大體積混凝土施工質(zhì)量管控

韓 君

上海建工四建集團(tuán)有限公司 上海 201103

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及超高層建筑工程的增加，大體積混凝土工程越來越多。國內(nèi)規(guī)范對大體積混凝土給出了定義，其中《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》[1]中的定義為：“混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小幾何尺寸不小于1 m的大體積混凝土，或預(yù)計會因混凝土材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土”；《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》[2]中的定義為：“體積較大的、可能由膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土”。當(dāng)前第一種描述更為大家所接受，但不管從哪一種定義都可以看出，大體積混凝土由于體積較大，水化熱較高，容易出現(xiàn)較大的溫度應(yīng)力，甚至引起開裂，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性。為保障大體積混凝土的施工質(zhì)量，需要從多方面著手，綜合應(yīng)用多種技術(shù)和管理措施。本文以某工程大體積混凝土施工為背景，介紹了大體積混凝土全過程質(zhì)量管控的方法。

1 大體積混凝土控制概述

1.1 大體積混凝土質(zhì)量影響因素

大體積混凝土由于體量較大，膠凝材料水化放熱，引起混凝土內(nèi)外溫差過大，當(dāng)溫差引起的拉應(yīng)力超過混凝土的實(shí)時抗拉強(qiáng)度時[3]，混凝土開裂，對混凝土的強(qiáng)度和耐久性產(chǎn)生不利影響。大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的機(jī)理復(fù)雜，國內(nèi)外已經(jīng)有很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究，研究結(jié)果表明，邊界條件、環(huán)境條件、原材料、配合比、混凝土施工過程溫度控制和養(yǎng)護(hù)等是大體積混凝土是否產(chǎn)生溫度裂縫的重要影響因素[3-4]。其中，控制溫差是控制大體積混凝土裂縫的關(guān)鍵。

1.2 大體積混凝土溫度控制指標(biāo)

目前，國內(nèi)大體積混凝土施工的相關(guān)規(guī)范[5-8]均給出了溫度控制指標(biāo)及方法，主要通過控制混凝土的入模溫度和養(yǎng)護(hù)過程中的溫差來實(shí)現(xiàn)大體積混凝土的質(zhì)量控制，同時也對配合比和施工工藝提出了建議。不同的規(guī)范對于溫度控制指標(biāo)存在微小差異，各規(guī)范的指標(biāo)如表1所示。

表1 各規(guī)范中大體積混凝土施工控制指標(biāo)對比

各規(guī)范中，對于溫度的控制指標(biāo)均為建議值，可結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際的混凝土尺寸適當(dāng)放寬。考慮到本工程核心筒區(qū)域混凝土面積和厚度均較大，實(shí)際中采用的溫度控制指標(biāo)為：最大入模溫度30 ℃，入模后最大溫升50 K，最大表里溫差28 K，拆模時表面與大氣最大溫差25 K，最大降溫速率2 K/d。

2 工程概況

本大體積混凝土工程為1座超高層塔樓的筏板基礎(chǔ)。該塔樓地上74層，地下5層，建筑高度356 m，結(jié)構(gòu)形式為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)。根據(jù)厚度，可將筏板分為外框區(qū)域和核心筒區(qū)域共2個區(qū)域。其中，外框區(qū)域的外輪廓為邊長為57 m的正方形，除柱承臺外，其余筏板厚度1.2 m；而核心筒區(qū)域的外輪廓為邊長36 m的正方形，主要由3.80、7.95、10.75 m等3種不同厚度組成，不同厚度之間通過臺階逐級過渡，局部電梯井處厚度達(dá)12.25 m。筏板的混凝土強(qiáng)度等級為C40，抗?jié)B等級P12，2個區(qū)域混凝土澆筑量共計約10 000 m3，一次澆筑完成。

3 大體積混凝土質(zhì)量保障措施

3.1 澆筑前保障措施

大體積混凝土澆筑前主要保障混凝土配合比和入模溫度，其中為準(zhǔn)確計算入模溫度，采用了有限元軟件計算大體積混凝土內(nèi)部溫度分布。

3.2 混凝土配合比

在配制本工程混凝土?xí)r，對原材料的物理和化學(xué)特性控制如下：采用水化熱較低、細(xì)度適中的P·O 42.5水泥；摻加粉煤灰和礦渣粉活性混合材料替代部分水泥；粗骨料選用粒徑5～25 mm的石子連續(xù)級配，細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)2.7的中砂，嚴(yán)格控制粗細(xì)骨料的含泥量；使用合適的高性能聚羧酸減水劑，減少水泥用量，減少水化熱，并且延長初凝時間；控制混凝土原材料入機(jī)溫度。水泥的入機(jī)溫度≤35 ℃，石子堆場采用遮陽棚，并通過噴水降低石子的溫度，在拌制的過程中加入冰塊。

本工程混凝土的配合比如表2所示，水膠比為0.37。

表2 C40 P12混凝土配合比

3.3 入模溫度有限元分析

控制混凝土入模溫度，可降低混凝土內(nèi)部的最高溫度，進(jìn)而減小混凝土表里溫差以及混凝土表面與大氣溫差。為計算混凝土內(nèi)部的最高溫度，利用Midas Gen v8.65對大體積混凝土進(jìn)行水化熱分析，有限元軟件可同時考慮3個方向的溫度梯度，更準(zhǔn)確地計算大體積混凝土內(nèi)部的最高溫度。模型中考慮了面積最大的2個核心筒筏板區(qū)域，如圖1所示，厚度分別為3.80、7.95 m，計算得到澆筑后500 h內(nèi)的升溫時程曲線，如圖2所示?；炷寥肽囟仍O(shè)定為30 ℃，大氣溫度設(shè)定為27 ℃（當(dāng)?shù)?—6月平均氣溫）。

圖1 大體積混凝土升溫時程模擬

圖2 大體積混凝土升溫時程曲線

通過大體積混凝土的升溫時程曲線可知，當(dāng)混凝土的入模溫度為30 ℃時，表里溫差、表面與大氣溫差以及降溫速率均可以滿足本工程預(yù)定的控制指標(biāo)。

3.4 澆筑中保障措施

3.4.1 混凝土供應(yīng)

項(xiàng)目部選擇了具有豐富的大體積混凝土供應(yīng)經(jīng)驗(yàn)的凝土供應(yīng)商，該供應(yīng)商在項(xiàng)目附近有2個生產(chǎn)基地，每個生產(chǎn)基地均可滿足本項(xiàng)目混凝土的供應(yīng)需求，第2個生產(chǎn)基地作為備用。從每個生產(chǎn)基地到施工現(xiàn)場規(guī)劃了2條混凝土運(yùn)輸車行駛路線，每部運(yùn)輸車配置了先進(jìn)的GPS通信設(shè)備，由生產(chǎn)調(diào)度中心統(tǒng)一指揮，有效防止了斷車、壓車現(xiàn)象，減少因等待時間過長造成的混凝土質(zhì)量變化。

3.4.2 混凝土質(zhì)量抽查

現(xiàn)場安排監(jiān)理、總承包材料員和混凝土供應(yīng)商質(zhì)檢員聯(lián)合抽查到場的混凝土的氯離子含量、工作性能以及入模溫度。同時，混凝土供應(yīng)商質(zhì)檢員及時將現(xiàn)場情況反饋到生產(chǎn)基地，生產(chǎn)基地根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整混凝土配合比。

3.4.3 澆筑工藝

本工程采用整體分層澆筑，先澆筑核心筒區(qū)域，當(dāng)核心筒區(qū)域澆筑至和外框板底平齊時，同時澆筑核心筒區(qū)域和外框區(qū)域。由于筏板厚度較大，為防止混凝土拋落離析，設(shè)置鋼串通，使混凝土均勻流淌至基礎(chǔ)底部。為防止出現(xiàn)混凝土冷縫，在前一層初凝之前，開始后一層的澆筑，并且振搗棒插入2層分界線以下50 mm進(jìn)行振搗。在鋼筋支架的不同標(biāo)高處設(shè)置行走通道，并設(shè)置LED照明燈帶，方便工人振搗。

3.5 澆筑后保障措施

3.5.1 混凝土養(yǎng)護(hù)

大體積混凝澆筑完成后，在初凝前，按標(biāo)高控制線用刮尺將混凝土表面刮平，初凝后，用鐵滾筒將混凝表面壓實(shí)，清除浮漿，最后進(jìn)行二次收光。收光后，立即在混凝土表面灑水，并覆蓋1層塑料薄膜用于混凝土保濕，上面覆蓋1層干燥毛氈用于混凝土保溫，為防止降雨削弱保溫效果，毛氈上再覆蓋1層塑料薄膜。每天由專人檢查塑料薄膜的完整情況，并保持混凝土表面濕潤。同時，現(xiàn)場額外預(yù)備了1層毛氈和1層塑料薄膜，若混凝土內(nèi)部溫度控制指標(biāo)超標(biāo)時，可覆蓋在現(xiàn)有保溫層上，增強(qiáng)保溫效果。養(yǎng)護(hù)時間由混凝土體內(nèi)的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)決定，混凝土表里溫差小于28 K且混凝土表面與大氣溫差小于25 K時拆除保溫層。

3.5.2 混凝土溫度監(jiān)測

大體積混凝土在養(yǎng)護(hù)過程中，需要根據(jù)混凝土體內(nèi)的溫度變化，動態(tài)調(diào)整保溫措施。在本工程中，采用了“大體積混凝土溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)”，實(shí)時監(jiān)測大體積混凝土不同區(qū)域、不同深度的溫度，實(shí)現(xiàn)了信息化管理。該系統(tǒng)的工作原理如圖3所示，將溫度傳感器串聯(lián)接入數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)自動化采集，并將數(shù)據(jù)實(shí)時發(fā)送至遠(yuǎn)程傳輸節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，遠(yuǎn)程傳輸節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)自動上傳至云端服務(wù)器，管理人員可通過手機(jī)或PC端的瀏覽器查看實(shí)時溫度數(shù)據(jù)。測溫點(diǎn)沿筏板的2個對稱軸布置，覆蓋了筏板的主要厚度區(qū)域，以及厚度變化最大的區(qū)域。典型剖面的溫度傳感器布置如圖4所示，其中測溫點(diǎn)⑥的表面和內(nèi)部溫度時程曲線見圖2，有限元模型對于溫度的預(yù)測值與實(shí)際測量值較為接近。

圖3 測溫系統(tǒng)工作原理

圖4 溫度傳感器布置剖面示意

4 大體積混凝土施工質(zhì)量

大體積混凝土帶保溫覆蓋層養(yǎng)護(hù)，共持續(xù)了21 d，根據(jù)各區(qū)域不同深度的混凝土溫度計算出的混凝土溫差和溫度，與預(yù)定的控制指標(biāo)相差不到2 K，基本達(dá)到了溫度控制目標(biāo)。拆除保溫覆蓋層后，每天灑水養(yǎng)護(hù)，持續(xù)養(yǎng)護(hù)了7 d。混凝土表面未發(fā)現(xiàn)收縮裂紋。

5 結(jié)語

本文介紹了某工程大體積混凝土施工的全過程質(zhì)量管控方法。澆筑之前，為降低混凝土的水化熱，配合比設(shè)計時，采用了低水化熱水泥，減小水泥用量，增加了粉煤灰和礦渣用量，并通過有限元軟件分析了混凝土體的升溫時程，分析得到混凝土的入模溫度不超過30 ℃時，混凝土體內(nèi)的溫度和溫差均可以符合規(guī)范要求的控制指標(biāo)。澆筑過程中，在澆筑現(xiàn)場抽查并調(diào)整混凝土質(zhì)量，采用連續(xù)澆筑法并設(shè)置振搗通道，避免了施工冷縫的形成。澆筑完成后，采用了塑料膜保濕加毛氈保溫的養(yǎng)護(hù)方法，并通過溫度監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測混凝土內(nèi)部關(guān)鍵位置的溫度變化，監(jiān)測結(jié)果顯示，無需調(diào)整保溫層厚度。最終，本工程的大體積混凝土未出現(xiàn)收縮裂縫，具有較高的施工質(zhì)量，可以驗(yàn)證本文提出的施工質(zhì)量管控措施是有效的。