到最大值；單摻礦粉的混凝土抗壓強度隨摻量的增加，7d 強度呈現下降的趨勢，但摻量在 20% 的時候，28d 強度略有提高。從圖 2 復摻粉煤灰和礦粉的試驗結果可以看出，隨著總摻量的增加，混凝土的 7d、28d 抗壓強度均呈現降低的趨勢。當總摻量為 30%，且粉煤灰與礦粉之比為1∶2 時（a1），混凝土的抗壓強度達到最大值。

圖2 復摻粉煤灰和礦粉抗壓強度

2 膠凝材料水化熱試驗

為準確掌握摻合料摻量對混凝土水化熱的影響，課題組以礦粉、粉煤灰單摻和復摻的膠凝材料體系水化放熱為試驗組，以相應純水泥水化放熱作為參照組進行了水化熱和水化熱放熱速率試驗，如圖 3、圖 4 所示。

圖3 各膠凝體系水化熱

圖4 各膠凝體系水化熱放熱速率

從圖 3 和圖 4 可以看出，在膠凝材料總量不變的情況下，單摻或復摻粉煤灰和礦粉均能降低膠凝材料的水化熱和水化熱放熱速率，且復摻時降低效果最明顯。其中，單摻 30% 粉煤灰的膠凝材料各齡期水化熱明顯低于單摻 30% 礦粉的，這是因為相對于礦粉，粉煤灰的火山灰反應遲緩，在相同的替代量下，可大大降低膠凝材料的水化熱。因此，混凝土的配合比應采用粉煤灰和礦粉復摻的方式，同時礦粉摻量應低于粉煤灰摻量。

3 大體積混凝土溫度場模擬

大體積筏板混凝土內部的溫度變化是隨著膠凝材料的水化而逐漸提高的，為預測水化熱的變化對筏板溫度應力場的影響，課題組假設大體積筏板混凝土除上表面外其余面為固定約束，并設定了相應參數，采用ANSYS 軟件進行了溫度場模擬，如圖 5 所示。

由圖 5 可知：大體積筏板混凝土水化熱溫度從20℃ 提高到 62℃，混凝土的總變形量、等效應力和等效應變均呈現出增大的趨勢，水化熱對溫度應力的最大值影響比較大。由于混凝土材料的不均勻性，經過一段時間水泥水化之后，在混凝土的內部逐漸形成了較為明顯的溫度分布，即溫度場。從溫度場的分布圖可以看出，溫度的等值線一般呈圈狀分布。隨著混凝土水化程度的衰減，最終在混凝土的內部形成較為明顯的高溫集中區。由計算可知，混凝土的內部最高溫度可以達62℃，此時溫度應力最大，在不考慮鋼筋的作用下，水化熱溫升溫度達到最高溫度時，由溫度引起的混凝土表面的溫度應力為 13.385MPa，而在實際施工中混凝土中密集的鋼筋能充分減少應力集中，從而降低溫度應力，有效防止表面溫差裂縫的發生。

圖5 各溫度下的溫度應力場云圖

4 大體積混凝土溫升實時監測

為了準確掌握施工過程中大體積混凝土筏板的內部溫度情況，課題組結合配合比設計、水化熱試驗以及溫度場模擬的試驗結果，在大體積筏板混凝土內部布置了多個測溫點，采用溫度傳感器進行內部溫度變化實時監測，本文選取其中三個測點進行輔助分析，如圖 6 所示。

圖6 部分大體積筏板混凝土溫度—時間變化曲線

由圖 6 可知，大體積筏板混凝土施工時的最高絕熱溫升值為 62℃ 左右，隨著施工的進行，最高溫升值會逐漸降低。在此過程中應加強混凝土的測溫和監測工作，同時要做好已澆筑完成的混凝土表面的保溫養護工作，確保混凝土的內部溫度與表面溫度差在 25℃ 以內，防止溫度應力裂縫的產生。

實踐證明，經過配合比設計、水化熱試驗確定的混凝土配合比，結合施工前的溫差模擬，能夠使以往難以控制的大體積混凝土內部溫升變得可控，有效保證施工質量。

5 結語

大體積混凝土筏板施工的溫度控制技術對于降低混凝土內部溫度裂縫的產生幾率，提高施工水平尤其是超高層建筑的施工技術水平具有重要意義[5,6]。因此，廣大施工技術人員應加強對大體積混凝土施工中的重點、難點的認識，通過實施大體積混凝土配合比設計、膠凝材料水化熱試驗以及大體積混凝土內部溫度場模擬和施工中的溫升實時監測為一體的溫度預控技術體系，能夠更好的提高工程質量和施工效率，具有推廣意義。