大體積混凝土基礎(chǔ)底板施工溫控技術(shù)分析

王 凱 湖南省第一工程有限公司

1 前言

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)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。與此同時，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。對此，在大體積混凝土施工過程中科學(xué)開展溫控工作十分重要，也是本文研究的重點所在。

2 大體積混凝土溫度裂縫問題

大體積混凝土的裂縫可以分為表面裂縫、深層裂縫和貫穿裂縫，其中危險程度比較大的為深層裂縫和貫穿裂縫。隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市規(guī)模的逐漸擴大，大型建筑工程不斷增多，大體積混凝土工程也隨之增多。

大體積混凝土一次性澆筑量大、工程條件復(fù)雜，施工控制不當(dāng)，極易引發(fā)溫度裂縫，威脅混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和、安全性。因此，對深層裂縫和貫穿裂縫地避免，成了施工中的重點，也是施工中的難點。

目前，各國對大體積混凝土定義有一定差異，綜合可歸納為：施工現(xiàn)場澆筑的混凝土尺寸大，需要采取控制溫度等相關(guān)技術(shù)措施從而使得內(nèi)部膠凝材料產(chǎn)生的水化熱以及導(dǎo)致的體積變形得以控制的混凝土。

溫度應(yīng)力形成原因可歸納為兩個方面：一是由于混凝土自身特性，在凝結(jié)硬化的過程中，收縮變形受到一定限制，形成拉應(yīng)力；二是水泥水化熱導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的升溫過快或混凝土外部降溫過快時，會形成較大的溫差，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力。

這兩個方面共同作用，尤其是在高溫施工時，大體積混凝土內(nèi)外溫差形成的溫度應(yīng)力大于混凝土的抗拉強度，混凝土結(jié)構(gòu)物的表面將會形成溫度裂縫?；诖?，在工程實踐中采取溫控措施將大體積混凝土澆筑過程中溫升控制在合理的溫度范圍內(nèi)，是一項關(guān)鍵工作，近年來逐漸成為建筑領(lǐng)域研究熱點。

3 大體積混凝土基礎(chǔ)底板施工溫控技術(shù)

大體積混凝土基礎(chǔ)底板施工的溫控措施有降低混凝土的入模溫度、降低混凝土的升溫速度和降低混凝土外部的降溫速度等方面，可以從材料和施工技術(shù)兩個方面入手采取措施控制，盡量縮小大體積混凝土內(nèi)外溫差的情況下，可最大限度地避免裂縫的產(chǎn)生。

3.1 工程概況

靖州縣芙蓉中學(xué)項目總用地面積58108.42m2，建筑面積27808m2。地下室一層，面積4583m2，層高3.5m，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2.0m，平面尺寸為39m×17m，屬于大體積混凝土。

3.2 混凝土材料性能分析

對于大體積混凝土，普通硅酸鹽水泥在其水化后有早期強度高的特性，是大體積混凝土的很好的膠凝材料，但其水化快，單位時間內(nèi)放出熱量多，易造成局部溫差，產(chǎn)生溫度應(yīng)力進而產(chǎn)生裂縫。因此降低單位體積單位時間的水泥水化熱尤為關(guān)鍵，可以采取優(yōu)化水泥配合比，降低水泥用量的方法來進行控制。水泥品種可以選取低熱硅酸鹽水泥、礦渣水泥等低水化熱品種的水泥，按照設(shè)計要求和試驗結(jié)果配比外加劑（高性能聚羧酸系減水劑和緩凝劑等）。

另外，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)。

表1 混凝土材料性能參數(shù)

3.3 大體積混凝土施工模擬

本工程地下室底板局部大體積混凝土施工期間，施工現(xiàn)場環(huán)境溫度約為10℃，混凝土攪拌過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℃。

本研究采用有限元程序Midas/Gen進行數(shù)值模擬分析，采用實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，模擬真實地基土體無限大的邊界情況。大體積混凝土施工過程，選擇了具有代表性的豎向剖面布置溫度測軸，監(jiān)測混凝土水化過程產(chǎn)生的熱量。監(jiān)測所得混凝土在澆筑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120h后達(dá)到最高溫54.3℃。此見，本研究所建立的有限元模型能較為準(zhǔn)確地對大體積混凝土水化反應(yīng)進行模擬。

由溫度變化曲線可知，在混凝土澆筑后120h時，混凝土水化溫度達(dá)到最高，此時的混凝土內(nèi)部溫度域溫度最大值達(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℃?；炷羶?nèi)外過大的溫差，對大體積混凝土產(chǎn)生溫度應(yīng)力。在此拉應(yīng)力作用下，大體積混凝土表面極易產(chǎn)生開裂，影響混凝土成品質(zhì)量。

3.4 大體積混凝土基礎(chǔ)底板施工溫控要點

3.4.1 澆筑過程

在混凝土攪拌時可采用冰水配置混凝土，若攪拌站配置有深水井，也可采用井水配置；粗細(xì)骨料搭設(shè)遮陽棚，避免日光暴曬；施工時間盡量安排在21:00～8:00之間。以盡可能降低入模前混凝土澆灌的溫度，確保入模溫度不大于25℃。

為保證混凝土的流動性，澆筑前，還需對坍落度進行試驗，一般為120±20mm。在澆筑混凝土過程中，從中間方位開始，逐漸朝兩邊或沿長邊方向由一邊向另一邊的施工順序進行；從斜方向開始，逐層遞進，先澆筑薄層，再依次退澆，一次完成。澆筑時，應(yīng)確保不同層級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散，通常選擇踏步式澆搗法進行斜面分段分層澆筑。每層分層的厚度不超過500mm，澆筑時間需嚴(yán)格把控，確保在澆筑上層混凝土?xí)r，下層混凝土還未進入初凝狀態(tài)，確保上下澆筑面不分層，以提高澆筑質(zhì)量。

加強振搗，以提高密實度和抗壓強度，澆筑后，應(yīng)及時進行二次抹面，防止早期收縮性裂縫的出現(xiàn)。

3.4.2 養(yǎng)護過程

大體積混凝土養(yǎng)護有兩個目的：①創(chuàng)造使水泥得以充分水化的條件，加速混凝土的硬化；②防止混凝土成型后因日曬、風(fēng)吹、干燥、寒冷等自然因素的影響而出現(xiàn)超出正常范圍的收縮、裂縫及破壞等現(xiàn)象。

（1）為了減少混凝土中心溫度、表面溫度和環(huán)境溫度的溫差，對于施工完成的大體積混凝土段可以采用預(yù)埋冷卻水管、投毛石的方法來降低混凝土中心溫度和表面溫度的溫差；用草袋、鋸木、濕砂等進行覆蓋保溫來降低混凝土表面溫度和外界氣溫的溫差，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。

（2）澆搗結(jié)束后，借助刮尺收口混凝土表面，降低大體積混凝土表面裂縫的程度，然后對混凝土進行一系列工藝處理，待混凝土終凝后并灑水養(yǎng)護，澆水次數(shù)應(yīng)根據(jù)養(yǎng)護氣溫決定，以保持混凝土面濕潤為準(zhǔn)，在溫度和濕度處于適宜的環(huán)境下，不斷增強混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強度。

（3）養(yǎng)護時間與水泥選材和環(huán)境溫度有關(guān)，當(dāng)采用普通硅酸鹽水泥，養(yǎng)護時間不得少于14d；當(dāng)采用礦渣水泥、火山灰水泥養(yǎng)護時間不得少于21d。

（4）在缺水地區(qū)或混凝土表面不便于澆水或者覆蓋塑料布時，可涂刷薄膜養(yǎng)生液。養(yǎng)生液在溶劑揮發(fā)后可在混凝土表面凝結(jié)一層膜，隔斷混凝土內(nèi)水分的蒸發(fā)路徑，以此進行養(yǎng)護。

（5）混凝土在養(yǎng)護過程中，若發(fā)現(xiàn)遮蔽不全、澆水不足，以致表面泛白或出現(xiàn)細(xì)小干裂縫時，應(yīng)立即仔細(xì)遮蓋，充分澆水，加強養(yǎng)護，并延長養(yǎng)護時間進行補救。

（6）混凝土強度未達(dá)到1.2N/mm2以前不得上人踩踏。

3.4.3 埋設(shè)冷卻水管的要求

（1）冷卻水管使用前應(yīng)進行水壓試驗，防止管道漏水、阻水。

（2）混凝土澆筑到各層冷卻水管標(biāo)高后開始通水，各層混凝土峰值過后應(yīng)停止通水，防止上層混凝土澆筑后下層混凝土溫度的回升，采用二次通水冷卻，通水時間根據(jù)測溫結(jié)果確定。

（3）嚴(yán)格控制進出水溫度，盡量使進水溫度最低。

（4）待通水冷卻全部結(jié)束后，應(yīng)采用砼標(biāo)號水泥漿或砂漿封堵冷卻水管。

3.4.4 現(xiàn)場溫度監(jiān)控

（1）采用基于溫度梯度的溫控方法，選擇代表性界面進行混凝土溫度和內(nèi)外差工藝性試驗，溫度采用電子測溫儀、預(yù)埋測溫探頭進行檢測。

（2）澆筑完成后，在保證其表面及棱角不因拆除模板而受損壞時，可拆除側(cè)模，并覆蓋保溫灑水養(yǎng)護。此時，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20℃；混凝土澆筑體內(nèi)部相鄰兩側(cè)溫點的溫差，不應(yīng)大于25℃。

（3）混凝土澆筑完成后，通過電子測溫儀，測得混凝土中心溫度、表面溫度和環(huán)境溫度，在混凝土澆筑完成后的1～3d內(nèi)，每隔2h采集數(shù)值，測出混凝土溫度峰值后，再測4個點進行復(fù)核。測溫時應(yīng)由專人負(fù)責(zé)，及時記錄，有效把控澆筑過程中混凝土的內(nèi)外溫度變化?；A(chǔ)底板混凝土應(yīng)選擇具有代表性的兩個交叉豎向剖面，布置溫度測軸；且每個測軸測溫點不應(yīng)少于3處，環(huán)境測溫點不應(yīng)少于2處。

（3）每個豎向剖面周邊及內(nèi)部應(yīng)設(shè)置測溫點，兩個豎向剖面交叉處應(yīng)設(shè)置測溫點?；炷翝仓w表面測溫點，應(yīng)設(shè)置在保溫覆蓋層底部或模板內(nèi)側(cè)表面；每個剖面周邊測溫點，應(yīng)設(shè)置在混凝土澆筑體表面40mm～100mm以內(nèi)的位置。

4 結(jié)束語

綜上所述，大體積混凝土基礎(chǔ)底板施工過程中，混凝土內(nèi)部熱量不易散發(fā)，表面與空氣接觸，熱量傳遞較明顯，里表溫差大，底板表面易產(chǎn)生溫度裂縫，導(dǎo)致混凝土質(zhì)量問題。大體積混凝土基礎(chǔ)底板施工溫控是重中之重，需在澆筑、養(yǎng)護過程中做好溫度控制與監(jiān)控，控制好里表溫差，為建筑整體質(zhì)量控制夯實基礎(chǔ)。