武漢某超高層建筑底板大體積混凝土施工技術

孔德勇

（武漢龍嘉房地產開發有限公司，湖北 武漢 430050）

由于經濟建設規模的迅速擴大，建筑用地日趨緊張，工業與民用建筑正向著高、大、深和復雜結構的方向發展。作為支撐上層建筑的底板基礎尺寸越來越大，一次連續澆筑混凝土方量記錄快速刷新。

GB50496-2018《大體積混凝土施工標準》規定：混凝土結構物實體最小尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預計會因混凝土中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，稱之為大體積混凝土[1]。在高層與超高層建筑施工過程中，基礎底板的尺寸一般符合大體積混凝土的定義，為確保基礎結構質量安全，掌握并做好大體積混凝土施工要點尤為重要。

1 項目概況

武漢某大型商業綜合體項目，位于長江濱江地塊。總建筑面積約39萬m2，其中地上建筑面積27萬m2，地下建筑面積12萬m2，包括T1塔樓、T2塔樓及商業裙樓，其中T1塔建筑面積6.3萬m2，地上50層，建筑高度231m，T2塔建筑面積5.5萬m2，地上39層，建筑高度199.5m，見表1。

表1 建筑概況一覽表

裙樓部分為框架結構，塔樓部分為框架-核心筒結構，建筑結構安全等級二級，地基基礎設計等級甲級，樁基礎設計等級甲級，地下室防水等級二級。其中T1塔樓為樁筏基礎，筏板厚度為2.8m、4.2m，局部9.7m、8.2m、5.8m、4.3m，混凝土澆筑量為8348m3，混凝土強度等級為C40，抗滲等級為P8，符合規范對大體積混凝土的定義，需進行專項管控。根據項目整體施工計劃，底板混凝土澆筑時間定為2022年1月10日，根據往年氣象資料統計，預計澆筑期間日平均氣溫為5℃。T1塔樓基礎剖面圖如圖1所示。

圖1 T1塔樓基礎剖面圖

2 大體積混凝土管控重點分析

大體積混凝土由于其體量大、施工困難，如施工技術質量控制不善，易出現混凝土開裂質量事故，開裂主要分為以下兩種情況。

2.1 升溫階段開裂

普通混凝土構件由于其截面小，臨空面多，可以很好地對外釋放自身水化過程產生的熱量。但是大體積混凝土截面尺寸很大，上表面散熱條件好，熱量可向大氣迅速散發；而混凝土內部由于散熱條件較差，水化熱聚集在內部不易散失，因此產生內外溫度差，形成內約束，導致混凝土內部產生壓應力，表面產生拉應力，當拉應力超過混凝土該齡期的抗拉強度時，混凝土表面就產生裂縫。根據大量工程實踐表明，混凝土內部的最高溫度一般出現在混凝土澆筑后的最初4d～9d[2]。

2.2 降溫階段開裂

混凝土澆筑約7d～9d后，水泥水化熱基本釋放完成，混凝土溫度從最高值逐漸下降。混凝土降溫會引起混凝土一定的收縮，同時，由于混凝土中水分的蒸發也會引起混凝土體積收縮變形，由于受到地基和結構邊界條件的約束不能自由變形，導致產生較大的外部約束拉應力。當該拉應力超過混凝土該齡期的抗拉強度時，則約束面開始向上開裂形成收縮裂縫。

2.3 病害防治原則

混凝土開裂輕則導致結構底板漏滲水，影響混凝土結構的耐久性，重則破壞了結構的整體性，危及結構安全，形成嚴重的質量事故，應重點預防。混凝土開裂的主要原因為水泥發生水化熱反應，可以比喻為混凝土感冒發燒，需要進行降溫治療，現行的主要手段有：強身健體最關鍵，輔以外敷、輸液治療等。

2.3.1 強身健體

水化熱是水泥中硅酸三鈣、硅酸二鈣與水產生化學反應生成水化硅酸鈣(C-S-H凝膠)和氫氧化鈣，過程中釋放的熱量。混凝土的絕熱溫升值與水泥材料用量成正比，選用低水化熱的水泥，通過大體積混凝土配合比專項設計，降低水泥及水用量，可以有效降低水化熱；另一方面通過增加混凝土抗裂鋼筋，也是預防混凝土開裂的有效有段。

2.3.2 外敷治療

僅僅是水化熱導致混凝土溫度上升并不能直接引起開裂，大體積混凝土內外溫差過大引起的溫度應力大于混凝土自身的抗拉強度，才是導致開裂的直接原因。通過在混凝土外表覆蓋一定厚度的保溫材料，確保混凝土內外溫差在一定的范圍內，可以有效預防大體積混凝土開裂。

2.3.3 輸液治療

如果通過配合比設計、保溫覆蓋仍無法解決混凝土溫差過大問題，就必須進行輸液治療，即通過熱力計算，在混凝土內部敷設一定間距的循環水管，通過循環水將混凝土內部的熱量帶出，降低中心區域的溫度，防止過高溫差的出現。此方法的措施投入及管理成本較高，在民用建筑的大體積混凝土溫控措施中并不常用[3]。

2.4 大體積混凝土施工組織管理

為做好大體積混凝土管理，應成立由建設單位、監理單位、總承包單位組成的管控小組，編制并審核大體積混凝土施工方案，考察商品混凝土攪拌站的供應能力、運輸能力，并經試配確定大體積混凝土專項配合比。

在大體積混凝土施工方案中，應制訂應急預案，備有應急保溫材料，如測溫發現溫差持續增大，危及結構安全時，應采用“外敷”即增加表面保溫層厚度，減小表面熱量散發速度。

為確保連續澆筑，應選擇在合適的天氣開盤，提前制訂場內外交通臨時疏導方案，施工現場供水、供電應滿足混凝土連續施工需要，并自備發電機。

3 配合比設計

3.1 配合比設計原則

本項目大體積混凝土配合比設計，除應符合行業現行標準JGJ55《普通混凝土配合比設計規范》的有關規定外，尚應符合下列規定[4]：當采用混凝土60d或90d強度驗收指標時，應將其作為混凝土配合比的設計依據；混凝土拌合物的坍落度不宜大于180mm；拌和水用量不宜大于170kg/m3；粉煤灰摻量不宜大于膠凝材料用量的50%，礦渣粉摻量不宜大于膠凝材料用量的40%，粉煤灰和礦渣粉摻量總和不宜大于膠凝材料用量的50%；水膠比不宜大于0.45；砂率宜為38%～45%。

3.2 材料選擇

本項目水泥選用華新42.5級普通硅酸鹽水泥，拌合用水采用普通自來水，骨料選擇鄂州產中砂、5mm～25mm碎石。粉煤灰采用武漢青山電廠II級粉煤灰，礦粉選用湖北金盛蘭S95級礦粉，外加劑選用中建西部標準型聚羧酸高性能減水劑。

3.3 配合比試配

經設計同意，本項目采用混凝土60d強度作為驗收指標，可以增加粉煤灰與礦粉用量，降低水泥用量。經組織攪拌站廠家配合比試驗，對水化熱、泌水率、可泵性等對大體積混凝土控制裂縫所需要的技術參數進行試驗，得出的試配結果詳見表2。

表2 配合比

經過攪拌站試配生產總結，該配合比的混凝土強度發展規律詳見表3。

表3 混凝土強度發展規律

經過攪拌站試配生產總結，該配合比的混凝土坍落度損失情況詳見表4。

表4 混凝土坍落度損失

3.4 混凝土拌合物溫度計算

式中T0-混凝土的拌和物溫度，℃；

M-凝土組成材料的重量，kg；

C-混凝土組成材料的比熱，kJ(kg·K)-1；

Ti-混凝土組成材料溫度，℃。

計算結果：混凝土拌合物溫度T0=15.6℃。

3.5 混凝土拌合物出機溫度計算

式中T1-混凝土的拌和物出機溫度，℃；

TP-攪拌機樓內溫度，℃，取15℃

計算結果：混凝土拌合物出機溫度T1=15.5℃。

3.6 混凝土澆筑溫度計算

式中T2-混凝土澆筑溫度，℃；

T1-混凝土出機溫度，℃；

Ta-環境平均氣溫，℃；取5℃。

a-溫度損失系數，采用混凝土攪拌車運輸時a=0.25；

t-混凝土拌合物運輸時間，h，取1h；

n-混凝土拌合物運轉次數，取1次。

計算結果：混凝土出泵溫度T2=10.6℃

以上為混凝土拌合物溫度和澆筑溫度的近似計算值，目的在于：①有利于初步了解不同環境溫度下混凝土拌合物溫度和澆筑溫度情況；②施工時，以實際測量溫度為準，與計算值相比較，以便能夠及時預判并對原材料采取有效的控溫措施。

3.7 混凝土絕熱溫升計算

絕熱溫升計算過程：水泥水化熱檢測，按照《大體積混凝土施工標準》計算絕熱溫升。經國家水泥中心檢測，水泥水化熱測試結果如表5所示。

表5 水泥水化熱檢測結果/kJ/kg

絕熱溫升計算公式：

式中T(t)-混凝土齡期為t時的絕熱溫升，℃；

W-每m3混凝土的膠凝材料用量，kg/m3；

C-混凝土的比熱，一般為0.92kJ/(kg.℃)～1.0kJ/(kg.℃)，取0.97；

ρ-混凝土的重力密度，2350kg/m3～2500kg/m3，取2370kg/m3；

m-與水泥品種、澆筑溫度等有關的系數一般為0.3(d-1)～0.5(d-1)，取0.318；

t-混凝土齡期，d。

計算結果：

混凝土3d時的絕熱溫升T3=28.3℃；

混凝土7d時的絕熱溫升T7=39.2℃；

混凝土9d時的絕熱溫升T9=43.4℃。

3.8 混凝土中心溫度計算

式中T(h)-t齡期混凝土中心計算溫度，℃；

Tj-混凝土澆注溫度，℃，取10.6℃；

T(t)-混凝土絕熱溫升，℃；

ξ(t)-t齡期降溫系數，由于該筏板厚度主要為2.8m、4.2m，查得降溫系數取為3d時0.74，6d時0.73，9d時0.72。

計算結果：

3d時混凝土中心溫度T（3）=31.6℃；

7d時混凝土中心溫度T（6）=40.2℃；

9d時混凝土中心溫度T（9）=41.9℃。

日平均氣溫為5℃，內部溫度為41.9℃，因此在澆筑過程中需要采取保溫措施，避免內外溫差過大。

3.9 保溫層厚度計算

擬用保溫棉保溫，其導熱系數0.03W/（m.k），屬于不易透風的保溫材料，通過計算筏板基礎（4.8m厚）保溫層厚度為1.1cm，筏板基礎（3.75m厚）保溫層厚度為1.0cm，筏板基礎（2.8m厚）保溫層厚度為0.8cm，筏板基礎（10.65m厚）保溫層厚度為2.6cm。

4 現場施工組織

4.1 供應能力計算

大體積混凝土供應能力應滿足混凝土連續施工需要，不宜低于單位時間所需量的1.2倍，商品混凝土站要提前備足材料，并有備用站應急，本項目商品混凝土站選擇詳見表6，A站為混凝土供應站，B站備用。

表6 商品混凝土站信息

4.2 澆筑能力計算

通過計算，現場放置2臺地泵，1臺天泵，每小時澆筑能力150m3，可確保3d內澆筑完成，55臺罐車可滿足現場連續澆筑要求。

4.3 澆筑順序選擇

采用全斜面分層的方式進行澆筑，由深及淺，從中間向兩端推進，單層最大澆筑面積56.4×36.2/cos10°=2083m2，分層厚度0.5m，單層澆筑方量為2083×0.5=1041.5m3，混凝土初凝時間為8h，初凝前可澆筑完成150×8=1200m3，滿足規范要求[5]。澆筑順序詳見圖2所示。

圖2 澆筑順序示意

T1塔自2022年1月10日凌晨1點開工，至2022年1月12日下午4點澆筑完成，連續澆筑63h，之后進入養護及測溫階段。

5 養護、測溫管理

養護、測溫是大體積混凝土施工中的一項十分關鍵的工作，通過控制混凝土內外溫差和溫度陡降以防止混凝土發生溫度裂縫。本工程大體積混凝土保溫層采用塑料薄膜+保溫棉的組合方式。

T1塔底板共布置17個測溫點，具體布置詳見圖3所示。現場使用便攜式建筑電子測溫儀測定，每天安排專人進行測量及記錄，每晝夜不少于4次，發現異常及時匯報，以便及時采取應急措施。

圖3 底板測溫點布置

2022年1月12日澆筑完成后，現場鋪設保溫材料，并開始測溫，中心溫度最高峰值出現在1月18日16時，實測溫度為48.5℃，詳見圖4所示，然后中心溫度開始回落，內外溫差保持小于25℃；2022年1月30日，養護結束，現場停止測溫并開始拆除保溫層。大體積混凝土管控結束。

圖4 中心最高溫度

6 結語

（1）T1塔到達齡期后，標養試塊、同條件試塊試壓合格；底板未觀測到可見裂縫，大體積混凝土施工管理達到了預期目標；

（2）大體積混凝土配合比設計應遵循“321”原則，3低（低砂率、低坍落度、低水膠比），2摻（摻高效減水劑和高性能引氣劑），1高（高粉煤灰摻量），增強混凝土自身抗水化熱能力，強身健體最關鍵；

（3）本項目計算混凝土中心最高溫度為澆筑后第9天，41.9℃，實測中心最高溫度出現在澆筑后第6天，48.5℃，簡化計算模型與實測存在一定偏差，對于厚度4m以上的大體積混凝土建議采用有限元法進行溫度計算，以提高計算精度。