基础大体积混凝土的配制及温升监测技术研究

徐建章，孙忠琴，俞海勇，张贺，杨辉

（1. 浙江大东吴建设有限公司，浙江 湖州 313000；2. 上海建科检验有限公司，上海 201108）

基础大体积混凝土的配制及温升监测技术研究

徐建章1，孙忠琴1，俞海勇2，张贺2，杨辉2

（1. 浙江大东吴建设有限公司，浙江 湖州 313000；2. 上海建科检验有限公司，上海 201108）

本文介绍了为降低某工程基础大体积混凝土由于温升效应引起的开裂风险所采取的技术措施。通过采用复合掺合料及自主研发的超缓凝高性能复合泵送剂，对混凝土配合比进行优化设计。试验最终确定的配合比满足混凝土的力学性能要求，并提高了混凝土的密实度，延缓了混凝土的早期温升，降低了混凝土的早期变形量。现场施工过程中实时监测了混凝土的温升及应变。监测结果显示，基础大体积混凝土的各项指标均满足相应规范的要求。

大体积混凝土；温升；应变；监测

1　工程概况

浙江湖州东吴国际广场工程为两栋超高层塔楼，其地下室基础占地面积约为 2500m2（50m×50m），基础厚度3.75m，电梯井处加深 2.65m，局部最厚可达 6.75m，每个主塔基础混凝土方量约为 10000m3，混凝土设计强度等级为C40。根据 GB 50496—2009《大体积混凝土施工规范》中定义，本工程地下室基础为大体积混凝土。大体积混凝土由于截面厚度大，水化热难以及时散出，导致结构内温差及变形不协调，易产生裂缝。为了保证基础混凝土的质量，有必要采取适当的技术措施预防混凝土开裂。

目前国内外对大体积混凝土施工已积累一定技术经验。如厦门某酒店主楼基础大体积混凝土采用了粉煤灰和矿渣粉双掺技术对混凝土配合比进行优化，控制了混凝土的内部温升[1]；东海大桥主塔承台大体积混凝土采用了矿粉、粉煤灰和硅灰复掺技术，提升了混凝土抗氯离子渗透性能[2]；金茂大厦基础伐板为 C50 混凝土，在配合比设计中采用了缓凝型助泵剂，并在混凝土泵送管道的周围用冷却水冷却，以延缓和降低混凝土的内部温升[3]；上海环球金融中心主楼基础特大体积泵送混凝土采用了聚羧酸减水剂，优化了混凝土的施工性能，控制了混凝土的早期收缩量[4]；三峡大坝三期工程通过优化减水剂性能、采用低热水泥、控制混凝土出机温度、通冷却水等技术措施，降低混凝土的开裂风险[5]。但是由于原材料性质、混凝土配合比以及施工气候等差异，使得许多研究成果具有特定性，这些研究成果可以借鉴但不能盲目照搬，必须结合工程自身实际情况进行调整。

为保证工程质量，本工程对基础大体积混凝土的配制及温升进行了研究，包括原材料选用、配合比设计及优化和施工过程中的温度和应变监测。通过相关试验研究以及施工过程中紧密配合，本工程基础大体积混凝土顺利浇筑并获得良好质量。

2　大体积混凝土配制

2.1原材料选用

根据配合比需要及材料供应现实情况，确定混凝土原材料有水泥、矿粉、粉煤灰、砂、石、外加剂及水。各主要原材料的作用及参数如下：

（1）水泥

水泥是混凝土原材料中的主要胶凝材料，它产生的水化热是大体积混凝土内部热量的主要来源，因此大体积混凝土施工宜采用低热水泥并适当控制水泥的使用量[6]。由于供应原因，本工程基础使用的水泥为三狮 P·O42.5 普通硅酸盐水泥。使用的水泥为非低热水泥，给本工程大体积混凝土施工温度控制带来一定困难，需采取其他技术手段降低水泥用量。

（2）磨细矿粉、粉煤灰

混凝土中掺入磨细矿粉和粉煤灰可降低水泥用量，提高混凝土的后期强度，改善混凝土的耐久性[7]。本工程地下室基础采用 S95 矿粉，练市丰登矿粉厂产，比表面积 3900cm2/g，7d、28d 活性指数分别为 91% 和 109%；采用Ⅱ级粉煤灰，长兴电厂产，细度为 13.9%，需水量比为 88%。

（3）粗、细集料

级配良好的砂、石具有较小的空隙率和总表面积，因而可减少胶凝材料的用量[8]。砂、石的含泥量和泥块含量超标将影响混凝土的强度和耐久性，宜使用洁净的砂、石集料。本工程地下室基础采用 (5～31.5)mm 碎石，含泥量 2.0%；采用长江砂，细度模数为 2.8。

（4）外加剂

所用外加剂为超缓凝高性能复合泵送剂。该泵送剂具有泵送、减水、缓凝、早期微膨胀等功能，可在 40～80h 之间按需要调整混凝土的初、终凝时间。泵送剂的混凝土减水率为 26.8%，1h 坍落度损失 20mm，28d 抗压强度比为 132%。

2.2配合比设计

2.2.1配合比设计要求

本工程大体积混凝土配合比设计的总体目标是在保证混凝土力学性能的前提下，满足混凝土的施工性和耐久性。依据设计和施工要求，提出如下具体配合比设计要求：

（1）混凝土拌合物性能。混凝土出机坍落度 220mm± 10mm，扩展度大于 550mm，3h 坍落度损失不高于 40mm，入泵坍落度 (200±10)mm，初凝不短于 40h，终凝不长于50h，混凝土不离析。

（2）混凝土力学性能。混凝土设计强度等级 C40，60d强度富余系数不低于 1.25。

表1　混凝土配合比

表2　新拌混凝土试验结果

（3）混凝土热学性能。混凝土绝热温升不超过 45℃，基础中心最高温度不超过 75℃。

（4）混凝土密实度。混凝土抗渗等级 P10，56d 电通量小于 1000C，56d RCM 氯离子扩散系数小于 3.0×10-12m2/s（试验方法参照 CCES01—2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》进行）。

（5）混凝土体积稳定性。在温度 (25±1)℃，相对湿度(70±5)℃及试件表面湿纸覆盖的养护条件下，混凝土14d的自由收缩率低于 70×10-6。

2.2.2配合比试验结果及分析

依据如上配合比设计要求，同时考虑混凝土原材料的性能特点，采用矿物掺合料复掺技术，设置胶凝材料总量、水胶比和矿物掺合料用量为主要变量，设计了三个配合比（如表 1，其中泵送剂掺量占胶凝材料重量的 3.0%）。通过试验及分析对此三个配合比进行比较。

2.2.2.1新拌混凝土试验结果与分析

测试了各配合比新拌混凝土的性能，包括出机、1h、2h、3h 坍落度、含气量、凝结时间及工作性描述，如表 2。

从表 2 可见，新拌的三个配合比混凝土均有较好的工作性，无论出机坍落度或是 3h 坍落度均满足设计要求。与 1、3 号配合比相比，2 号配合比的凝结时间过长，且保坍性较差。此缺点可通过调整外加剂配比加以改善。由表 2 分析可知，1 和 3 号混凝土配合比较优。

2.2.2.2混凝土力学性能试验结果与分析

测试了混凝土的力学性能，包括 7d、14d、28d 和 60d 的抗压强度数据，如表 3。

表3　混凝土力学性能试验结果

从表 3 可见，三个配合比的混凝土 28d 抗压强度均超过40MPa，60d 抗压强度富余系数都高于 1.25，即此三个配合比均能保证混凝土的力学强度。强度越高的配合比其抵御混凝土原材料质量波动的能力也越强，从表 3 各配合比混凝土抗压强度的发展情况来看，3 号配合比最好。

2.2.2.3混凝土耐久性试验结果与分析

（1）混凝土热学性能

测试了各配合比混凝土的热学性能，包括初始温度、中心最高温度及绝热温升，如表 4。

表4　混凝土热学性能试验结果

从表 4 可见，三个配合比的混凝土绝热温升均低于45℃，中心最高温度均不高于 75℃。三个配合比的最高温度均出现在 10d 龄期左右。相比 2、3 号配合比，1 号配合比的绝热温升最高，这是由于该配合比的水泥用量最大。从混凝土热学性能的角度上说，2、3 号配合比 1 号配合比更优。

（2）混凝土密实度及体积稳定性

测试了各配合比混凝土的密实度和体积稳定性能，包括抗渗等级、56d 电通量、56d RCM 氯离子扩散系数和 14d 自由收缩率。其中，混凝土 14d 自由收缩率试验采用中国建科院研制的自收缩测试仪，测试初始时间为混凝土入模时间。试验结果如表 5。

表5　混凝土密实度及变形性能试验数据

从表 5 可见，三个配合比的混凝土密实度均符合设计要求，2、3 号配合比的混凝土体积稳定性满足设计要求，1号配合比的混凝土体积稳定性略高于设计要求。

综上分析，3 号配合比拌制的混凝土综合性能最佳，采用其作为基础大体积混凝土配合比。

3　施工监测

尽管模拟试件的温控指标均符合相应规定，现场大体积混凝土施工时仍需布设温度及应力传感器，用以及时反馈混凝土的实时状态，以便工程技术人员据此作出正确判断以及采取相应措施。东吴国际广场工程为两栋超高层塔楼，分别为Ⅰ标段塔楼和Ⅱ标段塔楼。由于两栋塔楼为对称结构，因此本文仅介绍Ⅰ标段塔楼基础大体积混凝土施工过程中的温度和应力监测。

3.1温度监测

由于Ⅰ标段塔楼基础大体积混凝土工程平面图具有对称轴线，因此温度测位布置在如图1 所示的对称轴线的半轴线上。各测位在深度方向上均布置有 6 个测点，位置分布为 A（保温层）、B（表面）、C（1/4处）、D（中心）、E（3/4处）及 F（底面）。从实测温度数据来看，1、3 和 5 号测位最为典型，因此本文仅列出此三测位的表面和中心温度曲线供分析，如图2 所示。

图1　Ⅰ标段塔楼基础大体积混凝土测温布置图

图2　混凝土温度变化

由图2可见，随着混凝土龄期的延长，各测位混凝土的中心位置温度和表面温度均呈现先上升后下降的趋势。测位1的中心位置亦为基础大体积混凝土的中心所在，其温度在混凝土浇筑后的第四天达到最高值 61.8℃，在第十天降为51.4℃，即降温速率为 1.7℃/d。测位 3 和测位 5 分别处于基础混凝土的侧边和边角位置，它们与外界环境的接触面大，易与外界进行热交换，因而中心处的温度均相对较低。里表温差是反映大体积混凝土内部温度应力最重要的指标，从图2中可以看出，表里温差在混凝土 10d 龄期内先是逐渐上升，在浇筑后第四天左右达到最大值 23.3℃，随后极为缓慢的下降。GB50496—2009《大体积混凝土施工规范》中规定，混凝土浇筑块体的里表温差不宜大于 25℃，降温速率不宜大于2.0℃/d。本工程地下室基础大体积混凝土施工符合其要求。

3.2应变监测

分别在温度测位 1 中心、表面及测位 3 表面三个位置附近布置水平南北向应变计，应变曲线如图3 所示。在混凝土浇筑后的早龄期阶段，混凝土的表面如同其中心和侧边一样出现压应力。这是由于水泥水化热释放导致混凝土逐渐升温膨胀，而膨胀又受到外界约束。随着混凝土龄期的延长，模拟试件表面由压应力转为拉应力，其中心和侧边则仍为压应力。试件表面受外界环境温度影响较大，其温度迅速降低，而试件内部由于热量交换较慢，其温度缓慢下降。由此导致混凝土内外温差过大，混凝土温度变形不一致，混凝土表面出现拉应力。由图3 可见，模拟试件表面拉应力迅速增大，由于混凝土的抗拉强度较低，且此时混凝土强度尚未发展完全，因此极易出现温度裂缝。在混凝土浇筑后 10d 左右，由于水泥水化热绝大部分已释放完，混凝土的内外温差也逐渐缩小，混凝土表面、中心及侧边所受应力亦逐渐变小。通过分析混凝土的降温曲线以及计算混凝土的温度应力，可实时监测混凝土中最大温度应力的发展情况，为防止最大温度应力高于抗拉强度导致温度裂缝出现提供预警。

图3　应变变化

4　小结

大体积混凝土施工由于水化热过高、内外温差过大极易产生裂缝，应采取适当措施降低混凝土的开裂风险。通过选用合适的混凝土原材料，在大体积混凝土中掺入矿渣粉、粉煤灰、高性能减水剂以减少用水量和水泥用量，并进行配合比设计及优化，有效降低了混凝土内部由水化热引起的温升。对基础大体积混凝土的温度和应变进行实时监测。监测数据显示，混凝土的各项温度参数均符合相关规范要求。本工程地下室基础大体积混凝土表面未发现有温度裂缝出现，满足大体积混凝土的质量要求。

[1] 梁蜜达．配合比优化设计在大体积混凝土中的应用[J]．新型建筑材料，2010,37(8): 14-17．

[2] 张越，赵琼，陈尧亮，等．东海大桥主塔承台及塔座海工抗侵蚀大体积高性能混凝土研制[J]．混凝土，2004(7): 42-44.

[3] 许贤敏．上海金茂大厦底层基础伐板的施工[J]．新型建筑材料，2002(5): 52-53．

[4] 张越，陈尧亮，郑杰．上海环球金融中心主楼基础特大体积泵送混凝土技术研究与应用[C]．第三届全国混凝土外加剂应用技术专业委员会年会暨第三届全国聚羧酸系高性能减水剂及其应用技术交流会[A]，2007.6: 231-236．

[5] 三峡三期大坝工程大体积温控技术综述．水力发电．2005,31(10): 14-16, 27．

[6] 李昕成，刘勇，李章建，等．磷渣、膨胀剂“双掺”技术在大体积混凝土工程中的应用[J]．混凝土与水泥制品，2002(4): 19-21．

[7] 谷坤鹏，李漠，时蓓玲，等．矿物掺合料改善混凝土抗氯离子渗透性能的研究[J]．新型建筑材料，2008, 35(11): 18-21.

[8] 廉慧珍．砂石质量是影响混凝土质量的关键[J]．混凝土世界，2010(8) :28-32．

［单位地址］浙江大东吴建设有限公司（313000）

徐建章（1977—），男，高级工程师，主要从事建筑工程管理工作。