建筑工程中筏板基础大体积混凝土温度裂缝计算及施工技术

李帅

摘  要：该文以某高层建筑为例，探究筏板基础大体积混凝土温度裂缝的计算方法及混凝土施工技术。分别计算各龄期混凝土的收缩变形值、弹性模量、温度应力等参数，然后求解抗裂安全系数。计算结果显示，大体积混凝土各龄期的抗裂安全系数均大于1.0，满足抗裂要求。在大体积混凝土施工中，重点加强物料质量检验与配合比设计，以及混凝土浇筑、养护等环节的施工管理，把握施工技术要点，才能提高筏板基础的施工质量。在混凝土养护结束后进行温度测控，结果表明大体积混凝土内外温差较小，不存在温度裂缝的风险。

关键词：筏板基础；大体积混凝土；温度裂缝；配合比；温度测控

中图分类号：TU755.7      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）05-0156-04

Abstract： Taking a high-rise building as an example， this paper probes into the calculation method of temperature crack of mass concrete in raft foundation and concrete construction technology. The parameters such as shrinkage deformation， elastic modulus and thermal stress of concrete of each age are calculated respectively， and then the anti-crack safety factor is calculated. The calculation results show that the anti-crack safety factor of mass concrete at each age is more than 1.0， which meets the anti-crack requirements. In the construction of mass concrete， emphasis is placed on strengthening the material quality inspection and mix design， as well as the construction management of concrete pouring and maintenance， and grasping the key points of construction technology in order to improve the construction quality of raft foundation. The temperature measurement and control is carried out after the end of concrete curing， and the results show that the internal and external temperature difference of mass concrete is small， and there is no risk of temperature cracks.

Keywords： raft foundation; mass concrete; temperature crack; mix ratio; temperature measurement and control

大体积混凝土的浇筑厚度在1 m以上，具有承载力强、防渗、抗震性能好等特点，在现代高层及超高层建筑中被广泛使用。受到水化热的影响，大体积混凝土内部热量无法及时消散，内外温差较大。当温差超过25 ℃时，由于热胀程度不一致导致混凝土结构发生裂缝，严重影响筏板基础的荷载能力和防渗效果。因此，在大体积混凝土施工中要采取相应措施控制内外温差，例如配制混凝土时用低温冷水，使用低水化热的水泥，以及做好洒水保湿养护等。这些措施可以有效预防温度裂缝，切实提高筏板基础施工质量。

1  工程概况

某商务综合办公楼总建筑面积85 450 m2，建筑高度108.6 m，共30层。地下2层，为地下车库和设备用房，地下基础面积6 428 m2；地上28层，1～4层为商业区，5层以上为办公区。该建筑主体为钢筋混凝土框架核心筒结构，基础采用筏板基础，厚度为2.5 m，属于大体积混凝土。混凝土强度等级为C40，预估用量至少7 500 m3，水化热量较大，易产生溫度裂缝，对温度控制提出严格要求。

2  筏板基础大体积混凝土温度裂缝计算

2.1  各龄期混凝土的收缩变形

不同龄期混凝土的收缩变形值可通过式（1）求得

式中：ε表示龄期为t时混凝土的收缩变形值；ε表示标准状态下混凝土的极限收缩值，这里取3.24×10-4； e为常数，这里取2.718；M1—M10表示非标准状态下的修正系数，具体取值见表1。

本工程中筏板基础的配筋率设定为2%，水泥浆量为30%，相对湿度为25%。根据式（1）可以求得不同龄期混凝土的收缩变形值，例如龄期为3 d时，ε的值为0.122×10-4 mm；龄期为10 d时，ε的值为0.347×10-4 mm；龄期为30 d时，ε的值为0.914×10-4 mm。根据收缩变形值，进一步求得各龄期混凝土的收缩当量温差，计算公式为

T（t）=ε（t）/α， （2）

式中：T（t）表示龄期为t时混凝土收缩当量温差；α表示混凝土的线膨胀系数，这里以10-6计。龄期为3 d时，混凝土收缩当量温差为1.22 ℃；龄期为10 d时，混凝土收缩当量温差为3.47 ℃；龄期为30 d时，混凝土收缩当量温差为9.14 ℃。

2.2  各龄期混凝土的温度应力

各龄期混凝土的最大综合温差计算公式为

式中，ΔT（t）表示龄期为t时，大体积混凝土的综合降温；Tj表示混凝土的浇筑温度，本工程中以9.26 ℃计；T0（t）表示龄期为t时，释放水化热导致的温升；T（t）表示龄期为t时混凝土收缩当量温差；Tq表示施工现场平均气温，本工程中以7 ℃计。将各项数据带入式（3）后，求得各龄期混凝土的最大综合温差。龄期为3 d时，最大综合温差为36.18 ℃；龄期为10 d时，最大综合温差为28.82 ℃；龄期为30 d时，最大综合温差为21.16 ℃。

各龄期混凝土的弹性模量计算公式为

E（t）=E0（1-e-0.09t），（4）

式中：E（t）表示龄期为t时混凝土的弹性模量；E0表示标准龄期混凝土的弹性模量，这里以3.25×104 MPa计；e为常数，取值为2.718。根据式（4）可以求得不同龄期混凝土的弹性模量。例如，龄期为3 d时，弹性模量为0.77×104 MPa；龄期为10 d时，弹性模量为1.93×104 MPa；龄期为30 d时，弹性模量为3.03×104 MPa。

根据混凝土的弹性模量、混凝土内外温差最大值、线膨胀系数等可以求得各龄期混凝土的温度应力[1]。计算公式如下

式中：σ（t）表示龄期为t时混凝土的温度应力；E（t）、α等同上；H（t）表示龄期为t时混凝土的松弛系数，具体取值见表2；R表示混凝土的外约束系数，本工程中以0.5计；μ表示泊松比，这里以0.15计。

将各项数据带入式（5）后，求得大体积混凝土在不同龄期的温度应力变化如图1所示。

2.3  大体积混凝土抗裂安全度计算

各龄期混凝土的抗拉强度可通过以下公式求得

F（t）=f（1-e-γt），    （6）

式中：F（t）表示龄期为t时混凝土的抗拉强度；f表示抗拉强度标准值，以C40混凝土为例，取2.4 N/mm2；γ表示抗拉系数，以0.3计；e为常数，取值2.718。根据上式可以求得不同龄期混凝土的抗拉强度值，龄期为3 d时，抗拉强度为1.42 MPa；龄期为10 d时，抗拉强度为2.28 MPa；龄期为30 d时，抗拉强度为2.40 MPa。

利用抗拉强度和温度应力的比值，可以求得混凝土的抗裂安全系数K，计算公式为

结合上文计算可知，齡期为3 d时，F（t）值为1.42 MPa；σ（t）值为0.934 MPa，则K为1.52；龄期为10 d时，F（t）值为2.28 MPa；σ（t）值为1.538 MPa，则K为1.48。经计算，各龄期内大体积混凝土的抗裂安全系数均大于1.0，满足抗裂要求。

3  筏板基础大体积混凝土施工技术

3.1  混凝土的配制

3.1.1  原材料质量控制

组成混凝土的原材料主要有6种，分别是水泥、粗骨料（石）、细骨料（砂）、水、粉煤灰及外加剂。本工程中所用水泥为P.042.5普通硅酸盐水泥，C3A含量低于8%。考虑到大体积混凝土水化热是造成裂缝的主要因素，因此在选择水泥时应尽量降低水化热。要求3 d水化热不超过250 kJ/kg，7 d水化热不超过320 kJ/kg。此外，水泥必须干燥，在保质期内，并且无受潮板结情况。粗骨料的级配和线膨胀系数与混凝土的抗裂性能有直接关系，本工程中选用粒径在5～15 mm的碎石，要求含泥量低于1%，针片状含量不超过10%。细骨料选用细度模数为2.5～3.0的中砂，含泥量不超过1%。选择粉煤灰作为掺合料，能提高混凝土的和易性、可泵性、抗渗性，优先使用高密度（2.0 g/cm3以上）粉煤灰，需水量在95%～105%之间。为了改善大体积混凝土的抗裂性能和荷载能力，在配制混凝土时加入了高效减水剂和膨胀剂2种外加剂[2]。

3.1.2  配合比设计

在设计混凝土各物料配合比时，应满足以下条件：①初凝时间，根据以往施工经验，大体积混凝土的初凝时间通常在6～8 h；考虑到筏板基础混凝土的浇筑量大、蒸发条件不好，可适当延长初凝时间，在8～10 h之间为宜；②水灰比，本工程中混凝土采用泵送方式浇筑，为了提高浇筑效率和浇筑质量，要求混凝土要具备良好的和易性和流动性，因此水胶比应控制在0.4以下。综上，本工程中设计配合比见表3。

3.2  混凝土的施工工艺

3.2.1  混凝土的拌和与运输

本工程所用混凝土由附近的拌和站完成制作后，使用砼车运输到施工现场。为防止混凝土出现离析、泌水等情况，对运输时间进行严格控制，要求运输时间控制在2 h以内。同时，砼车的车厢必须具有保温功能，配备防风、防雨等设施[3]。在装料前，检查砼车的搅拌罐内是否有积水或杂物，务必保证清理干净后再装入配制好的混凝土。砼车到达施工现场后，先进行质量检查，测定坍落度是否符合标准，观察有无离析情况。对于不符合施工要求的一律不允许进场。

3.2.2  混凝土的浇筑

后浇带施工是筏板基础大体积混凝土施工的重要内容，设置后浇带的目的是避免大体积混凝土因为内外温度差异过大或者干燥收缩不均匀而产生有害裂缝。本工程中设置的后浇带主要包括4部分，分别是原有配筋、新增加强筋，以及加强筋中间的后浇微膨胀混凝土和3 mm厚钢板止水带，具体布置如图2所示。

在后浇带施工中，考虑到此处钢筋分布较为密集，支设模板较长，一旦掉落杂物、垃圾将很难清理，进而对混凝土浇筑质量造成不良影响。本工程施工中采取了后浇带封闭保护措施。上部使用胶合板封盖，在底板两侧各砌筑一条宽100 mm、高120 mm的砖带。砌筑砂浆标号为M10，转角部分抹成圆弧[4]。

完成后浇带施工后，使用地泵浇筑大体积混凝土。将泵车移动到第一节施工段，放置泵管。为了避免浇筑混凝土时泵管随意移动，需要用钢丝将泵管固定在钢管支架上。在浇筑过程中，随着浇筑方向移动支架，直到当前施工段完成浇筑任务。对于大体积混凝土，水化热产生的热量导致混凝土内外温差过大是造成裂缝的主要原因，要想避免温度裂缝的发生，必须采用分层浇筑工艺。本工程采用“斜面分层”方法，在浇筑混凝土时保证一定坡度，形成斜面，按照由左往右的顺序依次分层浇筑。每层浇筑厚度在400～500 mm之间，浇筑一层、振捣一层，振捣时间控制在30 s左右，观察到混凝土表面出现浮浆停止。通过层层振捣，既可以提高混凝土的密实度和承载力，同时又能加快热量的散失，对预防大体积混凝土的温度裂缝有良好效果。

3.2.3  混凝土的养护

完成混凝土浇筑后立即开始养护。将浸水湿润的麻袋或棉毡平铺在混凝土表面，一方面可以起到遮阳防晒的效果，避免阳光直射造成混凝土表面水分快速蒸发，预防干燥收缩裂缝；另一方面发挥蓄热作用，防止散热过快，控制混凝土内外温差在25 ℃以内。养护期间，定期向麻袋、棉毡上洒水，保证足够湿润，浇水养护时间不少于7 d。养护28 d后，检测混凝土强度，达到40 MPa后方可拆模。

3.2.3  混凝土的拆模

养护结束后拆除模板。拆除时，除了保证混凝土强度达标外，还要关注混凝土的温度。温度太高的情况下拆模，会导致降温过快而出现裂缝。通常要求混凝土表面温度与大气温度的差值在20 ℃以内，混凝土表里温度在25 ℃以内方可拆模。在大风或降雨天气下不易拆模，拆除的模板统一存放。

3.3  大体积混凝土的温度测控

3.3.1  温度测控方法

大体积混凝土的内外温度差异较大，当温差超过25 ℃时极易引发温度裂缝，因此大体积混凝土施工中必須要做好温度测量，随时掌握内外温度变化情况。本工程中分别在筏板基础的中心、侧边、拐角3个区域布置了测温点，相邻测点的距离为5 m，要求每100 m2至少有1个测温点。采取竖向布置原则，任意一个测温点在垂直方向上布置3个测温孔，上部孔位于混凝土表面以下200 mm处，中部孔位于混凝土1 000 mm处，下部孔位于混凝土底部以上200 mm处。在测温孔内放置测温元件，测温范围-20～100 ℃，测量误差小于0.2 ℃。在筏板基础大体积混凝土初凝后开始测温，前3 d每2 h测温1次，从第4天开始到第14天每4 h测温1次，之后每6 h测温1次[5]。

3.3.2  温度测控结果

统计各测温点的平均值，筏板基础大体积混凝土的温度变化如图3所示。

由图3可知，大体积混凝土的温度在第10天达到峰值，之后开始缓慢下降。横向对比来看，中部测温点与上部和下部测温点的最大温差出现在第35天。此时，中部测温点温度为20.3 ℃，上部测温点12.6 ℃，下部测温点15.1 ℃，最大温差为7.7 ℃，明显低于规定限值（25 ℃），因此本工程中筏板基础大体积混凝土不存在温度裂缝风险。

4  结束语

在大体积混凝土施工中，预防温度裂缝是施工管理的重点内容。在设计阶段通过温度应力和裂缝计算，保证大体积混凝土抗裂安全系数满足相关规定的抗裂要求。在施工阶段则采取优化物料配合比，采取预冷措施，以及设置后浇带、做好洒水养护等一系列措施，通过有效控制大体积混凝土内外温差，从而避免温度裂缝的发生。从施工效果来看，本工程中筏板基础大体积混凝土的内外温差得到了有效控制，筏板基础的施工质量达标，为地上建筑施工创造了有利条件。

参考文献：

[1] 张文菊.大体积腔体混凝土结构温度及裂缝与控制的探析[J].中国建筑金属结构，2021（7）：52-55.

[2] 陈少辉.中湖大桥承台大体积混凝土温度裂缝分析及控制技术[J].价值工程，2021（7）：113-114.

[3] 陈永刚，李成春，赵月.大体积混凝土温度裂缝控制与监测措施分析[J].工程建设与设计，2021（1）：291-293.

[4] 傅奕帆，王林峰，程平，等.箱式隧道现浇大体积混凝土温度应力场及裂缝控制研究[J].现代隧道技术，2021（6）：9-10.

[5] 彭臣.房建工程大体积混凝土温度裂缝控制研究[J].哈尔滨商业大学学报：自然科学版，2023（1）：72-77.