某超高層建筑大體積混凝土基礎(chǔ)溫度裂縫控制研究

汪能亮

（浙江省建工集團(tuán)有限責(zé)任公司，杭州 310012）

1 工程概況

該項(xiàng)目位于杭州市余杭區(qū)，含2 棟200 m 超高雙子塔，現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，總面積185 485 m2，地下3 層。單個(gè)基礎(chǔ)面積約2 500 m2，混凝土方量約15 000 m3，筏板厚度3.3～8 m不等。如圖1 所示。該筏板混凝土強(qiáng)度等級C40，抗?jié)B等級P8；該基礎(chǔ)采用42.5 普通硅酸鹽水泥，摻量300 kg/m3，粉煤灰摻量40 kg/m3，其余材料摻量論文不再詳述。

圖1 某超高層項(xiàng)目筏板基礎(chǔ)剖面圖

2 需研究及解決的問題

為規(guī)避溫度裂縫，需解決以下幾方面問題：

1）對混凝土拌和物入模溫度T0進(jìn)行控制，避免混凝土內(nèi)部溫度過高；

2）對混凝土內(nèi)部溫升值Tmax進(jìn)行模擬計(jì)算，并采取措施控制內(nèi)部溫升值，避免其與入模溫度疊加引起內(nèi)部與表面溫差過大，從而導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生；

3）對混凝土表面保溫層材料進(jìn)行選擇，并計(jì)算確定其保溫厚度δi，避免里表溫差過大。

3 混凝土溫度及保溫計(jì)算

3.1 混凝土內(nèi)部絕熱溫升值計(jì)算

本工程大體積混凝土基礎(chǔ)四周均被防水材料、磚胎膜和地基土包圍，若不考慮基礎(chǔ)四周的散熱和熱損失條件，即水泥水化熱全部轉(zhuǎn)化為溫升后的溫度值，則混凝土的水化熱絕對溫升值可按式（1）和式（2）計(jì)算。

式中，Tmax為混凝土最大絕熱溫升值，℃；T(t)為澆完一段時(shí)間t，混凝土的絕熱溫升值，℃；mc為混凝土的膠凝材料用量，根據(jù)配合比，取300 kg/m3；C為混凝土比熱，取0.96 kJ/（kg·℃）；ρ為混凝土的密度，取2 400 kg/m3；e為常數(shù)，取2.718；m為與水泥品種、澆筑溫度等相關(guān)的系數(shù)；t為混凝土齡期，d；Q為水泥水化熱總量，kJ/kg，42.5 普通硅酸鹽水泥28 d 水化熱量為375 kJ/kg；F為混凝土中粉煤灰摻量，根據(jù)配合比，取40 kg/m3。

本項(xiàng)目計(jì)劃4 月上旬開始澆搗混凝土。根據(jù)往年歷史天氣記錄，杭州5 月上旬平均溫度為20 ℃，m值取0.362[1]。根據(jù)式（1），可計(jì)算不同齡期的水熱溫升值。

3.2 混凝土內(nèi)部實(shí)際最高溫升值計(jì)算

實(shí)際大體積混凝土并非完全處于絕熱狀態(tài)，而是處于散熱條件下，溫升值比按絕熱態(tài)計(jì)算要小。不同澆筑塊厚度與混凝土的絕熱溫升亦有密切關(guān)系，混凝土塊厚度越小，散熱越快，水化熱溫升值低，反之越慢。當(dāng)混凝土塊厚度在5 m 以上，混凝土實(shí)際溫升接近于絕熱溫升。混凝土內(nèi)部實(shí)際溫度按式（3）計(jì)算。

式中，T0為混凝土澆筑入模溫度，根據(jù)同時(shí)期其他部位混凝土入模溫度，取25 ℃；ζ為不同澆筑體厚度的降溫系數(shù)。

本項(xiàng)目3.3 m 厚度區(qū)域因混凝土分層澆搗，利于散熱，計(jì)算時(shí)取3 m。因8 m 厚度區(qū)域中間有內(nèi)凹電梯底坑，有利于散熱，且電梯底坑周圍筏板可理解為“U”字形的3.3 m 折板構(gòu)造，計(jì)算溫升可參照3.3 m 區(qū)域，不再另行計(jì)算。

根據(jù)式（1）和式（3），計(jì)算混凝土不同齡期實(shí)際熱溫升值，如表1 所示。

表1 不同齡期混凝土實(shí)際溫升值

3.3 混凝土保溫層厚度及表面溫度計(jì)算

混凝土表面溫度，可按式（4）計(jì)算：

式中，Tb(t)為齡期t時(shí)，混凝土的表面溫度，℃，本文取t=3；Ta為齡期t時(shí)，大氣的平均溫度，℃，設(shè)Ta=20；H為混凝土的計(jì)算厚度，H=h+2h′；h為混凝土的實(shí)際厚度，m，h=3.3 m；h′為混凝土的虛厚度；λ為混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，取2.33W/（m·K-1）；K為計(jì)算折減系數(shù)，可取0.666；β為模板及保溫層的傳熱系數(shù)。δi為各種保溫材料的厚度，m，本文計(jì)無保溫層時(shí)的表面溫度，因此，δi取0；λi為各種保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K-1）；βa為空氣層的傳熱系數(shù)，可取23 W/（m·K-1）；ΔT(t)為齡期t時(shí)，混凝土內(nèi)最高溫度與外界氣溫之差，ΔT(t)=Tmax-Ta。

筏板基礎(chǔ)混凝土澆筑完成之后，擬采用6 mm 厚瀝青礦棉氈+4 cm 草袋或毛毯敷設(shè)于表面進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)。瀝青礦棉氈導(dǎo)熱系數(shù)取0.035，草袋或毛毯導(dǎo)熱系數(shù)取0.14。

根據(jù)式（4）計(jì)算不同齡期混凝土表面溫度，如表2 所示。

表2 不同齡期筏板基礎(chǔ)混凝土表面溫度

根據(jù)表1 和表2 可知，齡期9 d 時(shí)，里表溫差達(dá)到最大值24.74 ℃＜25 ℃，其他齡期里表溫差均小于第9 天，滿足理論防裂溫差要求。

當(dāng)保溫養(yǎng)護(hù)達(dá)到第18 天，表面和環(huán)境溫差為18.33 ℃＜20 ℃，之后表面和環(huán)境溫差均小于第18 天，滿足防裂溫差要求，即第18 天可開始撤除保溫措施，開始灑水保濕養(yǎng)護(hù)。

4 混凝土內(nèi)部溫升控制措施

4.1 混凝土降溫系統(tǒng)實(shí)施方案

盡管經(jīng)計(jì)算，混凝土里表溫差、表面和環(huán)境溫差滿足防裂要求，但齡期9 d 時(shí)里表溫差接近25 ℃，且局部混凝土厚度達(dá)5 m 以上，實(shí)際溫升可能接近絕熱溫升，在實(shí)際施工時(shí)里表溫差可能突破限值。根據(jù)現(xiàn)有研究成果，埋置冷卻水管可將大體積混凝土最高溫度降低10 ℃以上。所以本項(xiàng)目擬在超過3.3 m 板厚區(qū)域布置循環(huán)冷卻水管，以控制混凝土內(nèi)部溫升。

冷卻降溫系統(tǒng)供回水原理如圖2 所示。冷卻水管豎向和水平間距均不大于1 000 mm；在8 m 厚筏板位置，沿豎向均勻布置7 道冷卻水管，除3.3 m 板厚之外區(qū)域，冷卻水管豎向根據(jù)板厚和布置間距進(jìn)行調(diào)整。

圖2 降溫系統(tǒng)供回水原理圖

如圖2 所示，筏板基礎(chǔ)的所有水平冷卻水管均通過豎向總管連成整體，降溫系統(tǒng)分別設(shè)2 個(gè)進(jìn)水總管和出水總管，1#進(jìn)出水總管將面層3 道水平支管連成整體，2#進(jìn)出水總管將底部4 道水平支管連成整體。水平支管采用DN32 鍍鋅鋼管，豎向進(jìn)出水總管采用DN65 鍍鋅鋼管。鍍鋅鋼管可防止后期鋼管在混凝土內(nèi)發(fā)生銹蝕。混凝土覆蓋最底下一道水管時(shí)，開始通水降溫。冷卻水管使用完畢后，采用高一個(gè)強(qiáng)度等級灌漿料注漿填充密實(shí)，以確保基礎(chǔ)質(zhì)量。

降溫系統(tǒng)工作期間，每間隔2 h 將進(jìn)水口和出水口互換，以保證不同部位混凝土降溫均勻，有益于保證混凝土的整體裂縫控制效果。當(dāng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)溫差過大時(shí)，應(yīng)在冷卻水箱中加冰塊，降低進(jìn)水溫度，提高降溫效果。

4.2 混凝土內(nèi)部溫度監(jiān)測方案

1）測溫點(diǎn)布置。本工程在筏板內(nèi)布置13 組測溫點(diǎn)，3300mm板厚設(shè)4 組，4 300 mm 板厚設(shè)1 組，6 500 mm 板厚設(shè)1 組，8 000 mm 板厚設(shè)2 組，5 200 mm 板厚設(shè)2 組，6 000 mm 板厚設(shè)3 組。每組測溫點(diǎn)的豎向測點(diǎn)間距不大于2 000 mm。

2）溫度監(jiān)測頻次。混凝土澆搗后12～24 d 進(jìn)行第1 次測溫；第1~4 天每4 h 不少于1 次；第5~7 天每8 h 不少于1 次；第7 天至結(jié)束每12 h 不少于1 次。當(dāng)基礎(chǔ)表面與環(huán)境溫差小于20 ℃，可停止測溫[2]。

5 效果檢查及總結(jié)

論文選取具有典型代表意義的3.3 m 板厚區(qū)域測溫點(diǎn)（1#測溫點(diǎn)）和8 m 板厚區(qū)域測溫點(diǎn)（7#測溫點(diǎn)）各1 個(gè)，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)總結(jié)其內(nèi)部溫度和里表溫差變化規(guī)律，如圖3所示。

圖3 1#測溫點(diǎn)和7#測溫點(diǎn)溫度變化曲線圖

據(jù)圖3 所示，可得結(jié)論如下。

1）1#測溫點(diǎn)和7#測溫點(diǎn)均在第6 天達(dá)到最高溫，71.8 ℃和72.9 ℃。之后以1~2 ℃/d 速度下降,與理論溫升值第6 天溫度接近。

2）受限于澆筑速度，第4 天混凝土澆筑至表面,混凝土覆蓋表面后3 d 左右溫度達(dá)最高，之后以1~2 ℃/d 速度下降。

3）混凝土里表溫差最大為22.2℃＜25℃，滿足防裂溫差要求。第17 天開始表面和環(huán)境溫差開始縮小至20 ℃以內(nèi)，可撤除保溫養(yǎng)護(hù)層，開始灑水濕潤養(yǎng)護(hù)。

4）雖然8 m 板厚度區(qū)局部混凝土厚度在豎向和水平向超過5 m，理論上其內(nèi)部溫升接近于絕熱溫升值，但因其內(nèi)部布置了冷卻水管，內(nèi)部溫升未見明顯異常，里表溫差小于25 ℃。

6 結(jié)語

經(jīng)實(shí)踐，該大體積混凝土基礎(chǔ)內(nèi)部實(shí)際溫升和里表溫差與理論計(jì)算值接近，且滿足防裂溫差要求，有效規(guī)避了溫度裂縫出現(xiàn)。相關(guān)技術(shù)措施在本工程中應(yīng)用效果良好，在進(jìn)度和質(zhì)量方面體現(xiàn)出較大的應(yīng)用價(jià)值，可為其他類似工況大體積混凝土施工提供借鑒。