圓臺(tái)式鋼筋混凝土基礎(chǔ)承臺(tái)溫度控制與配合比研究

李 斌 杜建勝 溫 宇 趙志濤

（中國(guó)安能集團(tuán)第一工程局有限公司，廣西 南寧 530028）

0 引言

1 工程概況

龍?jiān)搓惼斤L(fēng)電項(xiàng)目位于廣西省南寧市賓陽(yáng)縣陳平鄉(xiāng)南部山區(qū)，總共需要安裝16 臺(tái)風(fēng)機(jī)。風(fēng)電項(xiàng)目風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)底部直徑為21m，頂部直徑為6.6m，墊層厚為0.1m。采用的是2 個(gè)圓形組合而成的圓臺(tái)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，基礎(chǔ)頂高4.7m。澆筑該大型結(jié)構(gòu)物需要多方措施的配合實(shí)施。為了進(jìn)行對(duì)基礎(chǔ)承臺(tái)的溫度控制和配合比的研究，需要細(xì)致分析混凝土材料的絕熱溫升問題。

2 溫度控制措施

2.1 模擬絕熱溫升試驗(yàn)

在實(shí)際澆筑過(guò)程中，很難精準(zhǔn)把控圓臺(tái)式鋼筋混凝土基礎(chǔ)承臺(tái)的溫度。因此需要通過(guò)同條件下的試件模擬試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證實(shí)際中混凝土澆筑過(guò)后其內(nèi)部溫度升高的變化趨勢(shì)[2]?，F(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑所取得的同條件試塊如圖1 所示。該試驗(yàn)采用的是一個(gè)尺寸為800mm×600mm×100mm 的平板型試件。

圖1 圓臺(tái)式混凝土澆筑試塊

該溫升試驗(yàn)的目的是研究在不同干燥狀態(tài)下混凝土所受的開裂影響，采用4 種干燥養(yǎng)護(hù)條件，即覆膜密封養(yǎng)護(hù)0d、1d、2d 和3d，觀察其后的表現(xiàn)情況。具體試驗(yàn)方法如下：通過(guò)設(shè)置熱電偶與保溫泡沫箱，取得較好的保溫效果。將熱電偶一端用于測(cè)試混凝土溫度，另一端與數(shù)據(jù)采集裝置連接，對(duì)混凝土試件的中心溫度、邊緣溫度進(jìn)行細(xì)致采集[3]。

溫升試驗(yàn)將通過(guò)溫升試驗(yàn)儀來(lái)確定采集辦法。該儀器需要符合混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定儀的相關(guān)規(guī)定，儀器主要情況由2 個(gè)部分組成，分別是絕熱養(yǎng)護(hù)箱和控制記錄儀，溫度控制記錄儀的測(cè)量范圍在0℃～100℃，分刻度值是0.5℃。對(duì)圓臺(tái)式混凝土試塊的澆筑按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T5150—2001）進(jìn)行即可，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的混凝土試塊溫升試驗(yàn)進(jìn)行分析的主要依據(jù)是指數(shù)型模型和雙曲指數(shù)型模型，具體如公式（1）、公式（2）所示。

式中：θ（τ）為圓臺(tái)式混凝土的絕熱溫升變量；θ0為圓臺(tái)式混凝土的最終絕熱溫升變量；τ為其養(yǎng)護(hù)時(shí)間的自變量；m為一控制常數(shù)。

為了更為準(zhǔn)確地利用上述2 個(gè)模型，該文將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)帶入模型公式，進(jìn)而得到后續(xù)第2.2 節(jié)的絕熱溫升試驗(yàn)曲線，以便于進(jìn)行直觀分析。

2.2 溫升數(shù)據(jù)分析

試塊選取6 種配合比，以測(cè)試不同配合比下的溫度變化情況。詳細(xì)配比見表1。其中選取混凝土的標(biāo)號(hào)為C30，摻入不同數(shù)量的粉煤灰以區(qū)分混凝土的不同配合比，并對(duì)不同的配合比組別下的溫升數(shù)據(jù)進(jìn)行代號(hào)區(qū)分。當(dāng)粉煤灰摻量為30%、35%、40%和50%時(shí)，用YC30、YC35、YC40和YC50 表示；同時(shí)加入摻量為20%、25%的礦渣，用代號(hào)YC3020、YC3025 表示。通過(guò)這6 種不同方式制成混凝土配合比后，利用第2.1 節(jié)中的公式（1）、公式（2），用最小二乘法原理對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)擬合，求出有關(guān)參數(shù)和擬合公式。該文對(duì)某大壩所采用的幾種碾軋、常態(tài)混凝土在齡期內(nèi)進(jìn)行絕熱溫升試驗(yàn)，獲得混凝土絕熱溫升數(shù)據(jù)，分別使用公式（1）、公式（2）對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)擬和，分析2 種表達(dá)式的擬和優(yōu)劣，得出最佳擬和數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行分析。

地礦信用體系主要包括信用監(jiān)督管理制度、信用等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、信用信息系統(tǒng)三個(gè)部分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2014年實(shí)施以來(lái)，原浙江省國(guó)土資源廳已公開發(fā)布了2015年、2016年、2017年三個(gè)年度的采礦權(quán)人信用等級(jí)名單，其中C級(jí)共73個(gè)（次）、D級(jí)共17個(gè)（次）；公開發(fā)布了2016年和2017年探礦權(quán)人信用等級(jí)名單，其中C級(jí)共11個(gè)（次）；公開發(fā)布了2017年度地礦中介服務(wù)機(jī)構(gòu)信用等級(jí)名單，其中C級(jí)11家、D級(jí)16家；公開發(fā)布了2017年度全省地礦專家人員信用考核結(jié)果，其中10位評(píng)審類專家被公開移出省地礦專家?guī)?。通過(guò)地礦信用監(jiān)管，各類從業(yè)主體誠(chéng)信意識(shí)、自律意識(shí)明顯增強(qiáng)，地礦市場(chǎng)秩序更加規(guī)范，成效初步顯現(xiàn)。

表1 溫升試塊混凝土配合比（kg/m3）

通過(guò)前述模擬絕熱溫升的試驗(yàn)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并合并拉出曲線進(jìn)行分析，得到的最終曲線如圖2 所示。

圖2 圓臺(tái)式混凝土試塊絕熱模擬試驗(yàn)曲線

圖2 中對(duì)6 種配合比下的混凝土溫升進(jìn)行了整理，可以發(fā)現(xiàn)所有情況趨勢(shì)均類似，從起始溫度27℃開始緩慢上升，維持在30℃后，又開始出現(xiàn)短暫的下降，而后迅速攀升到峰值溫度，從第3d 左右開始出現(xiàn)連續(xù)下降的趨勢(shì)，從第7d 左右開始呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。最終所有6 種配合比下的圓臺(tái)式混凝土的材料溫度保持在17℃～20℃附近。從絕熱溫升模擬試驗(yàn)可以得出：圓臺(tái)式混凝土的溫控主要把握中后程，在齡期3d 左右會(huì)達(dá)到峰值，如果不進(jìn)行妥當(dāng)處理，將會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)件造成破壞。

2.3 溫控措施

從施工角度來(lái)看，在圓臺(tái)式混凝土溫控過(guò)程中主要應(yīng)做好切片[4]，分區(qū)域及時(shí)進(jìn)行放熱，有足夠的熱交換就能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度控制，保持溫度的一致性，也就不會(huì)產(chǎn)生較大的混凝土開裂問題。常規(guī)的溫控措施非常多，該文采取的主要措施是對(duì)配合比進(jìn)行優(yōu)化并對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的澆筑進(jìn)行細(xì)分，以達(dá)到溫度控制的目的，并且依次配置不同的配合比混凝土以進(jìn)行施工[5]。實(shí)踐證明，該模式能夠最大限度地處理好圓盤式混凝土基礎(chǔ)承臺(tái)澆筑的一系列問題。

3 配合比研究

3.1 主要技術(shù)指標(biāo)

圓臺(tái)式鋼筋混凝土基礎(chǔ)承臺(tái)的澆筑涉及在圓形的邊界范圍內(nèi)進(jìn)行混凝土的澆筑施工。由于幾何尺寸和常規(guī)的結(jié)構(gòu)形狀有所不同，因此更需要在混凝土自身的配合比問題上進(jìn)行研究，以適應(yīng)風(fēng)電基礎(chǔ)的耐久性要求。

為了透徹地分析圓臺(tái)式重力鋼筋混凝土基礎(chǔ)承臺(tái)的耐久性問題，需要重點(diǎn)考慮單位用水量、砂率、水灰比這3 個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)[6]。其中單位用水量將主要影響圓臺(tái)式混凝土的流動(dòng)性，砂率將影響結(jié)構(gòu)的聚合性和一定的保水性能，而水灰比是影響圓臺(tái)式重力混凝土承臺(tái)的耐久性和穩(wěn)定性的控制指標(biāo)。

3.1.1 水灰比影響

對(duì)混凝土的配合比進(jìn)行研究，需要首要考慮的是水灰比的影響[7]。水灰比的配置方案直接決定了圓臺(tái)式混凝土基礎(chǔ)承臺(tái)的澆筑效果和整體質(zhì)量。通常標(biāo)號(hào)為C60 的混凝土，即除了高強(qiáng)混凝土以外的普通混凝土的水灰比的計(jì)算應(yīng)如公式（3）所示。

式中：W為用水量；C為水泥用量；αa、αb為回歸系數(shù)，根據(jù)不同集料采取不同的回歸系數(shù)，最大取為1；fce為28d水泥抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值，單位為MPa；fcu，o為水泥極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，單位為MPa。

公式（3）能夠定性地分析出水泥和水的摻加比例，對(duì)圓臺(tái)式混凝土而言，應(yīng)當(dāng)將水泥與水的比例保持在0.25 以下較為合適。

3.1.2 砂率影響

砂率是指整個(gè)混凝土集料中砂子的含量占比。顯然，砂子在集料中的占比應(yīng)該保持在一定的范圍內(nèi)，砂率選取方法主要包括如下方面：1）砂率與水灰比的關(guān)系成正比，一般設(shè)置為1 ∶0.3 為宜。2）碎石用量應(yīng)顯著多于卵石，二者相差應(yīng)當(dāng)為0.02 左右。3）當(dāng)配比中粗集料的粒徑成4mm 的等差數(shù)列依次遞增時(shí)，相應(yīng)地，砂率也應(yīng)按照公差為0.02 左右向下遞減。

3.1.3 結(jié)構(gòu)單位用水量影響

圓臺(tái)式混凝土承臺(tái)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)單位用水量需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)確定。其基礎(chǔ)定在90mm 的坍落度上，每增加20mm 的坍落度，單位用水量就需要增加5kg[8]?？紤]外加劑時(shí)需要進(jìn)行有關(guān)計(jì)算，如公式（4）所示。

根據(jù)該結(jié)果，將圓臺(tái)式混凝土承臺(tái)基礎(chǔ)分為素混凝土材料和鋼筋混凝土材料2 個(gè)大類，并考慮幾種常見施工工況下的水灰比用量控制，總結(jié)得出的控制參數(shù)見表2。

表2 圓臺(tái)混凝土最大水灰比控制參數(shù)表

根據(jù)表2 的數(shù)據(jù)，可以試驗(yàn)在水灰比一定的情況下，通過(guò)變換用水量來(lái)進(jìn)行圓臺(tái)式混凝土的配合比優(yōu)化研究。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行有關(guān)操作，對(duì)提高結(jié)構(gòu)物的整體性能和耐久性能起到明顯的促進(jìn)作用，且效果顯著。

假設(shè)澆筑混凝土的標(biāo)號(hào)為C30，初始坍落度控制在160mm±20mm，可以配置出6 種滿足要求的如表3 所示用水量的結(jié)構(gòu)混凝土。

表3 單位用水量?jī)?yōu)化圓臺(tái)式混凝土澆筑配合比配置表

3.2 優(yōu)化方法研究

對(duì)混凝土的施工，其結(jié)構(gòu)部位、環(huán)境、原材料、工藝等因素并非獨(dú)立，而是相互作用的有機(jī)整體。為了能夠達(dá)到真正的優(yōu)化效果，配合比的調(diào)整應(yīng)當(dāng)是分塊、分區(qū)采用不同的配合比。根據(jù)大體積的圓臺(tái)式混凝土基礎(chǔ)承臺(tái)的澆筑策略，擬通過(guò)多項(xiàng)分類的方法進(jìn)行澆筑施工，對(duì)同一部位的不同層次也要采用不同配比的混凝土材料施工，才能確保結(jié)構(gòu)整體性能得到提升。

基于上述邏輯，通過(guò)測(cè)算并根據(jù)混凝土材料的溫度傳導(dǎo)特性將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際澆筑施工分成3 個(gè)區(qū)（A 區(qū)、B 區(qū)和C區(qū)）共14 個(gè)小區(qū)的澆筑工區(qū)。這些區(qū)域?qū)?yīng)了不同的配合比，能夠較好地適應(yīng)澆筑時(shí)間、澆筑環(huán)境條件等，可大幅提升混凝土質(zhì)量，不會(huì)發(fā)生開裂變形。其優(yōu)化方法是按照?qǐng)D3 所示依次進(jìn)行澆筑，由下到上首先進(jìn)行C 區(qū)施工，沿圓臺(tái)式混凝土基礎(chǔ)承臺(tái)徑向交叉分為4 個(gè)區(qū)域即C Ⅰ、C Ⅱ、C Ⅲ和C Ⅳ區(qū)依次澆筑，然后向上開始B 區(qū)澆筑。為保證材料一致性和幾何一致性，先行澆筑最里圈的工區(qū)，并按照徑向平切為2 個(gè)部分，即B Ⅰ區(qū)、B Ⅱ區(qū)，澆筑外圈兩側(cè)的工區(qū)B Ⅲ和B Ⅳ區(qū)，再澆筑基礎(chǔ)承臺(tái)頂部工區(qū)。為了保證整體性和耐久性，沿著與B 區(qū)里圈徑向平切相垂直的徑向方向平切為2 個(gè)部分，即A Ⅰ區(qū)、A Ⅱ區(qū)，澆筑外圈兩側(cè)的工區(qū)，再平切為2 個(gè)部分，即A Ⅲ區(qū)、A Ⅳ區(qū)和A Ⅴ區(qū)、A Ⅵ區(qū)，最終完成所有圓臺(tái)式鋼筋混凝土基礎(chǔ)承臺(tái)的澆筑工作。其不同區(qū)域?qū)?yīng)的優(yōu)化配合比詳見表4。

表4 按區(qū)域優(yōu)化后的混凝土配合比設(shè)置對(duì)應(yīng)表

圖3 圓臺(tái)式鋼筋混凝土基礎(chǔ)承臺(tái)不同配合比分區(qū)澆筑示意圖

綜上所述，該文所述澆筑分區(qū)及對(duì)應(yīng)的分塊混凝土配合比能夠最大限度地進(jìn)行承臺(tái)混凝土溫度控制和防裂縫控制，并能取得較好效果。

4 結(jié)論

圓臺(tái)式風(fēng)電基礎(chǔ)承臺(tái)的澆筑作業(yè)涉及溫度控制和配合比的優(yōu)化問題且在幾何尺寸較大的基礎(chǔ)中更為關(guān)鍵。該文從溫控措施開始，對(duì)溫升試驗(yàn)和混凝土配合比問題進(jìn)行了較為深入的研究，得出以下結(jié)論：1）該文進(jìn)行了模擬現(xiàn)場(chǎng)同條件的混凝土絕熱溫升模擬試驗(yàn)，選擇出6 種配合比的混凝土，結(jié)果發(fā)現(xiàn)混凝土溫度變化在3d 左右達(dá)到峰值，其后開始持續(xù)下降，最終穩(wěn)定在17℃左右。2）該文建議溫控措施的最優(yōu)方法是將溫度控制、混凝土配合比及分塊分區(qū)作業(yè)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)在不同工區(qū)設(shè)置不同配合比的混凝土料，最大限度地提升圓臺(tái)式基礎(chǔ)承臺(tái)的整體質(zhì)量。