基礎筏板大體積混凝土溫度場分析及施工控制*

王洋洋

(中鐵建設集團有限公司西北分公司,陜西 西安 710014)

0 引言

隨著建筑結構復雜程度的不斷提高,混凝土一次澆筑工程量越來越大,大體積混凝土的概念應運而生[1-3]。長期以來,我國混凝土領域的專家學者對大體積混凝土溫控裂縫等內容進行了大量研究。林永秋等[4]根據溫度裂縫控制的要求,對大體積混凝土內部溫度、由溫度引起的溫度應力及最大伸縮縫間距進行了理論分析,提出了控制裂縫的主要措施,為高層建筑基礎大體積混凝土施工提供重要的指導作用。王新剛等[5]基于ANSYS有限元軟件進行大體積混凝土溫度及應力場的分析,并將其應用在實際案例中。樊士廣等[6]應用有限元軟件MIDAS進行大體積混凝土施工仿真分析計算,并根據計算結果制定了相應的技術措施,以達到提高結構承載力和耐久性的目的。李保華[7]、楊棟等[8]分別針對水利工程、建筑工程的大體積混凝土結構,從混凝土配合比的設計方法、大體積混凝土結構的開裂防治關鍵技術進行了闡述。丁華營等[9]采用摻膨脹劑等技術進行醫院直加機房防輻射大體積混凝土溫度控制研究。

總結上述研究,大體積混凝土澆筑溫度控制措施可從施工組織管理、澆筑施工工藝、混凝土養護措施3方面展開實施。然而,由于大體積混凝土結構本身和施工過程的復雜性及研究和實踐的局限性等,仍需對大體積混凝土施工技術進行系統研究。

基于此,本文以大明宮雁塔購物廣場地下車庫工程為依托,對大體積混凝土筏板基礎進行施工期的溫度分析,總結大體積混凝土基礎筏板無縫整澆施工工藝,以期為今后類似大體積筏板基礎施工提供借鑒。

1 工程概況

大明宮雁塔購物廣場地下車庫工程位于陜西省西安市雁塔區。工程設計為3層地下車庫,總建筑面積34 710.17m2,建筑長度178.3m、寬65.4m,層高5.1m(地下1層局部7.1m)。基礎形式為筏式基礎,埋深18m,框架抗震等級三級,筏板分區如圖1所示。

圖1 筏板分區示意Fig.1 Raft partition

2 基于數值模擬的大體積混凝土溫度場分析

2.1 模型建立

基于數值模擬軟件MIDAS進行混凝土水化熱建模和分析,模型建立的基本步驟如下。

1)輸入材料特性等基礎計算參數。

2)劃分單元,確定邊界條件。

3)設計環境溫度函數、對流系數函數。

4)定義單元對流邊界。

5)輸入固定溫度。

6)輸入熱源函數之后分配給相應單元。

7)進行熱傳導分析。

2.2 模型參數

筏板模型計算參數如表1所示。

表1 計算參數Table 1 Calculation parameters

2.3 數值模擬結果

選擇散熱條件最差的節點作為水化熱分析節點,每個橫斷面各取1個節點,提取4個斷面筏板進行澆筑過程溫度變化分析,筏板1～4澆筑溫度變化曲線如圖2所示,圖中數據從混凝土澆筑工作完成后的14h開始,共歷時1 800h。筏板1,2澆筑7d溫度云圖如圖3所示。

圖2 筏板1～4澆筑溫度變化曲線Fig.2 Pouring temperature curve of raft 1～4

圖3 筏板1,2澆筑7 d溫度云圖(單位:℃)Fig.3 Temperature cloud diagram of raft 1, 2 poured for 7days(unit:℃)

2.4 結果分析

通過分析4個筏板溫度變化曲線,總結各筏板峰值溫度情況如表2所示。

表2 各筏板溫度峰值情況Table 2 Temperature peaks of each raft

1)由于混凝土水化熱反應,澆筑后的筏板1溫度隨時間快速上升,約于80h到達峰值,溫度約為52.3℃;達到峰值后,混凝土內部溫度快速下降,直至澆筑300h后的溫度趨于平穩,約為27℃。

2)澆筑后的筏板2溫度隨時間快速上升,約于200h到達峰值,溫度約為59.6℃;達到峰值后,混凝土內部溫度快速下降,直至澆筑300h后的溫度趨于平穩,約為26℃。

3)澆筑后的筏板3溫度隨時間快速上升,約于80h到達峰值,溫度約為52.3℃;達到峰值后,混凝土內部溫度快速下降,直至澆筑300h后的溫度趨于平穩,約為27℃。

4)澆筑后的筏板4溫度隨時間快速上升,約于200h 到達峰值,溫度約為60.4℃;達到峰值后,混凝土內部溫度快速下降,直至澆筑300h后的溫度趨于平穩,約為27℃。

3 大體積混凝土施工優化控制措施

基于數值模擬分析發現,大體積混凝土最主要的特點是水泥水化熱大,然而混凝土的導熱性能較差,使混凝土塊內部溫度急劇升高,形成內外溫差,造成混凝土開裂,因此需制定適宜的大體積混凝土施工優化控制措施。

3.1 原材料選擇及配合比優選

1)商品混凝土坍落度入泵時最高不超過18cm,最低不低于14cm。

2)混凝土采用雙摻法,即摻粉煤灰和減水劑。水泥選用表面積小的普通硅酸鹽水泥,強度等級為42.5,同時摻加適量的粉煤灰,減少水泥用量,降低水泥水化熱導致的溫度差。

3)混凝土粗骨料選用粒徑5～25mm的碎石花崗巖,砂選用水洗中砂。

最終確定的配合比為:水∶水泥∶砂∶石子∶粉煤灰∶水膠比=0.59∶1∶2.76∶4.32∶0.59∶0.49。

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為驗證采用雙摻法優化后的混凝土溫控效果,本文選取3個測點,進行優化前、后的混凝土溫度監測試驗,如表3所示。結果發現雙摻后確定的配合比能明顯降低混凝土水化熱溫度。

表3 2種方案下的混凝土水化熱溫度Table 3 The hydration heat temperature of concrete under two schemes

3.2 施工工藝控制措施

1)混凝土澆筑準備 為保證混凝土連續澆筑,根據混凝土澆筑需用量、天泵實際輸送能力、混凝土攪拌站距離、混凝土攪拌運輸車的平均車速等參數進行計算,對混凝土運輸車數量提出要求。

2)控制入模溫度 為降低混凝土澆筑后總溫升值,減小大體積混凝土的內外溫差,從而減小拉應力峰值,應選擇合理的運輸路線,盡量縮短從出廠到混凝土澆筑的時間,同時應盡量選擇在夜間澆筑。

3)確定澆筑順序 大體積基礎筏板混凝土常采用跳倉法進行澆筑。同時由于大體積混凝土澆筑量大、持續時間長、澆筑面積大,常選用分層連續澆筑。

4)澆筑中做好溫控措施 夏季上午10:00—下午5:00為高溫時段,混凝土澆筑時段安排下午18:00后開倉,并加大混凝土入倉強度,控制在次日上午10:00前收倉。同時,為保證混凝土在較低溫度下施工,澆筑過程中,應根據倉號大小配置噴霧機,對作業面進行濕噴,使混凝土倉面氣溫保持在26℃以下。

3.3 大體積混凝土的動態養護技術

3.3.1技術特點介紹

GB 50496—2018《大體積混凝土施工規范》等相關規范對大體積混凝土澆筑有以下規定:①混凝土澆筑體在入模溫度基礎上的溫升值不宜大于50℃;②混凝土澆筑體里表溫差(不含混凝土收縮的當量溫差)不宜大于25℃;③混凝土澆筑體的降溫速率不宜大于2℃/d;④混凝土澆筑體表面與大氣溫差不宜大于20℃。

因此,在大體積混凝土的養護過程中,基于數值模擬及監測的大體積混凝土動態養護技術是非常必要的,首先需建立相關數值模型,預測澆筑后的大體積混凝土溫度及應力;其次需采用一定的動態監測儀器及手段對澆筑后的大體積混凝土溫度及應力進行監測,監測自混凝土澆筑完成開始,直至混凝土塊體溫度趨于穩定并接近周圍環境溫度時停止。

3.3.2現有技術問題

傳統的混凝土結構應力應變及溫度的測量主要采用埋入式傳感器。然而,現有的埋入式傳感器難以在素混凝土結構內綁扎安裝,使用范圍大大受限;同時,受結構內部鋼筋布置的影響,應變計的安裝方向也只能與鋼筋方向保持一致,無法測量空間其他方向的應變,從而嚴重影響了后期對結構內部應變的測量。

3.3.3裝置優化措施

基于此,本文創新優化了一種混凝土應變監測裝置,由上、下安裝桿,球形安裝支座,應變及溫度監測單元4部分組成,如圖4所示。

圖4 優化裝置Fig.4 Optimization device

由于優化后的裝置在球形安裝座表面均設置若干安裝螺口,當需要在混凝土內部測定應變及溫度時,可將應變及溫度監測單元安裝在球形支座不同位置的安裝螺口處進行測量,同時也可實現在同一測點處多個方向的應變及溫度測量。

與此同時,各部件的連接均通過螺紋連接,連接牢固,混凝土澆筑時的施工荷載對該應變計固定架的影響也較小,可顯著提高其測量精度。

3.3.4混凝土養護優化措施

混凝土養護應做到保溫和保濕均滿足要求。在混凝土終凝前覆塑料薄膜和混凝土終凝后澆水,保持表面混凝土處于潮濕狀態14d;同時,在混凝土澆筑完成24h后,通過覆蓋棉氈進行保溫,使大體積混凝土中心溫度和表層溫度之差小于25℃。

覆蓋澆水養護應在混凝土澆筑完畢后的10～12h內進行,若氣溫較高可縮短至2～3h,時間不得少于7d。

4 結語

1)各筏板的混凝土澆筑溫度到達峰值的時間主要為筏板混凝土澆筑后的60～200h,峰值溫度最高達60.4℃,各筏板溫度達到峰值后,混凝土內部溫度均快速下降,4個筏板均為澆筑300h后溫度趨于平穩,約為27℃。

2)為合理控制混凝土溫度,可采用雙摻法進行混凝土配比,即摻粉煤灰和減水劑。水泥選用表面積小的普通硅酸鹽水泥,強度等級為42.5MPa,同時摻加適量的粉煤灰,減少水泥用量,降低水泥水化熱導致的溫度差。

3)首先需建立相關數值模型,預測澆筑后的大體積混凝土溫度及應力;其次需采用一定的動態監測儀器及手段對澆筑后的大體積混凝土溫度及應力進行監測,監測自混凝土澆筑完成開始,直至混凝土塊體溫度趨于穩定并接近周圍環境溫度時停止。