大體積混凝土底板溫控?cái)?shù)值模擬與施工技術(shù)
——以某商業(yè)住宅樓地下室工程為例

張國(guó)珍

(福州新榕城市建設(shè)發(fā)展有限公司 福建福州 350005)

0 引言

隨著近年建筑結(jié)構(gòu)持續(xù)向高樓層、大荷載、深基礎(chǔ)方向發(fā)展，大體積混凝土在建筑結(jié)構(gòu)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。與此同時(shí)，在施工中大體積混凝土存在因水化反應(yīng)導(dǎo)致的溫度裂縫問(wèn)題也日顯突出，嚴(yán)重影響了混凝土澆筑質(zhì)量以及建筑的正常使用。由于受地下水影響以及部分大型設(shè)備的基礎(chǔ)承臺(tái)的存在，地下室底板存在較大量的大體積混凝土工程，因此，對(duì)地下室底板的大體積混凝土開(kāi)展水化反應(yīng)分析，并相應(yīng)提出控溫措施施工技術(shù)，具有重要的工程意義[1-3]。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，幾何尺寸大于等于1m的混凝土叫作大體積混凝土，在應(yīng)用與實(shí)踐過(guò)程中，受到溫度或環(huán)境影響導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，使得施工質(zhì)量顯著下降[4-5]。

基于此，本研究擬以某一商業(yè)住宅樓地下室工程為例，研討大體積混凝土底板溫度控制數(shù)值模擬及其施工技術(shù)。某商業(yè)住宅樓地上22層，地下3層，總建筑面積82 983 m2，整體建筑效果如圖1所示。由于建設(shè)場(chǎng)地地質(zhì)條件受限，此外地下室底板標(biāo)高較深，結(jié)構(gòu)整體采用了樁筏基礎(chǔ)形式，局部底板厚度達(dá)到3.0m，平面尺寸為15 m×12 m，如圖2所示，屬于大體積混凝土。

圖1 整體建筑效果圖

圖2 大體積混凝土

1 大體積混凝土模型分析

1.1 混凝土材料性能分析評(píng)價(jià)

對(duì)于大體積混凝土，其水化后的溫度及應(yīng)力分布情況，受澆筑順序、環(huán)境溫度、入模溫度、表面保溫措施等多因素影響外，還受混凝土自身熱工性能影響。該項(xiàng)目工程大體積混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，控制水膠比不高于0.40，控制膠凝材料總量不超過(guò)450 kg/m3，在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，要盡量控制膠凝材料用量，摻合料采用粉煤灰、礦粉復(fù)配體系，混凝土外加劑采用高性能聚羧酸系外加劑。

經(jīng)過(guò)分析可知，能夠直接影響大體積混凝土自身相關(guān)熱力性能的因素很多，具體涵蓋混凝土材料的熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等，也包括混凝土底部地基土體的相應(yīng)熱工特性。根據(jù)該工程所采用的材料及相關(guān)文獻(xiàn)的建議，本研究采用表1所示的材料性能參數(shù)[2]。

表1 混凝土材料性能參數(shù)

1.2 施工條件

該工程地下室底板局部大體積混凝土施工期間，施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度約為10℃，混凝土攪拌過(guò)程未采取特殊保溫措施，入模溫度取10℃，該大體積混凝土底面與土體接觸，土體的溫度可近似為環(huán)境溫度10℃。

1.3 有限元模型

本研究采用有限元程序Midas / Gen進(jìn)行數(shù)值模擬分析，采用實(shí)體單元建立大體積混凝土模型及混凝土下方地基土體模型，其中，地基土體選擇大體積混凝土底面積兩方向各延伸3m的范圍，土體深度亦為3m，土體四周邊界采用固定約束，模擬真實(shí)地基土體無(wú)限大的邊界情況。有限元模型如圖3所示。

圖3 大體積混凝土有限元模型

由于受到周邊土體溫度影響，地基土體四周及底面可視為固定溫度邊界，取固定溫度等同于環(huán)境溫度10℃；大體積混凝土外表面(四周及頂面)以及地基土體頂面，可視為與空氣接觸，為對(duì)流邊界，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，取對(duì)流系數(shù)50.23 kJ/m2·h·T[3]。

大體積混凝土水化反應(yīng)在絕熱條件下，其溫度K(t)上升隨時(shí)間t變化，可表示為公式(1)：

K(t)=K(1-e-at)

(1)

式(1)中，a為上升曲線參數(shù);

t為時(shí)間，單位為d；

K為最大絕熱上升溫度，單位為℃。公式(2)表示為：

(2)

式(2)中，Q0為水泥最終水化熱；

W為單位體積混凝土的水泥用量；

k為摻合料水化熱的折減系數(shù)；

F為單位體積混凝土的摻合料用量；

c為混凝土的比熱容；

r為混凝土密度。

賦予混凝土單元熱源屬性，模擬混凝土在水化過(guò)程所產(chǎn)生的熱量。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

該工程大體積混凝土施工過(guò)程，選擇了具有代表性的豎向剖面布置溫度測(cè)軸，監(jiān)測(cè)混凝土水化過(guò)程產(chǎn)生的熱量。將某測(cè)點(diǎn)所采集的溫度變化時(shí)程曲線和有限元數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

監(jiān)測(cè)所得混凝土在澆筑97h后達(dá)到最高溫58.0℃，而數(shù)值模擬得到的混凝土在澆筑120 h后達(dá)到最高溫54.3℃。此見(jiàn)，本研究所建立的有限元模型能較為準(zhǔn)確地對(duì)大體積混凝土水化反應(yīng)進(jìn)行模擬。

由圖4的溫度變化曲線可知，在混凝土澆筑后120 h時(shí)，混凝土水化溫度達(dá)到最高，此時(shí)的混凝土內(nèi)部溫度分布如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，混凝土內(nèi)部區(qū)域溫度最大值達(dá)到54.3℃，混凝土表面溫度達(dá)到19.1℃，混凝土內(nèi)外溫差35.2℃。

混凝土內(nèi)外過(guò)大的溫差，對(duì)大體積混凝土產(chǎn)生溫度應(yīng)力。分析混凝土澆筑后5d時(shí)的應(yīng)力分布情況，如圖6所示。此時(shí)混凝土表面產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，上表面大部分區(qū)域的應(yīng)力都超過(guò)10 MPa，在此拉應(yīng)力作用下，大體積混凝土表面極易產(chǎn)生開(kāi)裂，影響混凝土成品質(zhì)量。

圖5 澆筑后120h時(shí)刻溫度分布圖

圖6 澆筑后5d時(shí)刻應(yīng)力分布圖

從圖5～圖6中還可知，受混凝土水化反應(yīng)影響，與混凝土接觸的地基土體區(qū)域溫度也有一定上升，但受影響區(qū)域范圍有限，深度方向影響距離約為2 m，水平方向影響距離在1m以內(nèi)，而對(duì)土體應(yīng)力情況幾乎不產(chǎn)生影響。

3 溫控措施

在外表面采取一定的保溫措施，可以有效降低大體積混凝土內(nèi)外溫差。分析混凝土表面采取20℃的保溫措施，大體積混凝土的應(yīng)力分布如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，此時(shí)混凝土表面大部分區(qū)域的應(yīng)力得到有效控制。

綜上述數(shù)值模擬分析可知，控制水化反應(yīng)過(guò)程，大體積混凝土內(nèi)外溫差以及控制溫度變化速率，能起到有效控制大體積混凝土溫度裂縫的效果。基于此，該工程形成如下溫控措施施工技術(shù)要點(diǎn)。

圖7 采取保溫措施澆筑120 h后應(yīng)力分布圖

(1)對(duì)混凝土入模溫度及最高溫升進(jìn)行控制。

控制入模溫度不超過(guò)35℃；控制混凝土核心區(qū)域溫度與表面溫度差不超過(guò)12℃，同一墻段內(nèi)中心溫差±5℃；控制混凝土內(nèi)部的降溫速率不超過(guò)2～3℃/d。

(2)取適量的大體積混凝土，選擇相關(guān)措施對(duì)其進(jìn)行蓄熱保濕，達(dá)到養(yǎng)護(hù)的效果。

在操作時(shí)，保溫養(yǎng)護(hù)借助塑料薄膜或麻袋進(jìn)行輔助，且兩種材料各取兩層并交替疊加。具體措施：混凝土表面覆蓋塑料薄膜一層，以封閉混凝土內(nèi)水分蒸發(fā)途徑，再覆蓋一層適當(dāng)厚度的麻袋，防止散發(fā)更多的熱量；在外部添加塑料薄膜，避免滲進(jìn)雨水；最后，添加適當(dāng)層數(shù)的麻袋。

(3)進(jìn)行必要的現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)控。

采用基于溫度梯度的溫控方法，養(yǎng)護(hù)階段，監(jiān)控混凝土表面內(nèi)40 mm～100 mm位置以及表面的溫度，確保二者溫差不超過(guò)25℃；養(yǎng)護(hù)完成后，大體積混凝土外層表面特定區(qū)域與環(huán)境溫差不超過(guò)25℃；混凝土澆筑體內(nèi)部相鄰兩測(cè)溫點(diǎn)的溫差不超過(guò)25℃。

4 施工工藝

通過(guò)數(shù)值模擬，得到地下室底板大體積混凝土水化反應(yīng)規(guī)律，然后進(jìn)行施工技術(shù)研究，形成具有較高工藝水平的施工工藝控制技術(shù)。具體流程如下。

4.1 澆筑過(guò)程

在澆筑混凝土過(guò)程，從中間方位開(kāi)始，逐漸朝兩邊或沿長(zhǎng)邊方向由一邊向另一邊的施工順序進(jìn)行；從斜方向開(kāi)始，逐層遞進(jìn)，先澆筑薄層，再依次退澆，一次完成。澆筑時(shí)，應(yīng)確保不同層級(jí)的混凝土相互之間保持穩(wěn)定。

為了縮短混凝土水化熱的傳遞路徑，加速混凝土水化熱的擴(kuò)散，通常選擇踏步式澆搗法進(jìn)行斜面分段分層澆筑。依據(jù)1∶10的坡度比例使其順利流淌，并應(yīng)保持分層厚度小于500 mm，以提高澆筑質(zhì)量，流程如圖8所示。

圖8 混凝土分塊分層澆筑方法示意圖

4.2 養(yǎng)護(hù)過(guò)程

(1)為了減少混凝土內(nèi)外表面溫差，一般利用蓄熱保濕養(yǎng)護(hù)法進(jìn)行操作，溫度和濕度處于適宜的環(huán)境下，不斷增強(qiáng)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，保證溫度變化在預(yù)期之內(nèi)，降低溫差裂縫產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)澆搗結(jié)束后，借助刮尺清理殘留的泌水，然后對(duì)混凝土進(jìn)行一系列工藝處理，待凝固后再開(kāi)展養(yǎng)護(hù)工作。

(3)多數(shù)情況下，保溫養(yǎng)護(hù)需要借助塑料薄膜以及麻袋等工具進(jìn)行輔助。因此，首先在混凝土表面添加一層塑料薄膜，避免水分快速蒸發(fā)，防止出現(xiàn)干縮裂縫；然后，再添加一層麻袋，防止散發(fā)過(guò)多的熱量；添加一層適當(dāng)厚度的塑料薄膜，避免滲進(jìn)雨水；最后，加上麻袋。

(4)養(yǎng)護(hù)時(shí)間與環(huán)境溫度有關(guān)，一般不小于14d。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)控

(1)采用基于溫度梯度的溫控方法。

在養(yǎng)護(hù)周期內(nèi)，將混凝土澆筑體外部表面特定區(qū)域的溫度變化控制在于25℃以內(nèi)；覆蓋養(yǎng)護(hù)完成后及時(shí)進(jìn)行拆模。此時(shí)，混凝土澆筑體外部表面特定位置與環(huán)境溫差，不應(yīng)大于25℃；混凝土澆筑體內(nèi)部相鄰兩測(cè)溫點(diǎn)的溫差，不應(yīng)大于25℃。

(2)有效把控澆筑過(guò)程中混凝土的內(nèi)外溫度變化。

基礎(chǔ)底板混凝土應(yīng)選擇具有代表性的兩個(gè)交叉豎向剖面，布置溫度測(cè)軸；且每個(gè)測(cè)軸測(cè)溫點(diǎn)不應(yīng)少于3處，環(huán)境測(cè)溫點(diǎn)不應(yīng)少于2處。

(3)每個(gè)豎向剖面周邊及內(nèi)部應(yīng)設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)，兩個(gè)豎向剖面交叉處應(yīng)設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)。

混凝土澆筑體表面測(cè)溫點(diǎn)，應(yīng)設(shè)置在保溫覆蓋層底部或模板內(nèi)側(cè)表面；每個(gè)剖面周邊測(cè)溫點(diǎn)，應(yīng)設(shè)置在混凝土澆筑體表面40 mm～100 mm以內(nèi)的位置。

5 結(jié)論

本文根據(jù)某地下室底板大體積混凝土實(shí)際工程，采用有限元程序Midas / Gen對(duì)該大體積混凝土水化反應(yīng)進(jìn)行模擬分析，并將模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的合理性。利用數(shù)值模型，分析了大體積混凝土溫度分布、應(yīng)力分布情況，并分析了溫控措施的影響。得出以下結(jié)論：

(1)在混凝土澆筑后120h時(shí)，混凝土水化溫度達(dá)到最高值，此時(shí)混凝土內(nèi)外溫差為35.2℃。

(2)過(guò)大的混凝土內(nèi)外溫差，將導(dǎo)致混凝土表面大面積區(qū)域產(chǎn)生受拉應(yīng)力，進(jìn)而容易導(dǎo)致混凝土表面開(kāi)裂。

(3)在混凝土表面采取一定的保溫措施，可使得混凝土表面大面積受拉狀態(tài)得到有效控制。

(4)在數(shù)值模擬結(jié)果上，提出了大體積混凝土溫控措施的若干施工技術(shù)要點(diǎn)，可提供同仁借鑒。