高海拔地區(qū)超大體積混凝土的施工技術(shù)與組織研究

屠春軍

上海建工一建集團(tuán)有限公司 上海 200120

1 工程概況

恒隆廣場(chǎng)·昆明-辦公樓總承包工程位于云南省昆明市中心CBD核心區(qū)域，地下4層，地上63層，高度349 m（圖1）。結(jié)構(gòu)類型為框架-核心筒混合結(jié)構(gòu)體系，基礎(chǔ)形式為承臺(tái)＋筏板形式，筏板厚度5 m、面積約5 000 m2，混凝土等級(jí)為C45P10R60，一次澆筑量約2.2萬 m3。

圖1 辦公樓效果圖

2 工程特點(diǎn)

2.1 混凝土原材料的局限性

1）由于地域原因，砂、石、礦渣粉等混凝土原材品質(zhì)受到諸多限制，造成混凝土力學(xué)性、工作性能差、泵送性能不穩(wěn)定，混凝土質(zhì)量難以控制。

2）筏板混凝土受內(nèi)部溫度應(yīng)力以及自身收縮應(yīng)力的影響較大，且當(dāng)?shù)仡A(yù)拌混凝土供應(yīng)商未實(shí)施過類似大體積混凝土一次性供應(yīng)的成功經(jīng)驗(yàn)。

3）本工程為超高層建筑且處于地震帶（9度設(shè)防），筏板含鋼量高，鋼筋規(guī)格大、密，對(duì)混凝土質(zhì)量要求非常高。

2.2 外部交通環(huán)境惡劣

1）昆明市交通部門對(duì)進(jìn)入昆明市區(qū)二環(huán)以內(nèi)的混凝土運(yùn)輸車輛實(shí)行綠色通行證一車一證制度，即使當(dāng)?shù)刈畲蠡炷凉?yīng)商的通行證數(shù)量也無法滿足本工程連續(xù)澆筑的需求。

2）昆明市區(qū)二環(huán)以內(nèi)道路對(duì)混凝土車輛實(shí)行限行，限行時(shí)間為7：00—9：00和17：00—20：00，外加早晚高峰前后影響各約半小時(shí)，實(shí)際對(duì)混凝土運(yùn)輸影響達(dá)7 h。

3）本次大體積混凝土澆筑恰逢高考和“南博會(huì)”期間，對(duì)混凝土運(yùn)輸車輛限行要求高、時(shí)間更長(zhǎng)。

2.3 地理氣候環(huán)境因素的影響

1）地處云貴高原高海拔地區(qū)，大大降低設(shè)備泵送效率與勞動(dòng)效率。

2）工程澆筑期間為夏季，白天氣溫高，日照直射溫度高，晝夜溫差大，混凝土表面水分蒸發(fā)快，表面極易產(chǎn)生干燥收縮裂縫，增加了養(yǎng)護(hù)難度。

3 大體積超長(zhǎng)緩凝混凝土材料制備

3.1 地區(qū)原材料的局限性

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)厣啊⑹?、礦渣粉摻合料等混凝土原材料品質(zhì)受到諸多限制，包括受到交通狀況的影響，首先要求混凝土需具備超緩凝性能，否則混凝土的總體工作性能不穩(wěn)定，質(zhì)量難以保障[1-2]。

1）砂采用機(jī)制砂，砂的質(zhì)量隨母材的變化而波動(dòng)，級(jí)配差、形狀尖銳多棱角、石粉含量不穩(wěn)定，造成混凝土的工作性能較差，泵送難度增加。

2）石子采用礦山開采用石，含泥量高、強(qiáng)度偏低。

3）礦渣粉多采用活性指數(shù)較低的S75，不能更好地改善混凝土的工作性能，配制出的混凝土強(qiáng)度富余量偏低。

3.2 原材料選用

1）水泥：選市場(chǎng)上質(zhì)量穩(wěn)定的P·O 42.5水泥進(jìn)行混凝土試配，經(jīng)試配最終選定宜良紅獅水泥。

2）偏高嶺土：選擇云南天鴻高嶺礦業(yè)有限公司生產(chǎn)的高鐵鈦偏高嶺土及復(fù)合偏高嶺土。

3）細(xì)集料：采用機(jī)制砂和山砂，按一定比例混合成細(xì)度模數(shù)為2.7～3.0的Ⅱ區(qū)中砂。

4）外加劑：根據(jù)大體積混凝土技術(shù)要求和原材料情況進(jìn)行復(fù)配，確保大體積混凝土初凝時(shí)間不小于15 h，終凝時(shí)間20～25 h，工作性能保持3 h。

3.3 配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

在配合比設(shè)計(jì)、試配及優(yōu)化過程中，對(duì)混凝土的原材料、工作性能、力學(xué)性能、凝結(jié)時(shí)間、耐久性能、水化熱等技術(shù)參數(shù)提出了具體要求。

1）采用多摻技術(shù)降低混凝土的水化熱。重點(diǎn)從降低混凝土內(nèi)外溫差、減小收縮入手，采用“多摻技術(shù)”——摻礦渣粉、偏高嶺土、膨脹劑和緩凝型高性能減水劑等配制高性能混凝土，該技術(shù)可以有效減小混凝土的水化熱，控制混凝土的溫度變形裂縫，改善泵送混凝土和易性、可泵性。礦渣粉取代一定比例的水泥，可以延緩水化速度，降低水化熱，從而降低混凝土溫升峰值，降低混凝土芯表溫差峰值，減小混凝土因溫度應(yīng)力而引發(fā)開裂的風(fēng)險(xiǎn)；膨脹劑可以補(bǔ)償混凝土硬化過程中因水化或失水而產(chǎn)生的收縮變形，降低混凝土干燥硬化過程中因收縮變形而產(chǎn)生收縮裂縫的風(fēng)險(xiǎn)；偏高嶺土是一種高活性礦物摻合料，是超細(xì)高嶺土經(jīng)過低溫（600 ℃～900 ℃）煅燒而形成的無定型硅酸鋁，具有很高的火山灰活性和補(bǔ)償收縮性能，提高混凝土早期體積穩(wěn)定性，且可以提高后期強(qiáng)度；采用與偏高嶺土及其他原材料相適應(yīng)的緩凝型高性能減水劑可以解決偏高嶺土混凝土黏度大、凝結(jié)時(shí)間短、工作性損失快的問題，還能有效控制膠凝材料水化速度，避免水泥的水化熱在早期集中釋放，延緩溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間，降低芯表最大溫差，降低因溫差引起的溫度應(yīng)力，從而有效控制裂縫的產(chǎn)生。

2）嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量。水泥、偏高嶺土、礦渣粉均應(yīng)選擇同一企業(yè)的產(chǎn)品，且應(yīng)統(tǒng)一采購，澆筑前4 d逐步補(bǔ)充各個(gè)攪拌站。選用大廠回轉(zhuǎn)窯（旋窯）水泥，保證水泥強(qiáng)度、體積安定性、凝結(jié)時(shí)間、化學(xué)成分的穩(wěn)定性，有利于水泥質(zhì)量的整體監(jiān)控；選用優(yōu)質(zhì)的礦渣粉；檢測(cè)控制緩凝型高性能減水劑與水泥、摻合料間的適應(yīng)性、凝結(jié)時(shí)間及其他性能；減少混凝土拌和用水量，減小混凝土的收縮值。

3）配合復(fù)合偏高嶺土使用的專用外加劑配方為：C-45、F-140、PA-60、Y5-1.5、L-12、W-1500，固含量為15%，摻量為1.8%～2.0%，初凝時(shí)間約17 h。

4）對(duì)澆筑的混凝土進(jìn)行溫度監(jiān)控，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)?；炷翝仓蟊仨氃诨炷帘砻娌扇”?、保濕覆蓋等措施，減緩表面降溫速率。減小混凝土內(nèi)外溫差，從而減小內(nèi)部溫度應(yīng)力，控制混凝土芯表溫差不超過25 ℃，表面與大氣溫差不超過20 ℃。

5）適當(dāng)降低混凝土入模溫度。為了降低混凝土的總溫升，減少基礎(chǔ)的內(nèi)外溫差，控制混凝土的出機(jī)及入模溫度是一項(xiàng)有效措施。根據(jù)GB 50496—2018《大體積混凝土施工規(guī)范》規(guī)定，混凝土攪拌溫度宜在25 ℃內(nèi)，入模溫度宜控制在30 ℃以下，為更有利于降低底板混凝土內(nèi)部溫度，設(shè)定混凝土入模溫度不大于27 ℃，通過采取以下的措施，可控制混凝土的入模溫度小于27 ℃。

① 嚴(yán)格控制混凝土出機(jī)溫度。通過實(shí)驗(yàn)室試配的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，采用普通硅酸鹽水泥時(shí)，出機(jī)后的混凝土溫升為2 ℃/h，考慮生產(chǎn)過程中主供攪拌站運(yùn)輸混凝土?xí)r間約1 h，運(yùn)輸過程中隨氣溫及水泥水化放熱影響，混凝土達(dá)到工地溫度會(huì)上升，若需滿足入模溫度在27 ℃內(nèi)，則混凝土出機(jī)溫度宜控制在25 ℃以下。

② 控制混凝土拌和用水、骨料的溫度。拌和用水水溫一般在20 ℃以內(nèi)，儲(chǔ)水罐罐身為淺色，罐壁較厚，吸熱率低，儲(chǔ)量較大，罐內(nèi)水溫受外界氣溫影響小，溫升速度慢；混凝土骨料儲(chǔ)藏在封閉的料倉內(nèi)，避免太陽直射?；炷脸鰪S前安排技術(shù)人員檢測(cè)混凝土出機(jī)溫度，根據(jù)出機(jī)溫度來指導(dǎo)生產(chǎn)，在施工現(xiàn)場(chǎng)安排技術(shù)人員監(jiān)測(cè)混凝土入模溫度，指導(dǎo)攪拌站出機(jī)溫度的控制，在氣候干燥的白天加大檢測(cè)頻率。

3.4 混凝土配合比設(shè)計(jì)

3.4.1 普通大體積配合比的試配與驗(yàn)證

經(jīng)過對(duì)試配試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，優(yōu)選和調(diào)整確定C45P10微膨混凝土最優(yōu)配合比，配合比參數(shù)分析見表1，工作性能及抗壓強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 恒隆廣場(chǎng)C45P10微膨大體積混凝土最優(yōu)配合比

表2 優(yōu)選恒隆廣場(chǎng)C45P10微膨大體積混凝土的性能試驗(yàn)結(jié)果

3.4.2 超緩凝偏高嶺土大體積配合比的試配與驗(yàn)證

經(jīng)過對(duì)試配試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，優(yōu)選和調(diào)整確定C45P10微膨偏高嶺土混凝土最優(yōu)配合比，配合比參數(shù)見表3，工作性能及抗壓強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3 恒隆廣場(chǎng)C45P10微膨偏高嶺土大體積混凝土最優(yōu)配合比

表4 優(yōu)選恒隆廣場(chǎng)C45P10微膨偏高嶺土大體積混凝土的性能試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過對(duì)優(yōu)選配合比進(jìn)行試配驗(yàn)證分析表明：確定的最優(yōu)C45P10微膨偏高嶺土混凝土配合比能滿足設(shè)計(jì)和施工要求。采用最優(yōu)C45P10微膨偏高嶺土混凝土配合比時(shí)，混凝土3 d和7 d強(qiáng)度發(fā)展緩慢，而28 d及60 d強(qiáng)度發(fā)展較快，60 d強(qiáng)度與普通C45P10微膨混凝土相當(dāng)。可見，針對(duì)大體積混凝土對(duì)水化熱及抗裂要求，采用最優(yōu)C45P10微膨偏高嶺土混凝土配合比更具合理性，混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢，可降低混凝土早期水化熱，降低收縮開裂，同時(shí)能滿足超長(zhǎng)時(shí)間泵送的需要。

4 混凝土供應(yīng)方案

4.1 機(jī)械設(shè)備配置

根據(jù)前期混凝土的澆筑經(jīng)驗(yàn)及市場(chǎng)調(diào)研，本次選用兩家設(shè)備租賃企業(yè)，對(duì)泵車型號(hào)、出廠年限、保養(yǎng)情況程度、操作技術(shù)人員統(tǒng)一擇優(yōu)選用。

考慮到高海拔地區(qū)設(shè)備泵送的功效損失較大，結(jié)合當(dāng)?shù)剌斔捅玫淖赓U市場(chǎng)情況，確定配置5臺(tái)汽車泵及2臺(tái)固定泵，1臺(tái)汽車泵和1臺(tái)固定泵備用。每臺(tái)泵車配備2名操作人員，現(xiàn)場(chǎng)成立一個(gè)故障維修小組。

4.2 混凝土供應(yīng)與車輛配置

1）混凝土供應(yīng)站與車輛安排：通過調(diào)研，選擇當(dāng)?shù)貙?shí)力最強(qiáng)的混凝土公司作為本工程的混凝土供應(yīng)商，根據(jù)其攪拌站的供應(yīng)能力、車輛配置情況、運(yùn)輸距離、運(yùn)輸時(shí)間等因素，在昆明東、西、北三個(gè)方向各選擇一個(gè)攪拌站為主供，所有攪拌站使用同一配合比及同廠家的原材料；根據(jù)施工要求需配置有綠色通行證的混凝土運(yùn)輸車輛120輛。

2）混凝土運(yùn)輸路線規(guī)劃：為了應(yīng)對(duì)混凝土澆筑過程中道路交通堵塞、車輛故障等突發(fā)事件，保障每個(gè)主供應(yīng)站都能順利運(yùn)輸混凝土到現(xiàn)場(chǎng)，每個(gè)攪拌站規(guī)劃2條運(yùn)輸路線，一條為主要運(yùn)輸路線，另一條為備用線路。

4.3 避高峰措施

在早晚高峰限行前，對(duì)需要蓄車的混凝土緩凝劑摻量進(jìn)行調(diào)整，使混凝土初凝時(shí)間控制在10～12 h；場(chǎng)內(nèi)布置蓄車點(diǎn)，備車至少30輛，保障高峰期間能保持低速連續(xù)泵送。

根據(jù)道路限行的范圍，選擇在二環(huán)路以外可臨時(shí)停車的東風(fēng)東路、貴昆路（距離本工程3 km左右）路段進(jìn)行蓄車，車輛限行解除后，混凝土車確保15 min左右到達(dá)工地。

4.4 蓄車方案

根據(jù)運(yùn)輸車輛從攪拌站至工地現(xiàn)場(chǎng)、車輛進(jìn)場(chǎng)及出場(chǎng)線路，以及每臺(tái)泵車上泵和下泵線路，確保混凝土運(yùn)輸路線暢通，在場(chǎng)內(nèi)棧橋上設(shè)置臨時(shí)蓄車點(diǎn)（圖2）。

圖2 場(chǎng)內(nèi)混凝土蓄車點(diǎn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際澆筑進(jìn)度、場(chǎng)外交通情況、早晚高峰限行等因素進(jìn)行實(shí)時(shí)混凝土調(diào)度，落實(shí)現(xiàn)場(chǎng)蓄車數(shù)量及時(shí)間節(jié)點(diǎn)，保證混凝土供應(yīng)量及減少壓車時(shí)間。早晚高峰期影響約7 h，高峰期前1 h統(tǒng)計(jì)路上車輛，確保場(chǎng)內(nèi)混凝土存量不少于300 m3，每臺(tái)泵的澆筑速度控制在15 m3/h左右。

5 大體積混凝土澆筑方案

5.1 泵車布置方案

本次大筏板混凝土采用2臺(tái)固定泵和5臺(tái)汽車泵一次性澆筑，場(chǎng)內(nèi)備用1臺(tái)固定泵和1臺(tái)汽車泵，每臺(tái)泵車編號(hào)掛牌。汽車泵圍繞基坑布置在棧橋上，固定泵布置在坑內(nèi)。2#、3#、4#泵車混凝土運(yùn)輸車輛由1#門進(jìn)出；1#、5#、6#、7#泵車混凝土運(yùn)輸車輛由2#門進(jìn)；空車由3#和4#門出場(chǎng)。

5.2 混凝土澆筑方法

根據(jù)筏板與棧橋位置的情況，南側(cè)及東側(cè)棧橋正下方的混凝土采用1#、7#固定泵澆筑，其他區(qū)域采用汽車泵澆筑，其中深坑區(qū)域由5#、6#泵先行施工。

1）局部深坑的區(qū)域先安排澆搗，混凝土斜面的自由坡度按10%～15%，澆筑總體方向采用由南向北、循序推進(jìn)、“斜面分層、薄層澆注、一次到頂”的澆筑方法，每臺(tái)泵澆筑范圍控制在10～15 m，每層澆筑高度控制在500 mm左右。

2）每臺(tái)泵機(jī)備4臺(tái)φ50 mm高頻插入式振搗器進(jìn)行混凝土振實(shí)，均勻分布在混凝土流淌坡度范圍內(nèi)，剛開始澆筑時(shí)混凝土的自由落差超過2 m，采取加設(shè)串通或溜槽等輔助措施以防離析。

3）上下層混凝土結(jié)合處采取加強(qiáng)二次振搗，振搗器插入下層混凝土中50 mm，各臺(tái)泵澆筑范圍之間的結(jié)合處進(jìn)行加強(qiáng)振搗。振搗時(shí)操作人員根據(jù)分層原則在中間分布層中依次振搗，預(yù)留人員出入口，部分區(qū)域鋼筋孔位置需要鋼筋補(bǔ)強(qiáng)。

4）混凝土振搗遵循“快插慢拔”的原則，振點(diǎn)呈梅花形布置，每點(diǎn)間距不大于500 mm，振搗必須及時(shí)到位，不得漏振，混凝土斜面下腳仔細(xì)振搗。

5）加強(qiáng)對(duì)鋼筋密集部位混凝土的振搗，確保密實(shí)。振搗器插入時(shí)，不應(yīng)碰撞鋼筋、支架、預(yù)埋螺桿埋件、模板等，對(duì)柱腳、墻腳等鋼筋密集部位混凝土采用φ30 mm小直徑振動(dòng)棒振搗。特別注意不得沖撞測(cè)溫點(diǎn)，防止測(cè)溫點(diǎn)損壞。

6）混凝土澆筑時(shí)，合理控制泵車出料及澆筑流程，加強(qiáng)出料口與泵送放料口調(diào)度的聯(lián)系。

7）配備好看模、看鐵人員，對(duì)混凝土澆搗過程中出現(xiàn)的模板變形、鋼筋位移等質(zhì)量問題及時(shí)加固模板和鋼筋整改。

5.3 溫度及裂縫控制技術(shù)

1）為了確?；炷恋馁|(zhì)量，防止內(nèi)外溫差超限而產(chǎn)生溫度裂縫與收縮裂縫，在澆筑和養(yǎng)護(hù)期間，對(duì)混凝土的內(nèi)、表溫度實(shí)施24 h的連續(xù)監(jiān)測(cè)，指導(dǎo)筏板混凝土養(yǎng)護(hù)工作，防止混凝土貫穿裂縫及表面干縮裂縫的產(chǎn)生。

2）監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置：溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用全數(shù)字式信息化施工，混凝土內(nèi)部設(shè)溫度測(cè)點(diǎn)100個(gè)，另設(shè)環(huán)境溫度測(cè)點(diǎn)2個(gè)，在覆蓋養(yǎng)護(hù)層底部設(shè)2個(gè)測(cè)點(diǎn)，共設(shè)104個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。

3）測(cè)溫結(jié)果：混凝土入模溫度多數(shù)在25 ℃以內(nèi)，測(cè)軸中心大多數(shù)點(diǎn)最大中心溫度在71 ℃～76 ℃之間，溫度峰值出現(xiàn)在6月3日—8日，隨后開始逐漸降溫，混凝土結(jié)構(gòu)芯表溫度的差值始終小于25 ℃；在結(jié)束測(cè)溫驗(yàn)收時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)開展強(qiáng)度實(shí)體回彈和試塊試驗(yàn)，強(qiáng)度和抗?jié)B均符合設(shè)計(jì)要求，筏板表面光潔平整、無明顯裂縫產(chǎn)生，僅在筏板側(cè)面的表面發(fā)現(xiàn)局部少量干縮裂縫，沒有發(fā)現(xiàn)有害裂縫，表明本次筏板混凝土配合比、溫度控制措施是有效的，澆筑及養(yǎng)護(hù)措施是成功的。

5.4 設(shè)計(jì)優(yōu)化

本工程原設(shè)計(jì)圖紙筏板鋼筋規(guī)格為HRB400φ40 mm，通過鋼筋代換改為HRB500φ32 mm鋼筋，在配筋總面積不變的情況下，通過鋼筋等強(qiáng)代換縮小鋼筋間距，有利于減少混凝土裂縫的產(chǎn)生和裂縫大小的控制。同時(shí)，也降低鋼筋使用量和造價(jià)，便于施工，節(jié)約工期。

6 結(jié)語

針對(duì)高海拔地區(qū)超大體積筏板混凝土施工組織，結(jié)合地區(qū)及工程特點(diǎn)，從人、機(jī)、料、法、環(huán)等方面進(jìn)行分析，考慮混凝土原材料、施工設(shè)備的局限性、氣候交通環(huán)境、地理環(huán)境因素等影響因素，對(duì)當(dāng)?shù)厣?、石、礦渣粉摻合料等混凝土原材料品質(zhì)進(jìn)行調(diào)查與改善。從縮尺模擬試驗(yàn)確定混凝土配合比、混凝土的連續(xù)供應(yīng)與避高峰蓄車方案、優(yōu)化設(shè)計(jì)與溫度及裂縫控制技術(shù)、混凝土澆筑方案及組織等各方面開展技術(shù)試驗(yàn)及研究，最終在諸多受制條件下攻克了高海拔地區(qū)大體積混凝土筏板施工的難題，并形成了適用于高海拔地區(qū)的超大體積混凝土成套施工組織方案，為類似地區(qū)限制條件下的超大體積混凝土筏板工程施工提供了借鑒。