大直徑樁芯混凝土溫差裂縫的控制

林偉堅(jiān)

【摘?要】本文以深圳平安金融中心樁基礎(chǔ)工程大體積樁芯混凝土為應(yīng)用實(shí)例，通過(guò)優(yōu)化混凝土配合比，采用加冰的方式控制混凝土出機(jī)溫度，從而控制混凝土入模溫度，并采取有效的養(yǎng)護(hù)措施，加強(qiáng)溫控監(jiān)測(cè)等合理方法，有效控制該工程混凝土溫差裂縫的產(chǎn)生，為相關(guān)工程提供一定的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】大體積;巨型樁;入模溫度;加冰

前言

隨著標(biāo)志性超高層建筑的建設(shè)發(fā)展，樁基礎(chǔ)直徑也越來(lái)越大，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越來(lái)越高。無(wú)論在國(guó)內(nèi)或國(guó)外，在超高層建筑樁基礎(chǔ)工程中，直徑在8.0m的大直徑人工挖孔樁（巨型樁）的溫差裂縫控制可借鑒的工程實(shí)例經(jīng)驗(yàn)較少，本文主要闡述通過(guò)溫控措施，達(dá)到控制巨型樁溫差裂縫的目的。

1 項(xiàng)目概述

深圳平安金融中心位于深圳市福田區(qū)01號(hào)地塊，益田路與福華路交匯處西南角，總建筑面積46萬(wàn)㎡，地下5層，地上115層，主體高度588米，塔頂高度660米，建成后將成為深圳第一高樓。

本工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用人工挖孔樁，總樁數(shù)為167根。其中樁徑為8.0m的巨型樁8根，樁徑為5.7m的中型樁16根，其余為樁徑1.4m～2.0m的普通樁。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)定義，混凝土構(gòu)件的最小尺寸等于或大于1米的即為大體積混凝土，因此該工程的樁芯混凝土屬于大體積混凝土。巨型樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45，由于超挖，其實(shí)際直徑達(dá)8.4m，單根混凝土澆筑量達(dá)1200～1800m3，因此控制溫度應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫成為該樁芯混凝土質(zhì)量控制的重點(diǎn)與難點(diǎn)之一。

2 混凝土配合比選材和優(yōu)化

2.1選用水化熱低的日本小野田P.O42.5水泥。該水泥CA含量低于8%，與同類水泥相比具有三天、七天水化熱低（Q3為242kJ/kg，Q7為296kJ/kg），28d強(qiáng)度高，配合比水泥用量低的特點(diǎn)，有利于砼內(nèi)部最高溫度的控制。

2.2在混凝土中摻入緩凝高效減水劑，該減水劑能大幅減少用水量，降低水泥用量，從而降低了水化熱。該緩凝型的減水劑由我司自行復(fù)配，可根據(jù)具體情況適當(dāng)延長(zhǎng)混凝土的凝結(jié)時(shí)間，從而推遲水泥水化放熱峰出現(xiàn)的時(shí)間。針對(duì)該樁芯混凝土，混凝土的初凝時(shí)間控制在8～10個(gè)小時(shí)。

2.3在混凝土中摻入適量的Ⅰ級(jí)粉煤灰和S95礦粉，它們可以替代部分水泥，既改善了混凝土的可泵性，又能大大降低混凝土的水化熱。

2.4使用安托山石場(chǎng)生產(chǎn)的5～25碎石。由于是本公司自有的碎石生產(chǎn)線，故可調(diào)整碎石的生產(chǎn)工藝生產(chǎn)顆粒級(jí)配很好的碎石。有利于混凝土的可泵性和體積穩(wěn)定性。

2.5使用人工砂替代部分河砂，河砂與人工砂比例為7：3，大大降低了混凝土用砂的含泥量和氯離子含量，提高了混凝土的抗裂性，更能保證混凝土質(zhì)量。

根據(jù)我司在大體積混凝土和樁芯混凝土多年的經(jīng)驗(yàn)，C45的優(yōu)化配合比擬定如下：

3 入模溫度控制

3.1原材料溫控措施

充分利用我司堆場(chǎng)和攪拌樓物料貯存罐貯存量大的優(yōu)勢(shì)，避免物料由于陽(yáng)光直射而升溫。儲(chǔ)罐輪換使用，遵循先到先用的原則，避免用到剛?cè)霂?kù)溫度比較高的粉料。按我司的經(jīng)驗(yàn)，粉料（水泥、煤灰、礦粉）溫度能控制在50℃以下，砂石比氣溫約高1～3℃，夏季能控制在35℃以下（氣溫按32℃算）。

3.2混凝土出機(jī)溫度計(jì)算

（1）

式中：??????????T0—混凝土的出機(jī)溫度，℃;

Cs、Cg、Cc、Cf、Ck—固體比熱容，0.9kJ/（kg·℃）;

Cw—液體比熱容，4.2kJ/（kg·℃）;

Qs、Qg—砂，石含水率，Qs取6%，Qg取0;

Ts、Tg、Tc、Tf、Tk、Tw—砂、石、水泥、粉煤灰、礦粉、和水的溫度，℃;

Ws、Wg、Wc、Wf、Wk、Ww—砂、石、水泥、粉煤灰、礦粉、和水的每方重量，kg。

由公式（1）和表一相關(guān)數(shù)據(jù)可得：T0（C45）=37.2℃

3.3我司擁有先進(jìn)的加冰生產(chǎn)線（四條生產(chǎn)線均可加冰屑），通過(guò)加冰來(lái)取代等量的水，可以大幅降低混凝土的出機(jī)溫度，以下是加冰量計(jì)算：

若通過(guò)添加冰水（0℃的水）來(lái)控制出機(jī)溫度，即Tw=0，由公式（1）可得理論極限控制出機(jī)溫度T0’（C45）=31.1℃?？紤]到運(yùn)輸澆筑過(guò)程中有一定的溫度回升（若2～4℃），若入模溫度控制≤32℃，單靠加冰水則很難滿足要求。

若通過(guò)加冰來(lái)控制出機(jī)溫度，加冰后吸收熱量

Q=Q+Q=m·c+m·c·（T-0）??????（2）

砼的出機(jī)溫度可下降的溫度值

ΔT’=T0-T=Q/（ρ·c）?????????（3）

綜合（2）（3）可得加冰量與控制的出機(jī)溫度關(guān)系為：

m=（ρ·c）（T0-T）/（c+cT）???????（4）

式中m —加冰量，kg;

T0—混凝土的出機(jī)溫度，C45配合比為37.2℃;

T—控制出機(jī)溫度，℃;

c—冰的溶解熱，335kJ/kg;

c—水的比熱容，4.2kJ/（kg·℃）;

c—混凝土的比熱容，0.97kJ/（kg·℃）;

ρ—混凝土容重，C45配合比為2380kg;

對(duì)C45配合比，由公式（4）可得，若控制出機(jī)溫度T為25℃，則需加冰64kg。理論極限加冰量為152-735×0.06=108kg，理論極限控制出機(jī)溫度為18℃。

3.4混凝土內(nèi)部最高溫計(jì)算

考慮樁芯天然保溫效果較好，預(yù)計(jì)最高溫度出現(xiàn)在6天左右，絕熱溫升計(jì)算采用公式

??????????????（5）

式中Th——混凝土最大絕熱溫升，℃;

W——混凝土中膠凝材料總量，C45配合比為420kg;

Q——水泥水化熱總量，

其中Q7為7天水化熱，Q3為3天水化熱。對(duì)日本小野田水泥，Q7取296kJ/kg，Q3取242kJ/kg，則Q=354kJ/kg;

c——混凝土的比熱容，0.97kJ/（kg·℃）;

ρ——混凝土容重，C45配合比為2380kg;

m——系數(shù)，取值0.40;

t——混凝土澆筑后時(shí)間，按6d計(jì)算最高溫度，取值6d;

k——水化熱調(diào)整系數(shù)，k=k1+k2-1

其中k1——粉煤灰調(diào)整系數(shù)，取值0.95;

k2——礦粉調(diào)整系數(shù)，取值0.93;

則k=0.88

由此得Th=51.5℃，因此，若不考慮熱量散失，當(dāng)控制入模溫度為25℃，則T=25+51.5=76.5℃，即內(nèi)部極限最高溫為76.5℃。由于實(shí)際會(huì)存在一定的熱量散失，故實(shí)際內(nèi)部最高溫度應(yīng)小于76.5℃。

本工程要求入模溫度要求≤32℃，考慮到生產(chǎn)運(yùn)輸、泵送、澆注過(guò)程的砼2～4℃的溫度回升，而且溫差裂縫控制壓力較大，為了保險(xiǎn)起見，生產(chǎn)時(shí)加冰量在80kg/m3左右，控制出機(jī)溫度22±2℃，入模溫度25±2℃。

4 保溫養(yǎng)護(hù)

由于本工程屬大體積混凝土，而且樁芯混凝土與基礎(chǔ)底板或地上構(gòu)件大體積混凝土有所不同，樁芯屬于地下構(gòu)件，整個(gè)樁均埋在地下，有著天然的保溫環(huán)境，可以很好地解決砼體四周與底面的養(yǎng)護(hù)問(wèn)題。本工程巨型樁芯砼澆注完成砼終凝后，在樁的上表面進(jìn)行蓄水養(yǎng)護(hù)，避免上表面與大氣直接接觸導(dǎo)致上表面散熱過(guò)快出現(xiàn)溫差裂縫。

5 測(cè)溫檢測(cè)與結(jié)果

混凝土澆注集中在6～8月，大氣溫度為29～33℃，環(huán)境濕度為40%～70%，混凝土入模溫度25±2℃。該工程采用電子便攜式測(cè)溫儀，溫度記錄誤差±1℃。巨型樁的每個(gè)截面布置一處測(cè)溫點(diǎn)，沿半徑方向分為5個(gè)斷面，每個(gè)斷面布置一個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從上至下分為1、2、3、4、5號(hào)。測(cè)溫點(diǎn)布置示意圖如圖1。其中含超灌混凝土高度，1號(hào)點(diǎn)距離混凝土表面600mm。

根據(jù)N21巨型樁（樁深16m，直徑8m）典型的溫度記錄，最高溫度出現(xiàn)在2號(hào)A截面測(cè)溫點(diǎn)，取該點(diǎn)及周圍臨近點(diǎn)的溫度繪出混凝土水化熱溫升曲線如圖2。其升溫階段第6.5d后達(dá)到峰值，混凝土最高溫度73.6℃，與計(jì)算基本吻合，溫度降低比較緩和，在第45天后溫度為60.5℃，降溫速率小于0.5℃/d。2-A與1-A點(diǎn)的最大溫差26.4℃，2-A與2-C點(diǎn)的最大溫差20.6℃。

根據(jù)后期（40～60d）超聲波檢測(cè)結(jié)果，以及抽芯芯樣外觀顯示，未發(fā)現(xiàn)任何有害裂縫，檢測(cè)結(jié)果得到了施工單位與業(yè)主單位的一致認(rèn)可。

6 結(jié)論

6.1 由于有天然的保溫環(huán)境，巨型樁芯混凝土有別于其它（如，底板、承臺(tái)等）大體積混凝土，其溫峰出現(xiàn)較晚，本工程直徑8.0m的樁芯最高溫峰出現(xiàn)時(shí)間為6.5d。

6.2 通過(guò)優(yōu)化混凝土配合比，采用加冰的方式控制混凝土出機(jī)溫度，從而控制混凝土入模溫度，并采取有效的養(yǎng)護(hù)措施，加強(qiáng)溫控監(jiān)測(cè)等合理方法，可以有效控制巨型樁芯混凝土溫差裂縫的產(chǎn)生。

（作者單位：深圳市安托山投資發(fā)展有限公司）