超长、超宽、超厚大体积筏板基础混凝土无缝施工技术应用与研究

来峻岳　林文强　赵文丽

摘要：文章结合洛阳正大国际城市广场暨市民中心项目——东地块7号楼筏板基础大体积混凝土无缝施工实例，为确保施工中温控指标及裂缝控制达到工程要求，混凝土强度采用60d强度，优化混凝土配合比，采取粉煤灰与矿粉双掺、减少水泥用量来降低水化热峰值并滞后释放水化热，采用外保温等措施控制混凝土里表温差以进行裂缝控制。经施工后实测，各项温控指标及裂缝控制均达到规范要求。

关键词：超长、超宽、超厚大体积混凝土；优化配合比；60d强度；外保温；电子测温

中图分类号：TU97 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）02-0051-04

1 工程概况

洛阳正大国际城市广场暨市民中心项目——东地块7号楼为洛阳市在建最高的商业办公综合楼，位于洛阳市洛龙区开元大道以南，西临开元湖。工程建筑类别为一类超高层公共建筑，工程为钢管混凝土框架——混凝土核心筒结构，抗震设防烈度为8度，地下3层，地上51层，建筑总高度211.75m，总建筑面积为114952.9m2。

本工程基础采用筏板基础，筏板基础占地面积5653m2，南北长84.75m，东西宽66.7m，采用C50P8抗渗混凝土，筏板基础设计厚度分别为2m、3.3m、4.2m。该基础已于2012年10月21日施工完毕。

本工程筏板基础为超长、超宽、超厚的大体积混凝土，施工时采用无缝施工，取消伸缩缝、沉降缝、抗震缝、温度后浇带及沉降后浇带，实现完全无缝施工，施工时优化配合比，取消混凝土内部冷却水管，采用外保温。

本文中所用符号不再进行解释，详见《大体积混凝土施工规范》及《建筑施工手册（第四版）》中相关符号，只进行取值。

2 筏板大体积混凝土配合比设计

为确保温控指标达到规范要求，该工程在施工前对混凝土设计配合比进行了优化设计，采用粉煤灰与矿粉双掺，增加粉煤灰用量，减少水泥用量，取消膨胀剂，使用聚羧酸减水剂，减小混凝土坍落度控制在140±20mm，混凝土配合比强度设计与强度评定采用60d强度，混凝土配合比见表1：

表1 混凝土配合比表

设计

强度 C50P8 材料种类 水泥

（P.O42.5） 中砂 碎石

（5～30） 水 外加剂

（ZW-PCA

-HNY-Ⅱ） 掺合料1

（粉煤灰） 掺合料2

（矿粉）

水胶比 0.35 材料用量

（kg/m3） 240 765 1056 150 4.5 150 35

砂率 42% 配合比 1 3.19 4.4 0.625 0.019 0.625 0.146

3 筏板基础大体积混凝土温度计算及实测

在筏板基础施工前，应对施工阶段大体积混凝土浇筑体的温度、温度应力及收缩应力进行试算，并确定施工阶段浇筑体的温升峰值、里表温差及降温速度的控制指标，制定相应的温控技术措施。

3.1 混凝土最高水化热的绝热温升

10月份洛阳的混凝土入模温度按25℃考虑，按规范要求则浇筑体温升不宜大于75℃。根据《大体积混凝土瞬态温度场实测与数值分析》的结论，混凝土最大温度峰值会出现在第3～6d。代入公式为：

Th＝W·Q/c·ρ＝425×348.75/0.96×2400＝64.33℃ （1）

Q＝K·Q0＝0.93×375＝348.75kJ/kg （2）

式中：K按下式计算（K1、K2按大体积混凝土施工规范表B.1.3取值），K＝K1＋K2－1＝0.93＋1－1＝0.93；Q0取375kJ/kg；W＝240＋150＋35＝425 kg/m3；c取0.96kJ/（kg·℃）；ρ取2400kg/m3。

3.2 混凝土各龄期中心计算温度

T1（t）＝Tj＋Th·ξ（t） （3）

式中：Tj取25℃；由3.1计算Th＝64.33℃；ξ（t）

为t龄期降温系数，查《建筑施工手册（第四版）》表10-83。

混凝土浇筑3d后中心计算温度（厚度按4m

计算）：

T1（3）＝25＋64.33×0.74＝72.6℃

其余每隔3d各龄期中心计算温度分别为：71.96℃；71.32℃；66.81℃；60.38℃；54.59℃；48.80℃；44.30℃；41．08℃；40.44℃。

3.3 各阶段混凝土中心温度温升差值

混凝土浇筑后3～6d混凝土中心温度温升差值：

ΔT1（3-6）＝72.6－71.96＝0.64℃

其余每隔3d各阶段混凝土中心温升温差分别为：0.64℃；4.51℃；6.43℃；5.79℃；5.79℃；4.5℃；3.22℃；0.64℃。

3.4 混凝土各龄期中心计算温度与实测温度对比

混凝土各龄期中心计算温度与实测温度对比表见表2：

表2 各龄期混凝土中心计算温度与实测温度对比表

龄期t/d 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30

中心实测温度℃ 73.6 72.8 71.03 67.2 60.7 55.9 51.4 47.5 45.2 42.5

中心计算温度℃ 72.6 71.96 71.32 66.81 60.38 54.59 48.80 44.30 41．08 40.44

4 混凝土收缩变形值的当量温度计算

4.1 混凝土各龄期收缩的相对变形值计算

εy（t）＝ε0y（l－e-0.01t）M1·M2·M3…M11 （4）

式中：ε0y取3.24×10-4；M1取1.0；M2取1.0；M3取0.925；M4取1.2；M5＝1.09（3d），M5＝1.02（6d），M5＝0.97（9d），M5＝0.95（12d），M5＝0.93（14～30d）；M6取1.0；M7取0.65；M8取0.92；M9取1.3；M10取0.89；M11取1.0。

则：

M1·M2·M3·M4·M6·M7·M8·M9·M10·M11

＝1×1×0.925×1.2×1×0.65×0.92×1.3×0.89×1＝0.768。

混凝土浇筑后3d收缩的相对变形值：εy（3）＝3.24×10-4×（l－e-0.03）×0.768×1.09＝0.08×10-4mm。

其余每隔3d各龄期收缩的相对变形值分别为：0.148；0.208；0.267；0.322；0.381；0.438；0.494；0.548；0.6（×10-4mm）。

4.2 混凝土各龄期收缩的相对变形值的当量温度计算

Ty（t）＝εy（t）/α （5）

式中：α取1×10-5（mm/℃）。

混凝土浇筑3d后当量温度Ty（3）＝εy（3）/α＝0.08×10-4/1×10-5＝0.80℃。

其余每隔3d各龄期收缩的当量温度分别为：1.48℃；2.08℃；2.67℃；3.22℃；3.81℃；4.38℃；4.94℃；5.48℃；6℃。

4.3 各阶段混凝土收缩的当量温度差值

混凝土浇筑后3～6d收缩的当量温度差值：

ΔTy（3-6）＝Ty（6）－Ty（3）＝1.48－0.80＝0.68℃。

其余每隔3d各阶段混凝土收缩的当量温度差值分别为：0.6℃；0.6℃；0.55℃；0.59℃；0.57℃；0.55℃；0.54℃；0.52℃。

4.4 各阶段混凝土单位综合温差

混凝土浇筑后3～6d的综合温差ΔT（3-6）＝

ΔT1（3-6）＋ΔTy（3-6）＝0.64＋0.68＝1.32℃。

其余每隔3d各阶段混凝土的综合温差分别为：1.24℃；5.11℃；6.98℃；6.38℃；6.36℃；5.05℃；3.76℃；1.16℃。

5 混凝土弹性模量计算

混凝土各龄期的弹性模量可按下式计算：

E（t）＝βE0（1－e-0.09t） （6）

式中：β按下式计算（β1·β2按大体积混凝土施工规范表B.3.2取值），β＝β1·β2＝0.97×1.01＝0.98；E0在C50为3.45×104N/mm2。

混凝土浇筑3d后弹性模量：E（3）＝0.98×3.45×104×（1－e-0.09×3）＝0.8×104N/mm2。

其余每隔3d各龄期的弹性模量分别为：1.411；1.877；2.233；2.504；2.712；2.87；2.991；3.083；3.154。

6 温度应力计算

6.1 在外约束条件下产生的拉应力计算

σx（t）＝[α/（1-?）]ΔT2i（t）×Ei（t）×Hi（t，t1）×Ri（t） （7）

式中：α为1×10-5（mm/℃）；?取0.15；ΔT2i（t）见上述计算；Ei（t）见上述计算；Ri（t）取0.5；Hi（t，t1）详见表3。

表3 混凝土各龄期应力松弛系数

龄期t（d） 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30

应力松弛系数 0.193 0.209 0.213 0.232 0.259 0.286 0.301 0.435 0.57 1

混凝土浇筑后3～6d外约束应力：

σx（3－6）＝[α/（1－?）]×ΔT（3－6）×[E（3）＋E（6）]/2×[H（3）＋H（6）]/2×Ri（t）

＝1×10-5/（1－0.15）×1.32×（0.8＋1.411）×104/2×（0.193＋0.209）/2×0.5＝0.017MPa

其余每隔3d各阶段混凝土的外约束应力分别为：0.025MPa；0.137MPa；0.239MPa；0.267MPa；0.306MPa；0.32MPa；0.338MPa；0.167MPa。

经计算可知：

σx＝σx（3-6）＋σx（6-9）＋σx（9-12）＋σx（12-15）＋σx（15-18）＋σx（18-21）＋σx（21-24）＋σx（24-27）＋σx（27-30）＝1.817MPa。

6.2 因里表温差的增量产生的自约束拉应力计算

σz（t）＝α/2×ΔT1i（t）×Ei（t）×Hi（t，t1） （8）

式中：α为1×10-5（mm/℃）；Ei（t）见上面计算；Hi（t，t1）见表3。

计算混凝土浇筑体各龄期里表温差：

T1i（t）＝T0＋2/3×T1（t）－Ty（t）－Th （9）

式中：T0取25℃；T1（t）见表2；Ty（t）见上述计算；Th取20℃。

T1i（3）＝25＋2/3×72.6－0.8－20＝52.6℃

其余每隔3d各阶段混凝土的里表温差分别为：51.49℃；50.47℃；46.87℃；42.03℃；37.58℃；33.15℃；29.59℃；26.91℃；25.96℃

混凝土浇筑后3～6d的里表温差增量：

ΔT1i（3－6）＝T1i（3）－T1i（6）＝52.6－51.49＝1.11℃

其余每隔3d各阶段混凝土的里表温差增量分别为：1.03℃；3.60℃；4.84℃；4.45℃；4.43℃；3.56℃；2.69℃；0.95℃

混凝土浇筑后3～6d自约束应力：

σz（3－6）＝α/2×ΔT1i（3－6）×[E（3）＋E（6）]/2×[H（3）＋H（6）]/2＝1×10-5/2×1.11×（0.8＋1.411）×104/2×（0.193＋0.209）/2＝0.012MPa。

其余每隔3d各阶段混凝土的自约束应力分别为：0.018MPa；0.082MPa；0.141MPa；0.158MPa；0.181MPa；0.192MPa；0.205MPa；0.116MPa

经计算可知：σz＝σz（3-6）＋σz（6－9）＋σz（9－12）＋σz（12-15）＋σz（15－18）＋σz（18－21）＋σz（21-24）＋σz（24-27）＋σz（27－30）＝1.105MPa。

7 大体积混凝土抗裂验算

混凝土防裂性能可按下列公式判断：

λ·ftk（t）/σz≥K （10）

且λ·ftk（t）/σx≥K （11）

式中：K取1.15；λ按下式计算（λ1、λ2按《大体积混凝土施工规范》表B.7.2-1取值）：λ＝λ1·λ2＝0.95×1.06＝1.007。

ftk（t）＝ftk（1－e-γt） （12）

式中：ftk在C50为2.65MPa；γ取0.3。

则ftk（30）＝2.65×（1－2.718-0.3×30）＝2.6497MPa。

代入公式（10）、（11）计算：

λ·ftk（30）/σz＝1.007×2.6497/1.105＝2.415≥K＝1.15

λ·ftk（30）/σx＝1.007×2.6497/1.817＝1.468≥K＝1.15

经验算，累计外约束应力和自约束应力抗裂系数均大于抗裂安全系数1.15，满足抗裂要求。

8 混凝土表面保温层厚度计算

由上述计算可知，筏板基础混凝土浇筑3d后里表温差为52.6℃，大于规范要求里表温差为25℃的规定。为了降低混凝土的内外温差，本工程采取混凝土上铺一层塑料薄膜，上面覆盖一层带铝箔的玻璃丝棉，按下面公式计算玻璃丝绵厚度：

δ＝0.5h·λx（T2－Tq）Kb/[λ·（Tmax－T2）] （13）

式中：h为4.2m；λx为0.038；T2＝Tmax－25＝72.6－25＝47.6℃；Tq取20℃；λ取2.33W/（m·K）；Tmax＝72.6℃；Kb取1.3。

代入公式δ＝0.5×4.2×0.038×（47.6－20）×1.3/[2.33×（72.6－47.6）]＝0.049m＝4.9cm

经计算可知，本工程采取混凝土上铺一层塑料薄膜，上面覆盖一层5cm厚带铝箔的玻璃丝棉能满足要求。

混凝土上表面覆盖保温材料后各龄期实际测量温度见表4，混凝土里表温差未超过25℃，满足规范要求。

表4 各龄期混凝土实际测量温度表

龄期t/d 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30

上表面温度℃ 48.9 48.2 46.2 44 42.5 40.2 38.5 35.7 32.4 30.3

中心温度℃ 73.6 72.8 71.03 67.2 60.7 55.9 51.4 47.5 45.2 42.5

下表面温度℃ 53.4 52.7 52 50.5 48.8 47.6 46.1 43.9 40.6 37.8

9 大体积混凝土测温方案

9.1 温度监测的方法

采用在混凝土中心、上表层、下表面埋设温度传感器，用上海同汉建筑科技服务有限公司的手持式数字温度仪表进行实时监测。在混凝土的浇筑和养护期间对埋设在基础混凝土中心和上、下表面的温度传感器实施定时的监测。每天及时提供各测点的温度值，以利于施工技术部门进行定量和定性分析。

9.2 测点布置方案

根据基础形状、厚度等临界条件以及混凝土浇筑的顺序，我们在基础的不同厚度部位布置测温组。测温点分布如下：筏板浇筑时设9个测温组，其中01、02测温组为4.2m区域；05、06测温组为3.3m区域，03、04、07、08、09测温组为2.0m区域。各测温组的具体布设位置略。

9.3 监测制度

监测期以基础混凝土开始浇捣起至混凝土中心温度进入安全区为止，起始测温每3h记录监测数据一次，自第3d起每6h记录监测数据一次。

10 结语

大体积混凝土施工前进行优化配合比，并进行混凝土温升、抗裂等数据的验算，对施工中控制大体积混凝土裂缝作用较大；通过各种数据的计算能有效地预测混凝土各种峰值数据，对混凝土的养护工序起到指导作用；混凝土浇筑后的温度检测对指导混凝土养护、预防裂缝的产生效果明显。

参考文献

[1] 王铁梦．工程结构裂缝控制[M]．北京：中国建筑工业出版社，1997．

[2] 大体积混凝土施工规范（GB 50496-2009）[M]．北京：中国计划出版社，2009．

[3] 建筑施工手册（第四版）[M]．北京：中国建筑工业出版社，2003．

[4] 王贵君．大体积混凝土瞬态温度场实测与数值分析[A]．第19届全国结构工程学术会议论文集（第2册）[C]．2010．

作者简介：来峻岳（1974-），男，河北邯郸人，河北建工集团有限责任公司高级工程师，研究方向：施工技术应用。

（责任编辑：周 琼）