超高层建筑筏板基础大体积混凝土质量控制

侯　海

(中铁二局集团建筑有限公司， 四川成都 610031)



超高层建筑筏板基础大体积混凝土质量控制

侯海

(中铁二局集团建筑有限公司， 四川成都 610031)

【摘要】随着建筑行业的发展，高层及超高层建筑已经逐步成为一种趋势，大体积混凝土也被广泛运用于此类建筑的基础结构。文章以某工程4.3 m超厚筏板基础为例，从施工原材料选择、混凝土配合比优化设计(温度场有限元分析、足尺模型试验)、现场施工组织等三个方面阐述了大体积混凝土质量控制要点，从而保证了基础大体积混凝土浇筑质量。

【关键词】超高层；大体积混凝土；质量控制；配合比设计；施工组织

1大体积混凝土施工中易产生的质量问题

大体积混凝土具有体积大、结构整体性要求高、水泥水化热高等结构特点。大体积混凝土浇筑完成后，由于混凝土内外温差过大，容易出现温度裂缝。这是施工过程中最容易出现也是最难把控的质量问题，下文将着重介绍对于大体积混凝土温度裂缝的质量控制。

2温度裂缝产生的原因

温度裂缝就其开裂程度可分为表面裂缝和贯穿裂缝。表面裂缝的产生是在大体积混凝土浇筑后，聚集在混凝土内部的水泥水化热较高，但由于混凝土体积较大不易散发，使得混凝土内部温度急剧上升，而其表面散热较快，造成混凝土内外温差较大，内部产生压应力，外表面产生拉应力，最终导致混凝土表面出现裂缝。当这种拉应力超过混凝土极限抗拉强度时，就会造成混凝土整体开裂，形成贯穿裂缝，严重危害结构安全。

3工程概况

N区贵阳街及双子塔工程11#楼位于贵阳市花果园，该楼建筑功能主要为办公和酒店，地上70层，地下5层，地上总高度为337.655 m，为超B级高度的超高层建筑。该建筑采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系，基础采用核心筒下筏板基础+外框柱下条形基础+抗水板形式，筏板厚度4.3 m。

4大体积混凝土施工质量控制措施

结合大体积混凝土自身特点，针对其施工过程中可能出现的问题，主要从大体积混凝土原材料的选择、配合比的优化(温度场有限元分析、足尺模型试验)、现场施工组织这三个方面进行控制。

4.1混凝土原材料的选择

为保证大体积混凝土施工质量，从原材料的选择上进行控制。通过对贵阳地区混凝土原材品质多次实地考察，最终拟定选用如下材料:

(1)水泥。采用贵州清镇“海螺”水泥厂生产的P. O 42.5水泥。试验结果表明，水泥的所测性能满足现行标准GB 175-2007/XG1-2009《通用硅酸盐水泥》规定的技术要求，活性较高，水泥的3 d水化热为270 kJ/kg，7 d水化热为314 kJ/kg。

(2)粗骨料。选用贵州照福砂石厂沉积岩碎石，公称粒径5～25 mm，连续级配，针片状含量3.1 %，含泥量0.2 %，泥块含量0.2 %，压碎指标为7.3 %，堆积密度为1 500 kg/m3，表观密度为2 620 kg/m3。

(3)细骨料。(山)砂含泥量为0.3 %，细度模数为2.7～2.9，石粉含量0.3 %，堆积密度为1 750 kg/m3。砂的性能满足GB/T 14684-2011《建筑用砂》、DB 24016-2010《贵州省山砂混凝土技术规程》规定的Ⅱ类砂技术要求。

(4)粉煤灰。选用贵州金沙电厂“名川”粉煤灰。测试结果表明，所选粉煤灰的性能符合GB 1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》规定的II级灰技术要求。

(5)矿渣。S95级粒化高炉矿渣粉。

(6)减水剂。采用贵州中兴南友建材有限公司生产的聚梭酸高性能减水剂，减水率26 %，固含量20.1 %,氯离子含量0.3 %，含气量3.2 %，总碱含量9 %，密度1.06 g/cm3。

(7)抗裂剂。采用武汉三源生产的SY-T复合纤维膨胀抗裂剂(外掺8 %)。

4.2大体积混凝土配合比的优化设计

4.2.1混凝土配合比试配及确定

11#楼基础筏板混凝土强度等级为C40，抗渗等级P10。配合比设计的思路：降低水泥用量，从而降低混凝土内部水化热峰值；延缓水化热的释放速度，从而延迟热峰值的出现；缓解凝固时间，避免施工过程中因凝结过快而出现冷缝；添加合适的外加剂，提高混凝土的抗裂能力。

本工程确定以混凝土60 d强度作为强度评定的依据，初期共拟定7个配合比在实验室进行试配。通过理论温度和应力计算，以及混凝土工作性能指标检测和试件强度检测等手段，确定出最优配合比(表1)。最后通过更加细致准确的理论分析和现场足尺模型试验，对初步选定的最优配合比进行分析和调整，确定出最终配合比(表2)。

表1　最优配合比　kg/m3

表2　最终配合比　kg/m3

4.3温度场有限元分析

配合比确定后，建立一个足尺模型。一是通过有限元软件迈达斯对大体积混凝土温度场进行仿真模拟，可以较为准确地判断出其内部温度峰值出现的时间和部位，同时可以分析布设冷凝水管后大体积混凝土内部的降温情况及冷凝管的降温半径，进而对混凝土内冷凝管的布置方式进行优化；二是在现场进行足尺模型混凝土浇筑试验，试验模型的施工原材料、配合比及现场外部环境均按照基础混凝土的要求进行真实模拟，浇筑混凝土后，对混凝土温度、应变进行监测，并绘制出温度变化曲线及应力变化曲线，为后续基础大体积混凝土的浇筑提供依据。

足尺模型尺寸长×宽×高为4.5 m×4.5 m×4.3 m。根据足尺模型具有对称性这一特性，为更高效、快速地对模型进行分析，并简洁、直观地反映内部温度分布状况及应力的变化情况，故选用1/4尺寸的足尺模型进行分析(图1)。

图1　足尺模型温度场有限元分析模型(1/4模型)

通过采用有限元软件进行分析，可得到不同时间段的温度云图，还可以通过对比直观地反映出布设冷凝水管后混凝土内部温度的变化情况。现以混凝土浇筑后30 h和100 h的温度云图为例进行比较说明(图2～图5)。

图2　30 h时混凝土内部温度云图

图3　布置冷凝水管通水后30 h混凝土内部温度云图

图4　100 h时混凝土内部温度云图

图5　布置冷凝水管通水后100 h混凝土内部温度云图

依据选定的配合比，通过软件建立模型分析得知，混凝土内未布设冷凝水管时，最高温度值为72.1℃，在浇筑后130 h左右出现；当布设冷凝水管时，最高温度降低到51.5℃，降温值可达到20.6℃，降温效果显著。

4.4足尺模型试验

足尺模型试验，一是通过较大方量的试拌检测混凝土各方面的工作性能和力学性能是否符合预期；二是监测混凝土的温度场变化是否与理论计算一致。

4.4.1工作性能和力学性能测定

对足尺模型浇筑混凝土的各项工作性能指标进行了检测，检测结果见表3。

表3　混凝土工作性能指标

通过对混凝土力学性能进行试验，得知混凝土抗压强度性能指标、28 d标准龄期抗渗强度均满足要求，同时对混凝土7 d和28 d的弹性模量以及第3 d至第7 d的劈裂抗拉强度进行测定，结合实测应变值，与劈裂抗拉强度进行对比分析，力学性能指标见表4。

表4　混凝土力学性能指标　MPa

4.4.2混凝土温度监测和保温层保温效果分析

通过监测得知足尺模型的内部最高温度出现在浇筑后96 h，最高温度为59.9℃，此时混凝土表面温度为38.19℃，里表最大温差为21.71℃，小于限值25℃。

保温层为一层塑料薄膜、两层麻袋和一层防水篷布。通过对测温数据进行整理可知，保温层的保温性能稳定，保温效果良好。

4.4.3内部冷却水降温效果分析

在混凝土降温阶段做了冷凝水降温效果的相关实验。经测定在通水前，混凝土内平均降温速率为0.070 ℃/h，通水后混凝土平均降温速为率0.095 ℃/h。通过对比可知内部通水后将降温速率提高了0.025 ℃/h，效果较明显。

5现场施工组织

5.1施工准备

5.1.1商品混凝土站选择及机具准备

为保证商品混凝土能及时运输到施工现场，所选择的混凝土公司的搅拌站距离施工现场路程较短且有充足的场地备料，同时另外联系一家搅拌站辅助供应。

混凝土运输车辆35辆，现场共设置5台混凝土输送泵，其中56 m臂架泵3台、车载柴油泵2台。同样为应对混凝土浇筑过程中设备出现机械故障，另联系1台臂架泵、1台车载泵及10辆混凝土运输车作备用。

5.1.2布置冷凝水管

冷凝水管采用焊管，共布置两道，第一道冷凝管距基础顶1.50 m，第二道冷凝管距基础底1.50 m，水平间距为1.5 m。

5.2浇筑要点

5.2.1浇筑顺序

现场布置5台泵车进行浇筑，其中3台臂架泵、2台车载泵。混凝土采用斜面分层、自西向东推移式进行连续浇筑，分层浇筑一次性浇筑厚度为500 mm，且上层混凝土应在下层混凝土初凝前进行浇筑，同时每台泵车出料口设专人进行管理，避免产生冷缝。

5.2.2振捣要求

大体积混凝土采用插入式捣固棒进行振捣。振捣点按间距500 mm×500 mm矩形布置。振捣时，振捣棒采取快插慢拔的方式插入下一层混凝土50 mm，并且在混凝土初凝前进行二次振捣。二次振捣工艺对提高混凝土的抗裂性具有重要作用，能有效避免混凝土水平钢筋下部产生的水份及空隙等，以此提高钢筋与混凝土之间的凝聚力，降低混凝土内微裂的现象，提高混凝土的密实度，增强混凝土的抗压强度。

5.3混凝土冷却水降温和温度监测

从混凝土浇筑完成后便开始连续不间断进行温度监测。温度监测采用无线通测温系统进行监测，数据可通过计算机或手机登录IP网址后进行查看。现场共布置18个数据采集点，每个数据采集点在不同高度共埋设5个温度传感器接头(图6、图7)。

图6　温度传感器平面布置

通过对现场大体积混凝土温度进行实时监测，在通冷却水的情况下，混凝土内部温度最高值为66.7℃，出现在浇筑后98 h，表面温度为41.8℃，里表温差24.9℃，小于25℃，在控制范围之内。揭去麻袋及塑料薄膜后，基础表面无肉眼可观性裂缝出现，大体积混凝土质量得到有效的控制。

图7　温度传感器立面布置

6结束语

防止温度裂缝的产生是保证大体积混凝土质量的关键，通过对温度裂缝产生的原因进行分析，我们从原材料、配合比、温控措施等方面做出有效的控制措施，并通过现场合理的施工组织，最终确保超高层筏板大体积混凝土施工质量。

参考文献

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[4]JGJ/55-2011 普通混凝土配合比设计规程[S].

[5]GB 50119-2013 混凝土外加剂应用技术规范[S].

【中图分类号】TU755.6+7

【文献标志码】B

[定稿日期]2015-12-29