特大型高爐基礎(chǔ)大體積混凝土裂縫控制技術(shù)及監(jiān)理

杜建民（北京誠(chéng)信工程監(jiān)理有限公司，北京 100043）

1　項(xiàng)目特點(diǎn)及施工方案

某鋼鐵企業(yè)廠址位于北方某省市，其廠址范圍內(nèi)地質(zhì)松軟，建設(shè)用地為舊有河道人回填方式形成，地下水位高。工程所在地氣候基本屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，其氣候特征是四季分明。平均風(fēng)速 5.3 m/s，平均濕度 71%。此次建設(shè)的 4 000 m3高爐是目前我國(guó)特大型高爐之一。由國(guó)內(nèi)某專業(yè)鋼鐵設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)理念上遵循了“先進(jìn)成熟、實(shí)用可靠、長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展”的設(shè)計(jì)原則，運(yùn)用綜合長(zhǎng)壽技術(shù)，爐齡設(shè)計(jì)壽命 25 a。

1.1　項(xiàng)目特點(diǎn)

高爐地基采用了樁基方案，在高爐基礎(chǔ) 60.0 m×35.7 m 的底面積范圍內(nèi)布有直徑 1.2 m 的鋼筋混凝土灌注樁170 根。樁基為鉆孔灌注樁，樁基采用 C35 混凝土，樁徑1.2 m，樁長(zhǎng) 42.0 m，樁距 3.6×3.7 m?；A(chǔ)底板長(zhǎng) 60.0 m，寬 35.7 m，高 5.5 m；爐底座半徑 10.1 m，高 3.0 m。高爐基礎(chǔ)承臺(tái)采用大塊式鋼筋混凝土基礎(chǔ)，為滿足高爐爐齡的要求，首次在特大型高爐基礎(chǔ)上應(yīng)用了 C30 高性能混凝土。

本工程具有一次連續(xù)混凝土施工方量大(計(jì)算量 8 200 m3)、質(zhì)量要求高(不能出現(xiàn)有害裂縫，防止地下水侵蝕鋼筋對(duì)高爐基礎(chǔ)的耐久性產(chǎn)生不利影響)和一次性不間斷連續(xù)澆筑完成等特點(diǎn)。

1.2　施工方案

根據(jù)以上地勘及設(shè)計(jì)文件參數(shù)及要求，監(jiān)理部經(jīng)過(guò)認(rèn)真、嚴(yán)格的審查、對(duì)比、論證、優(yōu)化后，批準(zhǔn)了高爐基礎(chǔ)混凝土澆筑分兩次施工的方案：第一次澆筑 60.0 mm×35.7 mm×5.5 m 的基礎(chǔ)本體，第二次澆筑高爐底座圓墩，第一、二次澆筑混凝土之間形成施工縫。高爐基礎(chǔ)混凝土一次(-5.5～±0.0)m 連續(xù)澆筑混凝土總量達(dá) 8 200 m3，為國(guó)內(nèi)冶金工程單次連續(xù)澆筑量最大、最厚的大體積單體混凝土基礎(chǔ)之一。

基礎(chǔ)底板下部鋼筋共設(shè)置 4 層，第一層鋼筋長(zhǎng)度方向采用Ⅲ級(jí)鋼筋 φ32 mm×125 mm，寬度方向采用Ⅲ級(jí)鋼筋 φ32 mm×200 mm；中間部位兩層鋼筋均為Ⅱ級(jí)鋼筋φ16 mm×300 mm；上部鋼筋(包括四周)均采用Ⅲ級(jí)鋼筋φ32 mm×200 mm 雙向，圈筋在立筋的內(nèi)側(cè)。鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度底板底部為 120 mm，其余為 50 mm。

1.3　計(jì)算和實(shí)驗(yàn)

根據(jù)高爐基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要求、擬選用的混凝土配比和當(dāng)?shù)厮臍夂驐l件，通過(guò)對(duì)混凝土的溫升、溫差、降溫等環(huán)節(jié)，對(duì)抗裂進(jìn)行了計(jì)算。為了核實(shí)、驗(yàn)證混凝土的溫升計(jì)算結(jié)果，還要求施工單位做了混凝土的絕熱溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果非常相近，證明了計(jì)算的可靠性。

2　施工技術(shù)措施

2.1　混凝土相關(guān)指標(biāo)

經(jīng)過(guò)多種方案嚴(yán)格篩選，在保證各項(xiàng)指標(biāo)(混凝土含氣量平均值 4%～6%，氯離子擴(kuò)散系數(shù) DNEL＜6×10-12m2/s(28 d 齡期)，混凝土抗凍性的耐久性指數(shù) DF 在 60%～70%，總的混凝土含堿量≤ 3.0 kg/m3)要求的前提下，達(dá)到降低大體積混凝土塊體水化熱，推遲、降低溫升峰值的目的，采用按一定配合比設(shè)計(jì)的高性能混凝土。

2.2　施工技術(shù)措施及監(jiān)理控制要點(diǎn)

高爐基礎(chǔ)混凝土澆筑分兩次施工，先澆筑 60 m×35.7 m×5.5 m 的基礎(chǔ)本體，后施工爐底座圓墩。高爐基礎(chǔ)混凝土一次(-5.5～±0.0) m 連續(xù)混凝土澆筑總量達(dá) 8 200 m3。高爐基礎(chǔ)選擇在 4 月初開(kāi)始澆筑，有利于降低混凝土的入模溫度。

(1) 混凝土初凝時(shí)間按不早于 8.5 h 設(shè)計(jì)，按每 40 cm分層澆筑，每一層混凝土澆筑量 857 m3，每小時(shí)混凝土供應(yīng)量≥ 123 m3，安排 16 臺(tái)混凝土運(yùn)輸車。

(2) 保證新拌混凝土供應(yīng)能力不低于單位時(shí)間所需量的1.2 倍，確保混凝土的持續(xù)不間斷澆筑，并且制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。

(3) 澆筑混凝土?xí)r，為防止前后澆筑的混凝土出現(xiàn)冷縫，施工采用“連續(xù)分層”方案，每層厚度不超過(guò)40 cm，且前后層施工混凝土澆筑時(shí)間間隔不超過(guò)混凝土初凝時(shí)間。

(4) 在混凝土澆筑前根據(jù)混凝土配合比和水化熱試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)氣候條件，對(duì)大體積混凝土澆筑體內(nèi)部溫度場(chǎng)、收縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算。

(5) 計(jì)算保溫層厚度，設(shè)計(jì)延時(shí)保溫、保濕養(yǎng)護(hù)方案。

(6) 養(yǎng)護(hù)力度大小及時(shí)間長(zhǎng)短根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，高爐基礎(chǔ)拆模后及時(shí)回填，以保證高爐基礎(chǔ)大體積混凝土質(zhì)量，避免基礎(chǔ)混凝土長(zhǎng)時(shí)間暴露而增大里外溫差。

3　溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)監(jiān)控

該工程具有混凝土施工方量大，質(zhì)量要求高，養(yǎng)護(hù)困難，一次性不間斷連續(xù)澆筑完成等特點(diǎn)。為確保施工質(zhì)量，在精心組織施工的前提下，還通過(guò)對(duì)該大體積混凝土澆筑塊體內(nèi)部的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)過(guò)程中可能出現(xiàn)的異常情況，及時(shí)調(diào)整養(yǎng)護(hù)方案，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)本次施工和養(yǎng)護(hù)，實(shí)現(xiàn)不出現(xiàn)有害裂縫的目的。

現(xiàn)場(chǎng)溫度和應(yīng)力監(jiān)測(cè)工作本工程委托了中冶集團(tuán)建筑研究總院建筑工程檢測(cè)中心實(shí)施，采用了兩套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：英國(guó)輸力強(qiáng)公司生產(chǎn)的獨(dú)立高精度多通道測(cè)量站(IMP)，通過(guò) S-網(wǎng)絡(luò)與中央控制器組成的分散式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；澳大利亞產(chǎn) dataTaker 數(shù)據(jù)采集儀。采用三種測(cè)試元件：高精度銅電阻溫度傳感器、美國(guó)基康公司的 BGK—4200 型應(yīng)變計(jì)和中冶集團(tuán)建筑研究總院自主開(kāi)發(fā)的 kM—200A 型傳感器進(jìn)行混凝土溫度和應(yīng)變測(cè)量，測(cè)試系統(tǒng)循檢能力小于 1秒。

4　監(jiān)理控制要點(diǎn)

根據(jù)以上施工及養(yǎng)護(hù)監(jiān)控措施，監(jiān)理部做了認(rèn)真的準(zhǔn)備和部署工作。首先深刻理解到本工程的重要性和技術(shù)難度，然后根據(jù)施工方案有針對(duì)性的制定出詳盡的監(jiān)理細(xì)則，概括為對(duì)施工行為嚴(yán)把“六關(guān)”和三個(gè)“保證”，以確保施工技術(shù)措施得到嚴(yán)格、全面的落實(shí)。具體措施如下：

(1) 嚴(yán)把“六關(guān)”：資質(zhì)關(guān)、方案關(guān)、材料關(guān)、工序關(guān)、資料關(guān)、驗(yàn)收關(guān)。

(2) 做到三個(gè)“保證”：對(duì)每一個(gè)可能涉及到質(zhì)量和安全的因素進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)督，保證不出現(xiàn)重大質(zhì)量和安全問(wèn)題；無(wú)論主控項(xiàng)目還是一般項(xiàng)目，都必須做到閉環(huán)控制，保證每一個(gè)隱患都得到整改；進(jìn)入下一個(gè)工序前保證上一個(gè)工序不遺留施工質(zhì)量問(wèn)題和安全隱患，以此類推，環(huán)環(huán)相扣，最終才能保證施工質(zhì)量和安全，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5　結(jié)　語(yǔ)

(1) 本次 4 000 m3高爐基礎(chǔ)大體積混凝土施工取得了成功，這離不開(kāi)中冶集團(tuán)建筑研究總院工程檢測(cè)中心對(duì)高爐基礎(chǔ)混凝土施工前后的鼎力指導(dǎo)。

(2) 基礎(chǔ)一次性整體澆筑完畢，由于在施工工藝、材料組成、后期養(yǎng)護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方面采取了一系列溫控防裂技術(shù)措施，基礎(chǔ)未出現(xiàn)有害裂縫。整體澆筑縮短了工期、增加了整體剛度、提高了防水性能。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：只要在施工過(guò)程中對(duì)原料的質(zhì)量、混凝土級(jí)配管理、泵送工藝、養(yǎng)護(hù)的保溫保濕等各個(gè)環(huán)節(jié)采取一系列切實(shí)有效的技術(shù)組織措施，以保證施工質(zhì)量，一次澆筑大體積混凝土不留任何施工縫是完全可以實(shí)現(xiàn)的。

(3) 在整個(gè)施工過(guò)程中，從澆筑直至養(yǎng)護(hù)結(jié)束一直保持對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了大體積混凝土的數(shù)字化施工。不但確保了國(guó)內(nèi)最大體積高爐鋼筋混凝土基礎(chǔ)本體不出現(xiàn)有害裂縫，還詳細(xì)掌握了特大型大體積鋼筋混凝土在澆灌養(yǎng)護(hù)過(guò)程中水灰比、坍落度、外加劑、摻和科、大氣溫度、混凝土的溫度和溫升、混凝土的徐變和松弛等等之間的影響和變化關(guān)系，為以后的大體積混凝土施工積累了數(shù)據(jù)，掌握了訣竅。本次測(cè)試總采集次數(shù) 3 300 次，總有效數(shù)據(jù) 33 萬(wàn)個(gè)，測(cè)試規(guī)模在國(guó)內(nèi)大體積混凝土施工中前所未有，值得重視和推廣。

(4)《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》[1]所給出的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力計(jì)算方法，是理論推導(dǎo)和無(wú)數(shù)工程實(shí)例的總結(jié)，實(shí)踐驗(yàn)證具有較高的精度，既可以預(yù)測(cè)大體積混凝土溫度場(chǎng)的分布，又可以分析結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力場(chǎng)問(wèn)題，具有很強(qiáng)的適用性。

(5) 一般觀念所認(rèn)為的設(shè)置伸縮縫就可以避免裂縫，不留伸縮縫就一定會(huì)產(chǎn)生裂縫的觀點(diǎn)有其片面性。從本次施工結(jié)果來(lái)看，混凝土的有害裂縫是可以避免的。合理控制溫度變化，充分利用混凝土徐變松弛的自身特性，可以有效控制混凝土在溫度變化下的變形，從而控制混凝土中應(yīng)力變化。從監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，控制最高溫升、混凝土內(nèi)外溫差和降溫速度是最關(guān)鍵的因素。

(6) 在這次大體積混凝土施工編制施工方案過(guò)程中，對(duì)混凝土的溫度、溫升、絕熱溫升、控溫和降溫都進(jìn)行了理論計(jì)算。本次大體積混凝土施工理論計(jì)算及實(shí)際情況比較分析表明，理論計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果非常一致，施工過(guò)程控制良好，沒(méi)有產(chǎn)生任何有害裂縫，圓滿完成了施工任務(wù)。本次施工中采取的技術(shù)措施和積累的經(jīng)驗(yàn)值得認(rèn)真總結(jié)和推廣，可以為我國(guó)的大體積混凝土施工工藝改良作出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐榮年,徐欣磊.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.