大體積混凝土施工質量管控

韓 君

上海建工四建集團有限公司 上海 201103

隨著我國基礎設施建設以及超高層建筑工程的增加，大體積混凝土工程越來越多。國內規范對大體積混凝土給出了定義，其中《大體積混凝土施工標準》[1]中的定義為：“混凝土結構物實體最小幾何尺寸不小于1 m的大體積混凝土，或預計會因混凝土材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土”；《普通混凝土配合比設計規程》[2]中的定義為：“體積較大的、可能由膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土”。當前第一種描述更為大家所接受，但不管從哪一種定義都可以看出，大體積混凝土由于體積較大，水化熱較高，容易出現較大的溫度應力，甚至引起開裂，嚴重影響結構的強度和耐久性。為保障大體積混凝土的施工質量，需要從多方面著手，綜合應用多種技術和管理措施。本文以某工程大體積混凝土施工為背景，介紹了大體積混凝土全過程質量管控的方法。

1 大體積混凝土控制概述

1.1 大體積混凝土質量影響因素

大體積混凝土由于體量較大，膠凝材料水化放熱，引起混凝土內外溫差過大，當溫差引起的拉應力超過混凝土的實時抗拉強度時[3]，混凝土開裂，對混凝土的強度和耐久性產生不利影響。大體積混凝土溫度裂縫產生的機理復雜，國內外已經有很多學者進行了相關的研究，研究結果表明，邊界條件、環境條件、原材料、配合比、混凝土施工過程溫度控制和養護等是大體積混凝土是否產生溫度裂縫的重要影響因素[3-4]。其中，控制溫差是控制大體積混凝土裂縫的關鍵。

1.2 大體積混凝土溫度控制指標

目前，國內大體積混凝土施工的相關規范[5-8]均給出了溫度控制指標及方法，主要通過控制混凝土的入模溫度和養護過程中的溫差來實現大體積混凝土的質量控制，同時也對配合比和施工工藝提出了建議。不同的規范對于溫度控制指標存在微小差異，各規范的指標如表1所示。

表1 各規范中大體積混凝土施工控制指標對比

各規范中，對于溫度的控制指標均為建議值，可結合工程經驗和實際的混凝土尺寸適當放寬。考慮到本工程核心筒區域混凝土面積和厚度均較大，實際中采用的溫度控制指標為：最大入模溫度30 ℃，入模后最大溫升50 K，最大表里溫差28 K，拆模時表面與大氣最大溫差25 K，最大降溫速率2 K/d。

2 工程概況

本大體積混凝土工程為1座超高層塔樓的筏板基礎。該塔樓地上74層，地下5層，建筑高度356 m，結構形式為框架-核心筒結構，基礎形式為筏板基礎。根據厚度，可將筏板分為外框區域和核心筒區域共2個區域。其中，外框區域的外輪廓為邊長為57 m的正方形，除柱承臺外，其余筏板厚度1.2 m；而核心筒區域的外輪廓為邊長36 m的正方形，主要由3.80、7.95、10.75 m等3種不同厚度組成，不同厚度之間通過臺階逐級過渡，局部電梯井處厚度達12.25 m。筏板的混凝土強度等級為C40，抗滲等級P12，2個區域混凝土澆筑量共計約10 000 m3，一次澆筑完成。

3 大體積混凝土質量保障措施

3.1 澆筑前保障措施

大體積混凝土澆筑前主要保障混凝土配合比和入模溫度，其中為準確計算入模溫度，采用了有限元軟件計算大體積混凝土內部溫度分布。

3.2 混凝土配合比

在配制本工程混凝土時，對原材料的物理和化學特性控制如下：采用水化熱較低、細度適中的P·O 42.5水泥；摻加粉煤灰和礦渣粉活性混合材料替代部分水泥；粗骨料選用粒徑5～25 mm的石子連續級配，細骨料選用細度模數2.7的中砂，嚴格控制粗細骨料的含泥量；使用合適的高性能聚羧酸減水劑，減少水泥用量，減少水化熱，并且延長初凝時間；控制混凝土原材料入機溫度。水泥的入機溫度≤35 ℃，石子堆場采用遮陽棚，并通過噴水降低石子的溫度，在拌制的過程中加入冰塊。

本工程混凝土的配合比如表2所示，水膠比為0.37。

表2 C40 P12混凝土配合比

3.3 入模溫度有限元分析

控制混凝土入模溫度，可降低混凝土內部的最高溫度，進而減小混凝土表里溫差以及混凝土表面與大氣溫差。為計算混凝土內部的最高溫度，利用Midas Gen v8.65對大體積混凝土進行水化熱分析，有限元軟件可同時考慮3個方向的溫度梯度，更準確地計算大體積混凝土內部的最高溫度。模型中考慮了面積最大的2個核心筒筏板區域，如圖1所示，厚度分別為3.80、7.95 m，計算得到澆筑后500 h內的升溫時程曲線，如圖2所示。混凝土入模溫度設定為30 ℃，大氣溫度設定為27 ℃（當地5—6月平均氣溫）。

圖1 大體積混凝土升溫時程模擬

圖2 大體積混凝土升溫時程曲線

通過大體積混凝土的升溫時程曲線可知，當混凝土的入模溫度為30 ℃時，表里溫差、表面與大氣溫差以及降溫速率均可以滿足本工程預定的控制指標。

3.4 澆筑中保障措施

3.4.1 混凝土供應

項目部選擇了具有豐富的大體積混凝土供應經驗的凝土供應商，該供應商在項目附近有2個生產基地，每個生產基地均可滿足本項目混凝土的供應需求，第2個生產基地作為備用。從每個生產基地到施工現場規劃了2條混凝土運輸車行駛路線，每部運輸車配置了先進的GPS通信設備，由生產調度中心統一指揮，有效防止了斷車、壓車現象，減少因等待時間過長造成的混凝土質量變化。

3.4.2 混凝土質量抽查

現場安排監理、總承包材料員和混凝土供應商質檢員聯合抽查到場的混凝土的氯離子含量、工作性能以及入模溫度。同時，混凝土供應商質檢員及時將現場情況反饋到生產基地，生產基地根據現場情況調整混凝土配合比。

3.4.3 澆筑工藝

本工程采用整體分層澆筑，先澆筑核心筒區域，當核心筒區域澆筑至和外框板底平齊時，同時澆筑核心筒區域和外框區域。由于筏板厚度較大，為防止混凝土拋落離析，設置鋼串通，使混凝土均勻流淌至基礎底部。為防止出現混凝土冷縫，在前一層初凝之前，開始后一層的澆筑，并且振搗棒插入2層分界線以下50 mm進行振搗。在鋼筋支架的不同標高處設置行走通道，并設置LED照明燈帶，方便工人振搗。

3.5 澆筑后保障措施

3.5.1 混凝土養護

大體積混凝澆筑完成后，在初凝前，按標高控制線用刮尺將混凝土表面刮平，初凝后，用鐵滾筒將混凝表面壓實，清除浮漿，最后進行二次收光。收光后，立即在混凝土表面灑水，并覆蓋1層塑料薄膜用于混凝土保濕，上面覆蓋1層干燥毛氈用于混凝土保溫，為防止降雨削弱保溫效果，毛氈上再覆蓋1層塑料薄膜。每天由專人檢查塑料薄膜的完整情況，并保持混凝土表面濕潤。同時，現場額外預備了1層毛氈和1層塑料薄膜，若混凝土內部溫度控制指標超標時，可覆蓋在現有保溫層上，增強保溫效果。養護時間由混凝土體內的溫度監測數據決定，混凝土表里溫差小于28 K且混凝土表面與大氣溫差小于25 K時拆除保溫層。

3.5.2 混凝土溫度監測

大體積混凝土在養護過程中，需要根據混凝土體內的溫度變化，動態調整保溫措施。在本工程中，采用了“大體積混凝土溫度無線監測系統”，實時監測大體積混凝土不同區域、不同深度的溫度，實現了信息化管理。該系統的工作原理如圖3所示，將溫度傳感器串聯接入數據采集節點，數據采集節點進行數據自動化采集，并將數據實時發送至遠程傳輸節點進行處理，遠程傳輸節點將數據自動上傳至云端服務器，管理人員可通過手機或PC端的瀏覽器查看實時溫度數據。測溫點沿筏板的2個對稱軸布置，覆蓋了筏板的主要厚度區域，以及厚度變化最大的區域。典型剖面的溫度傳感器布置如圖4所示，其中測溫點⑥的表面和內部溫度時程曲線見圖2，有限元模型對于溫度的預測值與實際測量值較為接近。

圖3 測溫系統工作原理

圖4 溫度傳感器布置剖面示意

4 大體積混凝土施工質量

大體積混凝土帶保溫覆蓋層養護，共持續了21 d，根據各區域不同深度的混凝土溫度計算出的混凝土溫差和溫度，與預定的控制指標相差不到2 K，基本達到了溫度控制目標。拆除保溫覆蓋層后，每天灑水養護，持續養護了7 d。混凝土表面未發現收縮裂紋。

5 結語

本文介紹了某工程大體積混凝土施工的全過程質量管控方法。澆筑之前，為降低混凝土的水化熱，配合比設計時，采用了低水化熱水泥，減小水泥用量，增加了粉煤灰和礦渣用量，并通過有限元軟件分析了混凝土體的升溫時程，分析得到混凝土的入模溫度不超過30 ℃時，混凝土體內的溫度和溫差均可以符合規范要求的控制指標。澆筑過程中，在澆筑現場抽查并調整混凝土質量，采用連續澆筑法并設置振搗通道，避免了施工冷縫的形成。澆筑完成后，采用了塑料膜保濕加毛氈保溫的養護方法，并通過溫度監測系統，實時監測混凝土內部關鍵位置的溫度變化，監測結果顯示，無需調整保溫層厚度。最終，本工程的大體積混凝土未出現收縮裂縫，具有較高的施工質量，可以驗證本文提出的施工質量管控措施是有效的。